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如何更好地驱动LED灯串?谐振控制开辟了一条新路

导读: 工程师们都很清楚,在机械和电气系统中,以谐振或接近谐振运作时,功率和频率之间存在至关重要的关系。

工程师们都很清楚,在机械和电气系统中,以谐振或接近谐振运作时,功率和频率之间存在至关重要的关系(图1)。有时谐振是一件坏事,假如太多的能量进入单模状态,可能会破坏系统。但谐振也可以是好的。谐振通常用于调节频率,通过保持足够的功率来保持系统以谐振频率振荡(例如,机械和电气时钟)。可能很多人不知道,谐振可以用来调节功率,可以将功率调节到可变载荷的可变尺寸阵列。举个例子,这可以应用于诸如LED的照明阵列,以实现固态照明(SSL)系统的成本效益和可靠性。

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图1. 该曲线图描绘的是典型谐振(中心频率30 kHz和带宽20 kHz)的归一化功率。注意,线路频率无重叠。

LED应用特别有趣,因为LED在照明应用中的经济意义越来越大,并且也是由于常规DC驱动器存在成本和可靠性问题。LED是固有的低电压DC设备,在某些工作点上,电流-电压(I-V)曲线非常陡峭。虽然可以使用恒压源来驱动LED,但实际上大多数设计人员采用恒流DC驱动器设计。为了更接近在典型配电水平(例如120/240 VAC)下工作,灯具通常配置许多LED灯串。这些LED必须紧密匹配,因为每个LED的光输出与流过灯串的电流成比例。单个LED的故障(例如短路或接线故障)可能导致整个灯串的故障。

分布式电抗元件

使用谐振来控制LED阵列的功率,克服了AC LED 驱动器的这些缺点。在最简单的情况下,谐振可用来控制单个负载的功率。Verdi Semiconductor公司有效利用了谐振,制作出了适合于 LED灯串的部件少、效率高的电流驱动器。

但是,一个更强大的方法是将电抗器件分布在阵列之间。以这种方式,不仅可以控制照明元件的整体功率,而且在大型网络中,也可以不需要添加半导体器件来单独调节子网络。分布式电抗元件以高效率和低成本实现强大的新型控制能力。通常,电抗元件可以是电容器或电感器。在千赫兹到兆赫兹频率间(或甚至千兆赫兹的频率,如果需要的话),适合的组件非常小且便宜,并且可以作为分立器件或片上器件来实现。具体来说,我们假定电容器分布在整个网络中,并且使用较少数量的分立电感器,但是也可以制造出低成本的电感器的设计。

添加串联和并联的电抗元件(电容器和/或电感器)可以开辟一种全新的功率控制方法。电抗元件可以形成一条谐振回路,其中主要耗散机制是LED的电阻负载。 同时,接近于无损的电抗可以代替耗能的电阻,这些电阻在最简单的直流LED驱动电路中通常用作电流调节器。

单元与阵列

想象一下,一个照明网络由一组照明单元组成,每个单元包含有一个或多个照明元件,例如一对阳极连接阴极的LED,以及串联和并联电容的。拓扑结构有许多变化,但是图2展示了一个基本的照明单元设计。任何数量的这种单元以及实际的混合拓扑的单元,可以以串联和/或并联连接,形成由电抗串组成的谐振网络。更概括地说,我们将电抗串组成的网络称为“固态照明电抗串”(RSSL)。

如何更好地驱动LED灯串?谐振控制开辟了一条新路

图2. 电路显示两个电抗串单元

例如,在图3中,一个储能电路由10个电抗串组成。假设所有的LED都是相同类型的,并且所有的电容器具有相同的值C。每个单元的总电容为2C。灯串的总电容为C/5。谐振频率为√(5LC)。一个单元的电抗是1/2ωC。只要X?R,其中R是LED的实际电阻,则电抗串则表现为纯电抗,这相当于要求使用谐振电路阻尼不足,Q?1。

