如何更好地驅(qū)動(dòng)LED燈串

工程師們都很清楚，在機(jī)械和電氣系統(tǒng)中，以諧振或接近諧振運(yùn)作時(shí)，功率和頻率之間存在至關(guān)重要的關(guān)系(圖1)。有時(shí)諧振是一件壞事，假如太多的能量進(jìn)入單模狀態(tài)，可能會(huì)破壞系統(tǒng)。但諧振也可以是好的。諧振通常用于調(diào)節(jié)頻率，通過(guò)保持足夠的功率來(lái)保持系統(tǒng)以諧振頻率振蕩(例如，機(jī)械和電氣時(shí)鐘)?？赡芎芏嗳瞬恢?，諧振可以用來(lái)調(diào)節(jié)功率，可以將功率調(diào)節(jié)到可變載荷的可變尺寸陣列。舉個(gè)例子，這可以應(yīng)用于諸如的照明陣列，以實(shí)現(xiàn)固態(tài)照明(SSL)系統(tǒng)的成本效益和可靠性。

圖1. 該曲線圖描繪的是典型諧振(中心頻率30 kHz和帶寬20 kHz)的歸一化功率。注意，線路頻率無(wú)重疊。

LED應(yīng)用特別有趣，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LED">LED在照明應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)意義越來(lái)越大，并且也是由于常規(guī)DC驅(qū)動(dòng)器存在成本和可靠性問(wèn)題。LED是固有的低電壓DC設(shè)備，在某些工作點(diǎn)上，電流-電壓(I-V)曲線非常陡峭。雖然可以使用恒壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，但實(shí)際上大多數(shù)設(shè)計(jì)人員采用恒流DC驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。為了更接近在典型配電水平(例如120/240 VAC)下工作，燈具通常配置許多LED燈串。這些LED必須緊密匹配，因?yàn)槊總€(gè)LED的光輸出與流過(guò)燈串的電流成比例。單個(gè)LED的故障(例如短路或接線故障)可能導(dǎo)致整個(gè)燈串的故障。

分布式電抗元件

使用諧振來(lái)控制LED陣列的功率，克服了AC LED 驅(qū)動(dòng)器的這些缺點(diǎn)。在最簡(jiǎn)單的情況下，諧振可用來(lái)控制單個(gè)負(fù)載的功率。Verdi Semiconductor公司有效利用了諧振，制作出了適合于 LED燈串的部件少、效率高的電流驅(qū)動(dòng)器。

但是，一個(gè)更強(qiáng)大的方法是將電抗器件分布在陣列之間。以這種方式，不僅可以控制照明元件的整體功率，而且在大型網(wǎng)絡(luò)中，也可以不需要添加半導(dǎo)體器件來(lái)單獨(dú)調(diào)節(jié)子網(wǎng)絡(luò)。分布式電抗元件以高效率和低成本實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的新型控制能力。通常，電抗元件可以是電容器或電感器。在千赫茲到兆赫茲頻率間(或甚至千兆赫茲的頻率，如果需要的話)，適合的組件非常小且便宜，并且可以作為分立器件或片上器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體來(lái)說(shuō)，我們假定電容器分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，并且使用較少數(shù)量的分立電感器，但是也可以制造出低成本的電感器的設(shè)計(jì)。

添加串聯(lián)和并聯(lián)的電抗元件(電容器和/或電感器)可以開(kāi)辟一種全新的功率控制方法。電抗元件可以形成一條諧振回路，其中主要耗散機(jī)制是LED的電阻負(fù)載。 同時(shí)，接近于無(wú)損的電抗可以代替耗能的電阻，這些電阻在最簡(jiǎn)單的直流電路中通常用作電流調(diào)節(jié)器。

單元與陣列

想象一下，一個(gè)照明網(wǎng)絡(luò)由一組照明單元組成，每個(gè)單元包含有一個(gè)或多個(gè)照明元件，例如一對(duì)陽(yáng)極連接陰極的LED，以及串聯(lián)和并聯(lián)電容的。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有許多變化，但是圖2展示了一個(gè)基本的照明單元設(shè)計(jì)。任何數(shù)量的這種單元以及實(shí)際的混合拓?fù)涞膯卧?，可以以串?lián)和/或并聯(lián)連接，形成由電抗串組成的諧振網(wǎng)絡(luò)。更概括地說(shuō)，我們將電抗串組成的網(wǎng)絡(luò)稱為“固態(tài)照明電抗串”(RSSL)。

圖2. 電路顯示兩個(gè)電抗串單元

例如，在圖3中，一個(gè)儲(chǔ)能電路由10個(gè)電抗串組成。假設(shè)所有的LED都是相同類型的，并且所有的電容器具有相同的值C。每個(gè)單元的總電容為2C。燈串的總電容為C/5。諧振頻率為√(5LC)。一個(gè)單元的電抗是1/2ωC。只要X?R，其中R是LED的實(shí)際電阻，則電抗串則表現(xiàn)為純電抗，這相當(dāng)于要求使用諧振電路阻尼不足，Q?1。

