如何更好地驅動LED燈串？諧振控制開辟了一條新路

文章來源:恒光電器

發布時間:2017-09-01

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工程師們都很清楚，在機械和電氣系統中，工程照明，以諧振或接近諧振運作時，功率和頻率之間存在至關重要的關系（圖1）。有時諧振是一件壞事，假如太多的能量進入單模狀態，可能會破壞系統。但諧振也可以是好的。諧振通常用于調節頻率，通過保持足夠的功率來保持系統以諧振頻率振蕩（例如，機械和電氣時鐘）。可能很多人不知道，諧振可以用來調節功率，可以將功率調節到可變載荷的可變尺寸陣列。舉個例子，這可以應用于諸如LED的照明陣列，以實現固態照明（SSL）系統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，線路頻率無重疊。

LED應用特別有趣，LED照明企業，因為LED在照明應用中的經濟意義越來越大，并且也是由于常規DC驅動器存在成本和可靠性問題。LED是固有的低電壓DC設備，在某些工作點上，電流-電壓（I-V）曲線非常陡峭。雖然可以使用恒壓源來驅動LED，但實際上大多數設計人員采用恒流DC驅動器設計。為了更接近在典型配電水平（例如120/240 VAC）下工作，廠房照明，燈具通常配置許多LED燈串。這些LED必須緊密匹配，因為每個LED的光輸出與流過燈串的電流成比例。單個LED的故障（例如短路或接線故障）可能導致整個燈串的故障。

分布式電抗元件

使用諧振來控制LED陣列的功率，克服了AC LED 驅動器的這些缺點。在最簡單的情況下，諧振可用來控制單個負載的功率。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、效率高的電流驅動器。

但是，一個更強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，而且在大型網絡中，也可以不需要添加半導體器件來單獨調節子網絡。分布式電抗元件以高效率和低成本實現強大的新型控制能力。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，工程照明，并且可以作為分立器件或片上器件來實現。具體來說，我們假定電容器分布在整個網絡中，并且使用較少數量的分立電感器，但是也可以制造出低成本的電感器的設計。

添加串聯和并聯的電抗元件（電容器和/或電感器）可以開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，其中主要耗散機制是LED的電阻負載。 同時，辦公照明，接近于無損的電抗可以代替耗能的電阻，這些電阻在最簡單的直流LED驅動電路中通常用作電流調節器。

單元與陣列

想象一下，LED筒燈，一個照明網絡由一組照明單元組成，每個單元包含有一個或多個照明元件，例如一對陽極連接陰極的LED，以及串聯和并聯電容的。拓撲結構有許多變化，但是圖2展示了一個基本的照明單元設計。任何數量的這種單元以及實際的混合拓撲的單元，恒光電器,照亮您的生活， led質量，可以以串聯和/或并聯連接，形成由電抗串組成的諧振網絡。更概括地說，我們將電抗串組成的網絡稱為“固態照明電抗串”（RSSL）。

圖2. 電路顯示兩個電抗串單元

例如，在圖3中，一個儲能電路由10個電抗串組成。假設所有的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)。一個單元的電抗是1/2ωC。只要X?R，其中R是LED的實際電阻，則電抗串則表現為純電抗，這相當于要求使用諧振電路阻尼不足，Q?1。

圖3. 反應電路由10個A型單元組成

可以使用電路仿真器，對特定諧振網絡進行詳細分析，但是也可以容易地進行粗略地估計，大致選擇元件的數值。對于給定的工作頻率，國際資訊，電感和電容之間的關系是確定的。應選擇電容，使電抗足夠大，確保足夠高的Q諧振。流過每個單元的電流被LED與并聯的旁路電容器所分配，并受到串聯電容器的限流，后者的作用非常類似于在直流電路中使用電阻來控制電流的情況。對電抗只需使用歐姆定律，就可以找到所需的值。注意，技術資訊，旁路電容器的作用是電流不流過LED時，局部存儲再循環電流。實際上，除了對通過整個燈串的電流進行諧振控制之外，實際上還有對每個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頻率下來操作整個RSSL系統，但是不必這樣做。事實上，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。由于任何一個電抗串只對頻帶內作出響應，只要它們在頻帶之間具有足夠的空間來操作，則多個單獨的頻帶可以在相同的布線上操作。每個中心頻率還可以進一步調制，作為傳感器和控制器之間的數據往來通道。

只要線路頻率與用于電抗串的諧振頻率分離開來，對線路頻率的響應就可以忽略不計，即使沒有顯式的線路頻率濾波，也不會有線頻率閃爍現象。因此，驅動器中不需要電解電容器。

RSSL系統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迅速消失。單元格和單元燈串可以進行熱插拔或切換，對網絡的其他部分無影響。利用這個屬性就可以讓許多照明器共享同一個高功率的驅動器。例如，住宅或商業空間可以使用安裝在配電盤中的同一個驅動器，通過雙線總線向許多燈具供電，燈具有LED和電容器，但沒有有源半導體元件，調光和切換可以分別進行（參見圖4）。

圖4. 一個完整的RSSL網絡包括驅動器、各種燈具和調光組、以及可編程的和本地調光器。

陣列規模越大，LED球泡燈，RSSL 可靠性越高

對直流驅動器來說，使用更多的LED通常被認為會帶來嚴重的可靠性及使用壽命問題，特別是考慮到對單個組件（或連接）和驅動器故障十分敏感。這是讓RSSL系統閃耀的另外一點。RSSL的故障分析表明，系統的總體可靠性及壽命實際上也會隨著陣列尺寸的擴大而得到提升，這是因為，國內資訊，其余組件的調節，即使出現50％的組件故障，仍然可以接受的。