LED驅(qū)動(dòng)電源的分類及工作原理-LED注意事項(xiàng)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(dòng)電源是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的電源轉(zhuǎn)換器，通常情況下：LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)電源，裝在高空，有防水鋁殼驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源的效率要高。對(duì)于電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)，尤為重要。因?yàn)長(zhǎng)ED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(duì)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(duì)負(fù)載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒有強(qiáng)制性指標(biāo)。雖然功率不大的單個(gè)用電器功率因素低一點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點(diǎn)燈，同類負(fù)載太集中，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染。對(duì)于30瓦~40瓦的LED驅(qū)動(dòng)電源，據(jù)說不久的將來，也許會(huì)對(duì)功率因數(shù)方面有一定的指標(biāo)要求。
4．驅(qū)動(dòng)方式 通行的有兩種：其一是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨(dú)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(huì)略高一點(diǎn)。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn)，但靈活性差，還要解決某個(gè)LED故障，會(huì)影響其他LED運(yùn)行的問題。這兩種形式，在一段時(shí)間內(nèi)并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會(huì)較好。也許是以后的主流方向。
5．浪涌保護(hù) LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強(qiáng)這方面的保護(hù)也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。
6．保護(hù)功能 電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋，防止LED溫度過高。
7．防護(hù)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(dòng)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(yīng)用日益廣泛，LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負(fù)載阻值小，輸出電壓就低，負(fù)載阻值越大，輸出電壓也就越高；
b、恒流電路不怕負(fù)載短路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全開路。
c、恒流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED是較為理想的，但相對(duì)而言價(jià)格較高。
d、應(yīng)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(dāng)穩(wěn)壓電路中的各項(xiàng)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(fù)載的增減而變化；
b、穩(wěn)壓電路不怕負(fù)載開路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全短路。
c、以穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)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(huì)受整流而來的電壓變化影響。
（3）脈沖驅(qū)動(dòng)
許多LED應(yīng)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(duì)比度可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。簡(jiǎn)單地降低器件的電流也許能夠?qū)ED發(fā)光進(jìn)行調(diào)整,但是讓LED在低于額定電流的情況下工作會(huì)造成許多不良后果,比如色差問題。取代簡(jiǎn)單電流調(diào)整的方法是在LED驅(qū)動(dòng)器中集成脈寬調(diào)制(PWM)控制器。PWM的信號(hào)并不直接用于控制LED,而是控制一個(gè)開關(guān),例如一個(gè)MOSFET,以向LED提供所需的電流。PWM控制器通常在一個(gè)固定頻率上工作并且對(duì)脈寬進(jìn)行調(diào)整,以匹配所需的占空比。當(dāng)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(huì)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(diǎn)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(shí)的色差。
（4）交流驅(qū)動(dòng)
交流驅(qū)動(dòng)器根據(jù)不同的應(yīng)用也可分為降壓型、升壓型、變換器3種類型。交流驅(qū)動(dòng)器和直流驅(qū)動(dòng)器的區(qū)別除了需要對(duì)輸入的交流屯進(jìn)行整流濾波之外,從安全角度考慮還存在-個(gè)隔離和不隔離的問題。
交流輸入驅(qū)動(dòng)器主要用于改型燈:對(duì)十PAR(Parabolic Aluminum Reflector,碗碟狀反射,是專業(yè)舞臺(tái)上的一種常見燈具)燈、標(biāo)準(zhǔn)燈泡等而言,它們?cè)?00V、120V或230V的交流輸入下運(yùn)行;而對(duì)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(fù)雜的問題,如標(biāo)準(zhǔn)三端雙向可控硅開關(guān)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(shí)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(dòng)器相比,交流輸入驅(qū)動(dòng)器所涉及的領(lǐng)域更為復(fù)雜。
交流供電(市電驅(qū)動(dòng))應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng),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(dòng)電路為L(zhǎng)ED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(shí)解決安全隔離問題。考慮到對(duì)電網(wǎng)的影響,還要解決好電磁干擾和功率因數(shù)問題。對(duì)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(duì)于大功率的應(yīng)用,應(yīng)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(dòng)使用時(shí)，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(dòng)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(guān)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(yīng)用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù)，開關(guān)頻率不容易控制，負(fù)載電壓波紋系數(shù)也比較大，異常負(fù)載適應(yīng)性差。
（6）PWM控制方式開關(guān)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(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開關(guān)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(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定（即相應(yīng)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(hù)措施，屬高可靠性電源。
驅(qū)動(dòng)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(duì)人有安全危險(xiǎn)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(gè)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(duì)人沒什么安全隱患。這個(gè)常見的有球泡燈。
