LED驅(qū)動電源的分類及工作原理-LED注意事項及電源失效原理分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-11-05
LED驅(qū)動電源是把電源供應轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動LED發(fā)光的電源轉(zhuǎn)換器，通常情況下：LED驅(qū)動電源的輸入包括高壓工頻交流（即市電）、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流（如電子變壓器的輸出）等。而LED驅(qū)動電源的輸出則大多數(shù)為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。
1．高可靠性 特別像LED路燈的驅(qū)動電源，裝在高空，有防水鋁殼驅(qū)動電源，質(zhì)量好的話不容易壞，減少維修次數(shù)。
2．高效率 LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)，尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。
3．高功率因數(shù) 功率因數(shù)是電網(wǎng)對負載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點燈，同類負載太集中，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴重的污染。對于30瓦~40瓦的LED驅(qū)動電源，據(jù)說不久的將來，也許會對功率因數(shù)方面有一定的指標要求。
4．驅(qū)動方式 通行的有兩種：其一是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路LED供電。這種方式，組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個LED故障，會影響其他LED運行的問題。這兩種形式，在一段時間內(nèi)并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向。
5．浪涌保護 LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負載的啟甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅(qū)動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。
6．保護功能 電源除了常規(guī)的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。
7．防護方面 燈具外安裝型，電源結(jié)構(gòu)要防水、防潮，外殼要耐曬。
8．驅(qū)動電源的壽命要與LED的壽命相適配。
9．要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。
隨著LED的應用日益廣泛，LED驅(qū)動電源的性能將越來越適合LED的要求。
（1）恒流式
a、恒流驅(qū)動電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高；
b、恒流電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。
c、恒流驅(qū)動電路驅(qū)動LED是較為理想的，但相對而言價格較高。
d、應注意所使用最大承受電流及電壓值，它限制了LED的使用數(shù)量；
（2）穩(wěn)壓式
a、當穩(wěn)壓電路中的各項參數(shù)確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化；
b、穩(wěn)壓電路不怕負載開路，但嚴禁負載完全短路。
c、以穩(wěn)壓驅(qū)動電路驅(qū)動LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均；
d、亮度會受整流而來的電壓變化影響。
（3）脈沖驅(qū)動