圖3. 反應(yīng)電路由10個(gè)A型單元組成

可以使用電路仿真器，對(duì)特定諧振網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)分析，但是也可以容易地進(jìn)行粗略地估計(jì)，大致選擇元件的數(shù)值。對(duì)于給定的工作頻率，電感和電容之間的關(guān)系是確定的。應(yīng)選擇電容，使電抗足夠大，確保足夠高的Q諧振。流過(guò)每個(gè)單元的電流被LED與并聯(lián)的旁路電容器所分配，并受到串聯(lián)電容器的限流，后者的作用非常類似于在直流電路中使用電阻來(lái)控制電流的情況。對(duì)電抗只需使用歐姆定律，就可以找到所需的值。注意，旁路電容器的作用是電流不流過(guò)LED時(shí)，局部存儲(chǔ)再循環(huán)電流。實(shí)際上，除了對(duì)通過(guò)整個(gè)燈串的電流進(jìn)行諧振控制之外，實(shí)際上還有對(duì)每個(gè)LED電流的局部諧振控制。

多通道和線路頻率抑制

盡管可以使用相同的電容值在單個(gè)頻率下來(lái)操作整個(gè)RSSL系統(tǒng)，但是不必這樣做。事實(shí)上，我們可以把雙線照明總線看成是支持頻譜，包含有非常多的可用通道。由于任何一個(gè)電抗串只對(duì)頻帶內(nèi)作出響應(yīng)，只要它們?cè)陬l帶之間具有足夠的空間來(lái)操作，則多個(gè)單獨(dú)的頻帶可以在相同的布線上操作。每個(gè)中心頻率還可以進(jìn)一步調(diào)制，作為傳感器和控制器之間的數(shù)據(jù)往來(lái)通道。

只要線路頻率與用于電抗串的諧振頻率分離開(kāi)來(lái)，對(duì)線路頻率的響應(yīng)就可以忽略不計(jì)，即使沒(méi)有顯式的線路頻率濾波，也不會(huì)有線頻率閃爍現(xiàn)象。因此，驅(qū)動(dòng)器中不需要電解電容器。

RSSL系統(tǒng)本身具有電磁安靜性，又能抗噪音尖峰。超出狹窄通帶的任何能量都會(huì)迅速消失。單元格和單元燈串可以進(jìn)行熱插拔或切換，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的其他部分無(wú)影響。利用這個(gè)屬性就可以讓許多照明器共享同一個(gè)高功率的驅(qū)動(dòng)器。例如，住宅或商業(yè)空間可以使用安裝在配電盤(pán)中的同一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)雙線總線向許多燈具供電，燈具有LED和電容器，但沒(méi)有有源半導(dǎo)體元件，調(diào)光和切換可以分別進(jìn)行(參見(jiàn)圖4)。

圖4. 一個(gè)完整的RSSL網(wǎng)絡(luò)包括驅(qū)動(dòng)器、各種燈具和調(diào)光組、以及可編程的和本地調(diào)光器。

陣列規(guī)模越大，RSSL 可靠性越高

對(duì)直流驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，使用更多的LED通常被認(rèn)為會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的可靠性及使用壽命問(wèn)題，特別是考慮到對(duì)單個(gè)組件(或連接)和驅(qū)動(dòng)器故障十分敏感。這是讓RSSL系統(tǒng)閃耀的另外一點(diǎn)。RSSL的故障分析表明，系統(tǒng)的總體可靠性及壽命實(shí)際上也會(huì)隨著陣列尺寸的擴(kuò)大而得到提升，這是因?yàn)?，其余組件的調(diào)節(jié)，即使出現(xiàn)50%的組件故障，仍然可以接受的。

此外，大多數(shù)大功率LED在其額定電流的上端位置顯示出明顯的流明輸出下降，從而導(dǎo)致凈電瓦特與輻射瓦轉(zhuǎn)換效率時(shí)會(huì)損失一些。RSSL系統(tǒng)可以通過(guò)低成本的設(shè)計(jì)讓這些設(shè)備在遠(yuǎn)低于其額定最大值的情況下，讓流明輸出下降不那么明顯。

另外，成本節(jié)約和可靠性提升可以通過(guò)包括多結(jié)芯片在內(nèi)的COB架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。不是在一個(gè)芯片上構(gòu)建幾個(gè)大面積的器件，而是可以選擇器件面積、功率級(jí)別和冷卻策略，以實(shí)現(xiàn)最大的單器件效率，然后在一個(gè)芯片上放置盡可能多的這些器件，以實(shí)現(xiàn)所需的性能規(guī)格。以一個(gè)或多個(gè)諧振串來(lái)驅(qū)動(dòng)照明陣列，我們就可以獲得一個(gè)產(chǎn)品系列，可以任意裁剪到任何所需的流明輸出。

圖5. 上面的曲線是電流流過(guò)串行照明單元陣列時(shí)形成的波形曲線。下面的曲線是電流流過(guò)單元內(nèi)的一對(duì)LED形成的電流波形。流明波形由下半部分曲線的絕對(duì)值來(lái)給定。注意，在每個(gè)半周的開(kāi)始部分都有一個(gè)很短的不發(fā)光區(qū)間。

使用諧振來(lái)控制電抗串中LED 的功率，是一種強(qiáng)大的新型LED驅(qū)動(dòng)方法，可以用于包括照明在內(nèi)的任意陣列應(yīng)用中。本文只觸及RSSL系統(tǒng)的特性和優(yōu)勢(shì)。諧振式驅(qū)動(dòng)提供了一系列豐富而強(qiáng)大的創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具，可以進(jìn)一步使用，創(chuàng)造先進(jìn)的低成本、多功能照明系統(tǒng)。