根據(jù)電網(wǎng)的用電的特點(diǎn)，led特性的要求以及相關(guān)LED產(chǎn)品，在選擇LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)：
總體原則
a、根據(jù)LED電流和電壓特點(diǎn)，比較理想的是使用恒流驅(qū)動(dòng)。它能避免LED正向電壓的改變而引起電流變動(dòng)，同時(shí)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(yīng)盡量減少電源發(fā)熱和設(shè)計(jì)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(fèi)也大。
2、高效率
LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)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?yàn)長(zhǎng)ED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(duì)延緩LED的光衰有利。
3、恒流驅(qū)動(dòng)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(dòng)的方式。
4、浪涌保護(hù)
LED抗沖擊能力比較差，所以要加強(qiáng)這方面的保護(hù)。特別是一些裝在戶外的產(chǎn)品，電網(wǎng)負(fù)載的啟停和雷擊都會(huì)對(duì)電源有沖擊。因此LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入端要有抑制浪涌的保護(hù)電路，避免開關(guān)瞬間損壞LED。
5、溫度保護(hù)功能
電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外，最好在恒流輸出中增加LED芯片溫度負(fù)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(dòng)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(shè)計(jì)。LED電源屬于開關(guān)電源，開關(guān)電源的質(zhì)量與可靠性取決于其電路設(shè)計(jì)，生產(chǎn)工藝，及器件的質(zhì)量。電解電容是大功率開關(guān)電源中必不可少的組成部分。 而開關(guān)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(gè)地方環(huán)境的不同，要著重考慮LED燈具工作場(chǎng)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(dòng)電路，通電瞬間，輸出會(huì)有一個(gè)電壓尖峰。為更好的保護(hù)LED，所以需要加軟啟動(dòng)電路。這一點(diǎn)正是驅(qū)動(dòng)電源穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素
相對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源光源來說，LED驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，需要權(quán)衡的地方會(huì)更多，使得LED驅(qū)動(dòng)電源往往比LED光源先失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整燈失效中超過80%的原因是電源出現(xiàn)了故障。導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)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(rùn)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(dòng)電路由電子元件組成，少數(shù)元件對(duì)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(dǎo)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(duì)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(huì)增加整燈的導(dǎo)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(shè)計(jì)LED電源時(shí)，就應(yīng)該重視其自身的散熱問題。因此在開始設(shè)計(jì)燈具初期進(jìn)行評(píng)估，電源的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，就能解決以上問題。在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出較好的燈具。
4、電源設(shè)計(jì)中的問題
（1）功率設(shè)計(jì)。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(zhǎng)時(shí)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(shí)，電源內(nèi)部溫升還有20℃左右，則元件附件的溫度要達(dá)到65～75℃。有些元件在高溫時(shí)參數(shù)會(huì)漂移，甚至壽命會(huì)縮短，所以器件要選擇能在較高溫度下長(zhǎng)時(shí)間使用的，還要特別注意電解電容和導(dǎo)線。
（3）電性能設(shè)計(jì)。開關(guān)電源針對(duì)LED的參數(shù)設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)的恒流電壓范圍要包含LED的電壓范圍。多個(gè)LED串聯(lián)使用時(shí)，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(gè)范圍稍寬些，一般上下限各留1～2V裕量。
（4）PCB布板設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)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(gè)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(yuǎn)離熱源，減緩老化，延長(zhǎng)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(jì)。雷擊分為直接雷擊和間接雷擊，間接雷主要包括傳導(dǎo)雷和感應(yīng)雷。由于直接雷所帶來的能量沖擊非常大，破壞力極強(qiáng)，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(dǎo)雷）或通過電磁場(chǎng)（感應(yīng)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(huì)對(duì)電源產(chǎn)生致命的影響，其產(chǎn)生的瞬間的浪涌沖擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般電子器件的電性應(yīng)力，導(dǎo)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(fù)荷
當(dāng)同一個(gè)變壓器電網(wǎng)支路配線太長(zhǎng)，支路中有大型動(dòng)力設(shè)備時(shí)，在大型設(shè)備啟停時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)劇烈波動(dòng)，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)。當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)電壓超過310 VAC時(shí)有可能損壞驅(qū)動(dòng)器（即使有防雷裝置也無效，因?yàn)榉览籽b置是應(yīng)對(duì)幾十微秒級(jí)別的脈沖尖峰，而電網(wǎng)波動(dòng)可能達(dá)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(jī)械時(shí)要特別注意，最好監(jiān)測(cè)下電網(wǎng)波動(dòng)幅度，或者由單獨(dú)電網(wǎng)變壓器供電。
7、焊點(diǎn)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(diǎn)扮演者重要的角色。焊點(diǎn)的主要作用是實(shí)現(xiàn)電子元器件與基板（LED電源中針對(duì)的是PCB板）的機(jī)械連接和電氣連接，焊點(diǎn)質(zhì)量嚴(yán)重影響著器件的可靠性。焊點(diǎn)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(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，由于元器件與PCB板存在熱膨脹系數(shù)差，在焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，應(yīng)力的周期性變化會(huì)造成焊點(diǎn)的疲勞損傷，最終導(dǎo)致疲勞失效。
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