許多LED應用都需要具備調(diào)光功能,比如LED背光或建筑照明調(diào)光。通過調(diào)整LED的亮度和對比度可以實現(xiàn)調(diào)光功能。簡單地降低器件的電流也許能夠?qū)ED發(fā)光進行調(diào)整,但是讓LED在低于額定電流的情況下工作會造成許多不良后果,比如色差問題。取代簡單電流調(diào)整的方法是在LED驅(qū)動器中集成脈寬調(diào)制(PWM)控制器。PWM的信號并不直接用于控制LED,而是控制一個開關,例如一個MOSFET,以向LED提供所需的電流。PWM控制器通常在一個固定頻率上工作并且對脈寬進行調(diào)整,以匹配所需的占空比。當前大多數(shù)LED芯片都使用PWM來控制LED發(fā)光,為了確保人們不會感到明顯的閃爍,PWM脈沖的頻率必須大于100HZ。PWM控制的主要優(yōu)點是通過PWM的調(diào)光電流更加精確,最大程度地降低LED發(fā)光時的色差。
（4）交流驅(qū)動
交流驅(qū)動器根據(jù)不同的應用也可分為降壓型、升壓型、變換器3種類型。交流驅(qū)動器和直流驅(qū)動器的區(qū)別除了需要對輸入的交流屯進行整流濾波之外,從安全角度考慮還存在-個隔離和不隔離的問題。
交流輸入驅(qū)動器主要用于改型燈:對十PAR(Parabolic Aluminum Reflector,碗碟狀反射,是專業(yè)舞臺上的一種常見燈具)燈、標準燈泡等而言,它們在100V、120V或230V的交流輸入下運行;而對于MR16燈而言,則需要在12V的交流輸入下工作。由于存在某些復雜的問題,如標準三端雙向可控硅開關或前沿后沿調(diào)光器的調(diào)光能力問題,以及與電子變壓器(從交流線電壓生成MR16燈工作時的12V交流電)的兼容性問題(即無閃爍操作),因此,與直流輸入驅(qū)動器相比,交流輸入驅(qū)動器所涉及的領域更為復雜。
交流供電(市電驅(qū)動)應用于LED驅(qū)動,一般要經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓(或穩(wěn)流)等環(huán)節(jié),使交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源,然后通過適合的驅(qū)動電路為LED提供合適的工作電流,還要有高的轉(zhuǎn)換效率、較小的體積和較低的成本,同時解決安全隔離問題。考慮到對電網(wǎng)的影響,還要解決好電磁干擾和功率因數(shù)問題。對于中小功率的LED,其最佳電路結(jié)構(gòu)是隔離式單端反激變換電路;對于大功率的應用,應該使用橋式變換電路。
（1）電阻、電容降壓方式：通過電容降壓，在閃動使用時，由于充放電的作用，通過LED的瞬間電流極大，容易損壞芯片。易受電網(wǎng)電壓波動的影響，電源效率低、可靠性低。
（2）電阻降壓方式：通過電阻降壓，受電網(wǎng)電壓變化的干擾較大，不容易做成穩(wěn)壓電源，降壓電阻要消耗很大部分的能量，所以這種供電方式電源效率很低，而且系統(tǒng)的可靠也較低。
（3）常規(guī)變壓器降壓方式：電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有45%～60%，所以一般很少用，可靠性不高。
（4）電子變壓器降壓方式：電源效率較低，電壓范圍也不寬，一般180～240V，波紋干擾大。
（5）RCC降壓方式開關電源：穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高，一般可以做到70%～80%，應用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù)，開關頻率不容易控制，負載電壓波紋系數(shù)也比較大，異常負載適應性差。
（6）PWM控制方式開關電源：主要由四部分組成，輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩(wěn)壓控制部分、開關能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開關穩(wěn)壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關器件導通的脈沖寬度，使得開關電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定（即相應穩(wěn)壓電源或恒流電源）。電源效率極高，一般可以做到80%～90%，輸出電壓、電流穩(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護措施，屬高可靠性電源。
