LED驱动电源的功率因子很快将达到95%以上

2011-07-27 18:27:00来源: 互联网 关键字:功率  因子  很快  以上
   随着科技的进步,照明工具与方式不断改变,用户对于照明器具所呈现出来的照度、均匀度、演色性及能源效率等需求标准愈来愈高,现阶段而言,最受瞩目的照明后起之秀当非LED照明莫属。以电灯泡和荧光灯管替代、嵌灯、街灯及停车灯、工作照明灯(台灯、橱柜内照明)、景观照明、广告牌文字电路、建筑物照明等一般照明市场为例,预计到2012年,LED照明市场规模将成长至13.08亿美元,年复合成长率高达17.4%。因此,LED通用照明已成为热门市场。

   然而LED在照明市场应用上仍存在某些问题,其中包括LED一致性、寿命测试,尤其是电源供应与驱动系统规格等问题还有待解决等。在LED驱动电源方面的要求包括高效率、高功率因子、高电流控制精度、高可靠性、安全隔离、符合EMI标准、体积小、成本低等。值得注意的是,最新的能源之星标准提出对于大于5W的LED照明产品,要求功率因子指标(PFC)必须大于0.7,如此才能进一步达成节能的目的。

电源输入系统要求各有不同

   分析LED灯具的成本结构,散热组件约占三成,电源供应系统占两成,组装部分占5%,LED组件则占最大比例,达45%之多。在LED灯具的各个部分中,电源模块肩负节能重任。目前市场上的LED照明电源输入系统可分为为两类,一类前端为AC电源输入系统加上后端的恒流控制模块,此类产品包括冷冻柜灯条、室内灯具、路灯、台灯、MR16、AR111等。另一类为交流电源直接输入系统整合AC/DC转换器和恒流线路,此类产品包括E27和GU10等灯泡型LED灯、PAR灯、T5和T8 LED灯管等。

   根据凯钰科技资深经理何绍加表示,第一类电源设计除了应选择前端效率较佳的恒定电压电源供应器外,后端恒定电源控制的电源模块则依其产品特性采用效率较佳的电源设计。其优点在于前端AC/DC的电源供应器,如开关电源、DC适配器等恒定电压电源,可选择性高且多有安规认证的方案,从而降低设计的门坎。

   第二类电源设计则由于整合了AC/DC的电路和恒定电流电路,主要的难度存在于功率因子、电源效率和安规等方面的考虑,设计也存在一些难度。针对此,业者表示,不同功率的交流-直流(AC-DC) LED照明应用所适合的电源拓扑结构各不相同。如在功率低于80 W的应用中,反激拓扑结构是标准选择;而在讲究高效能的应用中,谐振半桥双电感加单电容(HB LLC)则是首选。

高电源转换效率为追求目标

   据了解,超高效能的LED照明拓扑结构在近年来颇受欢迎,业者主要是寄望能以在相对较低的功率级别(<50W)提供高于90%的效能,而如此高的效能需要以新的拓扑结构达成,例如以谐振半桥拓扑结构取代反激拓扑结构,如此可充分发挥零电压开关(ZVS)的优势。

   从应用的功率等级来看,AC-DC供电的LED一般照明应用包括低功率、中等功率和大功率等不同类型。低功率应用的功率范围通常在1到12W之间;中等功率涵盖8到40W范围;大功率应用的功率常高于40W。 整体而言,LED照明驱动电源业者面临的主要挑战便是LED驱动器应挑战更高的转换效率,尤其是在驱动大功率LED时更是如此,因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散,电源转换效率的过低,将会影响LED节能效果的发挥。

   首先,在1W到8W的低功率LED一般照明方面,典型应用如G13、GU10、PAR16、PAR20和嵌灯等。此类应用的输入电压范围在交流90至264V之间,恒流输出电流包括350mA和700mA两种,效能要求为80%,并要求提供短路保护和过压保护等保护功能。在8W至25W LED一般照明应用要求及方案方面,则分为无PFC及有PFC。