如何更好地驱动LED灯串?谐振控制开辟了一条新路

图3. 反应电路由10个A型单元组成

可以使用电路仿真器,对特定谐振网络进行详细分析,但是也可以容易地进行粗略地估计,大致选择元件的数值。对于给定的工作频率,电感和电容之间的关系是确定的。应选择电容,使电抗足够大,确保足够高的Q谐振。流过每个单元的电流被LED与并联的旁路电容器所分配,并受到串联电容器的限流,后者的作用非常类似于在直流电路中使用电阻来控制电流的情况。对电抗只需使用欧姆定律,就可以找到所需的值。注意,旁路电容器的作用是电流不流过LED时,局部存储再循环电流。实际上,除了对通过整个灯串的电流进行谐振控制之外,实际上还有对每个LED电流的局部谐振控制。

多通道和线路频率抑制

尽管可以使用相同的电容值在单个频率下来操作整个RSSL系统,但是不必这样做。事实上,我们可以把双线照明总线看成是支持频谱,包含有非常多的可用通道。由于任何一个电抗串只对频带内作出响应,只要它们在频带之间具有足够的空间来操作,则多个单独的频带可以在相同的布线上操作。每个中心频率还可以进一步调制,作为传感器和控制器之间的数据往来通道。

只要线路频率与用于电抗串的谐振频率分离开来,对线路频率的响应就可以忽略不计,即使没有显式的线路频率滤波,也不会有线频率闪烁现象。因此,驱动器中不需要电解电容器。

RSSL系统本身具有电磁安静性,又能抗噪音尖峰。超出狭窄通带的任何能量都会迅速消失。单元格和单元灯串可以进行热插拔或切换,对网络的其他部分无影响。利用这个属性就可以让许多照明器共享同一个高功率的驱动器。例如,住宅或商业空间可以使用安装在配电盘中的同一个驱动器,通过双线总线向许多灯具供电,灯具有LED和电容器,但没有有源半导体元件,调光和切换可以分别进行(参见图4)。

如何更好地驱动LED灯串?谐振控制开辟了一条新路

图4. 一个完整的RSSL网络包括驱动器、各种灯具和调光组、以及可编程的和本地调光器。

阵列规模越大,RSSL 可靠性越高

对直流驱动器来说,使用更多的LED通常被认为会带来严重的可靠性及使用寿命问题,特别是考虑到对单个组件(或连接)和驱动器故障十分敏感。这是让RSSL系统闪耀的另外一点。RSSL的故障分析表明,系统的总体可靠性及寿命实际上也会随着阵列尺寸的扩大而得到提升,这是因为,其余组件的调节,即使出现50%的组件故障,仍然可以接受的。

此外,大多数大功率LED在其额定电流的上端位置显示出明显的流明输出下降,从而导致净电瓦特与辐射瓦转换效率时会损失一些。RSSL系统可以通过低成本的设计让这些设备在远低于其额定最大值的情况下,让流明输出下降不那么明显。

另外,成本节约和可靠性提升可以通过包括多结芯片在内的COB架构来实现。不是在一个芯片上构建几个大面积的器件,而是可以选择器件面积、功率级别和冷却策略,以实现最大的单器件效率,然后在一个芯片上放置尽可能多的这些器件,以实现所需的性能规格。以一个或多个谐振串来驱动照明阵列,我们就可以获得一个产品系列,可以任意裁剪到任何所需的流明输出。

如何更好地驱动LED灯串?谐振控制开辟了一条新路

图5. 上面的曲线是电流流过串行照明单元阵列时形成的波形曲线。下面的曲线是电流流过单元内的一对LED形成的电流波形。流明波形由下半部分曲线的绝对值来给定。注意,在每个半周的开始部分都有一个很短的不发光区间。

使用谐振来控制电抗串中LED 的功率,是一种强大的新型LED驱动方法,可以用于包括照明在内的任意阵列应用中。本文只触及RSSL系统的特性和优势。谐振式驱动提供了一系列丰富而强大的创新设计工具,可以进一步使用,创造先进的低成本、多功能照明系统。

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