驅(qū)動電源按安裝位置可分為外置電源和內(nèi)置電源。
（1）外置電源
顧名思義，外置電源就是把電源安裝在外面的。一般電壓比較高，對人有安全危險的，就需要外置電源。與內(nèi)置電源的區(qū)別就是電源加了一個外殼，常見的有路燈。
（2）內(nèi)置電源
就是把電源安裝在燈具內(nèi)，一般都是電壓比較低，12v到24v，對人沒什么安全隱患。這個常見的有球泡燈。
根據(jù)電網(wǎng)的用電的特點，led特性的要求以及相關LED產(chǎn)品，在選擇LED驅(qū)動電源時要考慮到以下幾點：
總體原則
a、根據(jù)LED電流和電壓特點，比較理想的是使用恒流驅(qū)動。它能避免LED正向電壓的改變而引起電流變動，同時恒定的電流使LED的亮度穩(wěn)定。
b、另外，LED光通量與溫度成反比，所以使用中應盡量減少電源發(fā)熱和設計良好的散熱系統(tǒng)。從而降低LED工作的環(huán)境溫度。
c、為了保證LED產(chǎn)品的整體壽命，必須將LED的結(jié)溫控制在一定的范圍內(nèi)，也就是要控制好LED產(chǎn)品的工作環(huán)境溫度。
1、高可靠性
LED產(chǎn)品主要是有LED芯片和電源，散熱外殼，控制電路等組成。其中LED電源的好壞直接影響了產(chǎn)品的好壞。特別是LED路燈產(chǎn)品，由于裝在高空，維修不方便，維修的花費也大。
2、高效率
LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動電源也要符合節(jié)能的要求。特別是電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)，尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。
3、恒流驅(qū)動方式
為了配合LED的伏安特性，所以LED電源必須使用恒流驅(qū)動的方式。
4、浪涌保護
LED抗沖擊能力比較差，所以要加強這方面的保護。特別是一些裝在戶外的產(chǎn)品，電網(wǎng)負載的啟停和雷擊都會對電源有沖擊。因此LED驅(qū)動電源的輸入端要有抑制浪涌的保護電路，避免開關瞬間損壞LED。
5、溫度保護功能
電源除了常規(guī)的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED芯片溫度負反饋，防止LED芯片PN結(jié)溫度過高。
6、LED電源壽命
要提高LED驅(qū)動電源壽命，就需要從多方面來改善：使用較高壽命的電容，提高電源效率，做好電源的散熱功能，優(yōu)化燈具的散熱設計。LED電源屬于開關電源，開關電源的質(zhì)量與可靠性取決于其電路設計，生產(chǎn)工藝，及器件的質(zhì)量。電解電容是大功率開關電源中必不可少的組成部分。 而開關電源的正常工作壽命要取決于電源所使用的電解電容的壽命，電解電容的壽命又取決于電容本身的壽命及工作溫度，電解電容在不同的溫度下其工作壽命差異很大。
7、工作環(huán)境
由于各個地方環(huán)境的不同，要著重考慮LED燈具工作場所的環(huán)境，如：溫度、濕度、安裝位置等。
考慮到電源的工作方式，如果不加軟啟動電路，通電瞬間，輸出會有一個電壓尖峰。為更好的保護LED，所以需要加軟啟動電路。這一點正是驅(qū)動電源穩(wěn)定性的一個關鍵因素
相對LED驅(qū)動電源光源來說，LED驅(qū)動電源的結(jié)構(gòu)更復雜，需要權衡的地方會更多，使得LED驅(qū)動電源往往比LED光源先失效。據(jù)統(tǒng)計，整燈失效中超過80%的原因是電源出現(xiàn)了故障。導致LED驅(qū)動電源失效的原因很多，可歸納為以下幾大類。
1、電子元器件老化
包括電阻、電容、二極管、三極管、LED、連接器、IC等器件開路、短路、燒毀、漏電、功能失效、電參數(shù)不合格、非穩(wěn)定失效等各種失效問題。
2、PCB質(zhì)量問題
包括PCB、PCBA潤濕不良、爆板、分層、CAF、開路、短路等等各種失效問題。
3、LED電源散熱不良