针对无PFC的情况, 8W到25W AC-DC LED照明的典型应用如PAR30、PAR38和嵌灯。在此类应用中,输入电压要求为85~135 Vac或185~264Vac(或通用输入),效能要求大于80%,提供短路保护及开路保护等保护功能,恒流输出电流为350mA、700mA及1A等不同电流。在要求PFC的8W到25W AC-DC LED照明方面,典型应用同样是PAR30、PAR38和嵌灯。此类应用的输入电压规格为90至264 Vac,效能要求80%,支持350mA、700 mA及1A恒流输出,提供短路及过压保护,功率因子要求高于0.9。至于50W至200W LED一般照明多用于街道照明及大功率区域照明,可以采用用于50W-150W或100~200W功率范围的不同LED方案。

主动式功率因子调整达到95%以上

针对LED照明电源驱动需求,在恒流驱动器方面,凯钰科技主推T6316,它是一个具有4个通道的定电流发光二极管驱动器,输出电流可依照外置电阻而定。凯钰科技的T6322则是一个降压恒流LED驱动器,其电流依照外置电阻决定,可支持高达1.5A输出电流,提供±5%精度电流及高功率效能(低能耗)及高线路调整能力,T6316具有±6%精度电流与通道间±3%匹配精度,可用于路灯、灯管等照明设备。

何绍加并进一步表示,在功率因素方面,目前被动式功率因子调整可以达到0.8,其结构简单、价格低廉、工作频率与电源相同、但被动组件体积大、重量重,且需针对特定输入电压和负载条件来设计。针对此,凯钰可提供对应的被动式填谷滤波器来修正整体的功率因子,让LED驱动器的功率因子达85%以上,据了解,凯钰科技即将开发完成的驱动器将采用主动式的功率因子调整,其整体的功率因子达95%以上,将能进一步达到节能目标。

立锜也已推出LED照明驱动IC -RT84系列,立锜表示,有别于市面上多采用磁滞控制的降压型LED驱动IC,立锜全系列产品采用定频控制,使电感值的减少维持为磁滞控制的三分之一,其定频控制方式也比磁滞控制较不随输入电压及电流的变化导致精确度变差。立锜亦针对不同的LED照明应用提出不同的降压、升压及升降压的LED解决方案。

立锜表示,目前市面上产品应用大多采降压LED驱动IC进行设计,此方法的优点是设计概念简单,但LED驱动的数目会受限于降压电路的限制以致于需使用大量的降压IC,采用立锜的升压驱动IC则可大幅减少LED降压驱动IC一半以上的使用量及成本。立锜目前的LED驱动电源产品可满足客户降压、升压及升降压的应用,从1W至400W均提供相对应产品。并对标准灯具如MR16、AR111、GU10、E27、PAR30、PAR38等规格提供解决方案。

兼具隔离和非隔离应用的支持

谈到LED照明驱动电源,不能不提的当然还有恩智浦半导体(NXP Semiconductors),该公司于今年上半年推出一款全新LED控制器SSL2103。恩智浦表示,该产品进一步扩展恩智浦已获得市场验证的AC/DC LED驱动器产品系列(SSL2101/SSL2102) ,使其能适用于多样的照明应用。恩智浦半导体照明部门营销总监Jacques Le Berre表示,SSL2101不仅能符合市场对于LED的需求,更引领整个产业提供更节能的照明解决方案。事实上, SSL2101自2009年春季上市至今的销量已超过一千万枚。SSL2101和SSL2102产品已相当成熟,可应用到各种可调光LED驱动器中,非常适合高整合、低功耗的应用,例如低于25瓦的独立整流器或低于15瓦的LED灯泡。

SSL2103则具有同类产品SSL2101的功能和特性,并可用于更高功率的解决方案。作为一款多用途AC/DC LED照明控制器,SSL2103具有更大的功率适用范围和更好的调光兼容性,使其适用于可调光与不可调光的LED照明灯。此外,SSL210x系列产品整合相同功能的控制器,提高该系列产品在各种LED照明灯应用中的通用性。SSL2103主要针对更高功率的LED照明灯具(PAR20、PAR30和PAR38) 而设计,可为LED灯具设计提供功率、外形尺寸及调光控制方面提供更大的弹性。

据了解,SSL2103除具有SSL2101和SSL2102的功能和性能外,还可满足更高功率的应用。此一功能的实现是透过外部功率开关,并可同时支持可调光或非可调光照明驱动器的应用。与先前产品的设计相似,SSL2103在正常工作温度下的寿命可超过75,000小时。恩智浦的AC/DC LED驱动器产品系列可提供相当多样的技术方案,并可支持隔离或非隔离灯具的应用。此外,该系列产品亦可应用于100V、110V或230V的交流电源网络,电路板外形尺寸则可应用于E27、GU10或者PARx灯具。此产品系列中还包含整合功率开关和泄流电路(bleeder circuitry) 的产品,可使PCB板的尺寸更小。

保持超高效率的可调光方案

再者,Infineon推出的可调光LED驱动方案ICL8001G,主要用于10W-60W,可支持调光功能,适用于住宅照明用的高效LED灯泡足以替代40W/60W/100W白炽灯泡,并支持各种典型的消费照明应用。Infineon表示,采用ICL8001G的驱动器电路板,是以创新的主控技术来管理LED功耗。25个组件就足以因应一盏10瓦LED灯所需(效能等同60瓦),相较于其他替代产品,可省电一半并减少约30%的成本,参考设计印刷电路板面积更仅为20mm x 70mm可轻松嵌入一般旋入式灯泡。所有组件全部组装于一片单面电路板,有助于进一步降低成本。 据了解,ICL8001G节能效果可达90%,支持多种已安装的墙面调光器,同时也是唯一的整合功率因素校正(PFC)功能的主控式脱机型LED驱动器解决方案,功率因子超过98%。

相较于目前许多可调光的LED可调光方案,调光会造成30%的能源效率下降,英飞凌驱动器解决方案由于采用许多舍相(phase-cut)调光器,因此在整个调光范围内都可保持超高效率(>80%)。ICL8001G其他特点包括:驱动器输出独立,可有效防止过热问题;数字软启动功能,内建启动单元,随开即亮;逐周期电流限制;短路保护、过压保护及过热侦测。

无电解电容LED驱动电源方案

再者,在目前市面上,无需电解电容的LED照明驱动电源解决方案也相当值得一提。例如日本村田制作所在今年七月间于TECHNO FRONTIER 2010上展示用于LED照明的数字电源电路,其输入输出电容器便是以该公司的多层陶瓷电容(MLCC)取代电解电容,可内置于直管型LED照明器具的管内。与采用铝电解电容器时相比,此方案除了可缩小产品尺寸外,还能延长产品寿命,为了获得恒定电流,此方案采用了DSP微控制器,开关频率约为200kHz。输出电容器采用了两个约5μF的MLCC。输入电压支持AC100V以及200V两种。据了解,一般情况下,该容量的MLCC无法完全吸收脉动电流,不过通过改进DSP侧的控制,不会感觉到照明器具的闪烁。主电路采用非绝缘升降压型,没有设置PFC(功率因子改善)电路。外形尺寸为180mm×19.4mm×6.5mm。

基本上,之所以要取代电解电容,主要是因为目前普通LED照明驱动电源的工作寿命取决于AC转DC时平滑电路必须采用的电解电容。而LED的工作寿命高达4万小时,电解电容的寿命却只有几千小时,由于系统的寿命是由电源组件中使用的电解电容的寿命来决定的,如果不想法拿掉电解电容,那么LED照明驱动电源的寿命与LED的寿命就无法匹配,LED照明的长工作寿命势必受到影响,因此近来业界相当积极于开发无电解电容的LED照明驱动电源解决方案。

直接以交流电驱动可带来更大应用空间

为求解决交流/直流转换器的寿命比LED寿命短的问题,除上述方案外,交流LED的开发亦颇受瞩目,例如首尔半导体开发的Acriche便无需AC/DC转换器,可直接连接交流电源驱动。此外,台湾工研院所研发的片上交流电LED照明技术亦是采用交流电直接驱动LED芯片发光,工研院电光所、光电组件与系统应用组朱慕道组长指出,此技术不需整流变压器,较传统LED节省15~30%电力,搭配立体导热、可插拔封装技术,体积小等特性,更容易进行多变化的照明设计,工研院表示,此技术不仅节能减碳,也提升了整体LED的发光效率,更为LED整体的照明应用,带来更宽广空间和市场机会,相信这项技术将会在5年内成为未来极具潜力的照明技术。

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