驅(qū)動電路由電子元件組成，少數(shù)元件對溫度非常敏感。如電解電容，通行的電解電容壽命估算公式為“溫度每降低10度，壽命增加一倍”，散熱不良很可能導致其壽命大大縮短，提前失效，致使LED電壓出現(xiàn)故障，燈具失效。尤其是對于內(nèi)置式電源（放在整燈內(nèi)的電源），發(fā)熱量大的電源會增加整燈的導熱、散熱壓力，LED的溫度將升高，其光效和壽命將大大降低。所以在設計LED電源時，就應該重視其自身的散熱問題。因此在開始設計燈具初期進行評估，電源的設計同步進行，就能解決以上問題。在設計中要綜合考慮LED的散熱和電源的散熱，整體控制燈具的升溫，這樣才能設計出較好的燈具。
4、電源設計中的問題
（1）功率設計。雖然LED光效高，但是還有80%～85%的熱能損耗，致使燈具內(nèi)部有20～30K的溫升，如果室溫在25℃，燈具內(nèi)部則有45～55℃，電源長時間在高溫環(huán)境下工作，要保證壽命就必須加大功率裕量，一般留存1.5～2倍的裕量。
（2）元件選型。燈具內(nèi)部溫度在45～55℃時，電源內(nèi)部溫升還有20℃左右，則元件附件的溫度要達到65～75℃。有些元件在高溫時參數(shù)會漂移，甚至壽命會縮短，所以器件要選擇能在較高溫度下長時間使用的，還要特別注意電解電容和導線。
（3）電性能設計。開關電源針對LED的參數(shù)設計，主要是恒流參數(shù)，電流的大小決定LED的亮度，如果批量電流誤差較大，則整批燈的亮度不均勻。而且溫度的變化也能致使電源輸出電流偏移。一般批量誤差控制在±5%以內(nèi)，才能保證燈的亮度一致，LED的正向壓降有偏差，電源設計的恒流電壓范圍要包含LED的電壓范圍。多個LED串聯(lián)使用時，最小壓降乘以串聯(lián)數(shù)量為下限電壓，最大壓降乘以串聯(lián)數(shù)量為上限電壓，電源的恒流電壓范圍要比這個范圍稍寬些，一般上下限各留1～2V裕量。
（4）PCB布板設計。LED燈具留給電源的尺寸較小(除非電源是外置的)，所以在PCB設計上要求較高，要考慮的因素也較多。安全距離要留夠，要求輸入和輸出隔離的電源，一次側(cè)電路和二次側(cè)電路要求耐壓1500～2500VAC，在PCB上至少要留夠3mm的距離。如果是金屬外殼的燈具，則整個電源的布板還要考慮高壓部分和外殼的安全距離。如果沒有空間保證安全距離就要利用其他措施保證絕緣，比如在PCB上打孔、加絕緣紙、灌封絕緣膠等。另外布板還要考慮熱量均衡，發(fā)熱元件要均勻分布，不能集中放置，避免局部溫度升高。電解電容遠離熱源，減緩老化，延長使用壽命。
5、雷擊損壞
雷擊是一種常見的自然現(xiàn)象，特別是在雨季尤為常見。其所帶來的危害和損失全球每年以千億美元來計。雷擊分為直接雷擊和間接雷擊，間接雷主要包括傳導雷和感應雷。由于直接雷所帶來的能量沖擊非常大，破壞力極強，一般電源是無法承受的，故這里主要討論的是間接雷型。
雷擊所形成的浪涌沖擊是一種瞬態(tài)波，屬于瞬變干擾，可以是浪涌電壓，也可以是浪涌電流。沿著電源線或其他路徑（傳導雷）或通過電磁場（感應雷）而傳送至電源線路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。這種現(xiàn)象會對電源產(chǎn)生致命的影響，其產(chǎn)生的瞬間的浪涌沖擊遠遠超出一般電子器件的電性應力，導致的直接結(jié)果是電子元件損壞。
6、電網(wǎng)電壓超出電源負荷
當同一個變壓器電網(wǎng)支路配線太長，支路中有大型動力設備時，在大型設備啟停時，電網(wǎng)電壓會劇烈波動，甚至導致電網(wǎng)不穩(wěn)。當電網(wǎng)瞬時電壓超過310 VAC時有可能損壞驅(qū)動器（即使有防雷裝置也無效，因為防雷裝置是應對幾十微秒級別的脈沖尖峰，而電網(wǎng)波動可能達到幾十毫秒，甚至幾百毫秒）。因此，路燈照明支路電網(wǎng)上有大型電力機械時要特別注意，最好監(jiān)測下電網(wǎng)波動幅度，或者由單獨電網(wǎng)變壓器供電。
7、焊點失效
電源封裝主要涉及PCB板與元器件之間的連接工序，其中焊點扮演者重要的角色。焊點的主要作用是實現(xiàn)電子元器件與基板（LED電源中針對的是PCB板）的機械連接和電氣連接，焊點質(zhì)量嚴重影響著器件的可靠性。焊點失效一方面來自于生產(chǎn)裝配中的焊接故障，如焊料橋連、虛焊、空洞、曼哈頓現(xiàn)象。另一方面是在服役過程中，當環(huán)境溫度變化時，由于元器件與PCB板存在熱膨脹系數(shù)差，在焊點內(nèi)產(chǎn)生熱應力，應力的周期性變化會造成焊點的疲勞損傷，最終導致疲勞失效。
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