创新的高可靠性高频交流LED光引擎.pdf

第1 5 卷第4 期 2 01 2 年4 月 鼋渌艘 阖 P OW E R S UP P L Y T EC HNOL OGI E S AND AP P U C AT I ONS V0 I 1 5 N o 4 Apr 201 2 创新的高可靠性高频交流 L E D光引擎 甘 同 ，胡黎强，伍永乐，何家庆(1 深圳唐微科技发展有限公司，广东 深圳5 1 8 0 5 7)(2 上海晶丰明源半导体有限公司，上海2 0 0 0 0 0)(3 广东凯乐斯光电科技有限公 司，广 东 顺德5 2 8 3 0 0)(4 广东创富科技有限公司，广东 广州 5 1 0 7 3 5)摘要：介绍了光引擎的概念。给出了一种创新的小炫目L E D光引擎的机械结构，以及由B P 2 8 0 8 实现的高频交流光引擎电路拓扑。分析 了该 电路的工作原理及其具有的优点。指 出这一专利产品 具有广阔的产业化前景。关键词：L E D光引擎；电路拓扑；专利；前景 I n n o v a t i v e a n d Hi g h Re l i e b l e HF AC LED Li g h t Ee g i n e GAN T o n g ，HU L i-q i a n g ，WU Yo n g-l e ，HE J i a-q i n g 4 (1 S h e n z h e n T o m w e l l T e c h n o l o g y D e v e l o p m e n t C o ，L t d，S h e n z h e n G u a n g d o n g 5 1 8 0 5 7)(2 S h a n g h a i B r i g h t P o w e r S e mi C o n d u c t o r C o ，L t d，S h a n g h a i 2 0 0 0 0 0)(3 G u a n g d o n g K a l e s i O p t o e l e c t r o n i c s S c i&T e c h C o ，L t d，S h u n d e G u a n g d o n g 5 2 8 3 0 0)(4 G u a n g d o n g S t a n l e y Mu l t i m e d i a T e c h n o l o g y C o ，L t d，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 7 3 5)Abs t r a c t：The c o nc e pt o f l i g h t e n g i n e e r i s i nt r o d uc e dTh e me c ha n i c a l c o n f i g u r a t i o n o f a n i n no v a t i v e s ma l l brig ht LED l i g h t e n g i n e a n d h i g h f r e q u e n c y AC l i g h t e n g i n e c i r c u i t t o p o l o g y r e a l i z e d b y B P 2 8 0 8 i s g i v e n，a n d t h e o p e r a t i o n p ri n c i p l e a n d a d v a n t a g e s o f t h e c i r c u i t i s a n a l y s i s e d Th e p a t e n t p r o d u c t s h a v e b r o a d i n d u s t r y p r o s p e c t i s p o i n t e d o u t Ke y wo r d s：L ED l i g h t e n g i n e；c i r c u i t t o p o l o g y；p a t e n t；p r o s p e c t 中图分类号：T M9 2 3 文献标识码：B 文章编号：0 2 1 9 2 7 1 3(2 0 1 2)0 4 0 0 0 6 0 5 L E D理论上具有长寿命 如有长寿命的 L E D电 源适配器支持 则符合高可靠性要求 的隧道灯、桥 梁灯、深海灯光诱鱼灯等可以满足用户需要。当我们驾车通过隧道，检 阅一盏又一盏 隧道灯 时，经 历 灯 与 灯 之 间 的 一 明一 暗 人 眼视 觉 感 到 很 强烈的闪烁。这种闪烁，使我们感叹追求所谓“绝对 直流 低 纹波 L E D灯”太 过 份 了!隧道 灯不 是 桌上 的 6 收稿 日期：2 0 1 1 1 1 1 8 台灯，不必 对 L E D 电流 纹 波提 过 份 要求，只要 人 眼 看不 出闪烁的高频交流恒流源，都可以适用于隧道 灯、桥梁灯、深海灯光诱鱼等场合。这样可以取消为 直流 L E D供电的 肖特基整流二极管及滤波 电解 电 容，有效降低成本、降低温升、缩小体积、减轻重量、提升 电功效率。广东凯乐斯光 电科技有限公司，运用创新 的交 流 L E D光引擎，解决了 L E D眩 目的问题。国避簖 1 创新 的 L E D光 引擎 2 0 1 0年 6月，I E C T C 3 4组 织 在 芬 兰 赫 尔 辛 基 召开 L E D研究会 定义什么是“L E D灯”。什么是“L E D灯具”，而“L E D光引擎”则是介于两者的 L E D 器件。与会者认为，除非人眼进入 了“L E D光引擎”的投光立体角，否则是没有眩光危害的。为 了使小 功率 的 L E D可 以积 分为 大 功率 的 L E D光源 而又 避免 L E D大 功率 模块 发 热引起 光 衰 的问题，我们采用的 L E D光引擎示意图方案。如图 1 所示。其中第 8组件 L E D光源，如果是直流 L E D，就称为“直流 L E D光引擎”用作各种艺术造型的 L E D台灯都十分灵 活；如果是高频交流 L E D。就称 为“交 流 L E D光引 擎”。同一 规 格 的 L E D路灯 可 以 灵 活适用于不 同杆高，只须微调图 2的第 4组件和 第 6组件，就可以实现符合法规要求的公路照明或 隧道 照明。这一 L E D光引擎可以灵活运用于各种 L E D艺术光环境工程之 中，实现减少库存规格，可 以满足较多规格产 品的市场需求 有效减低流动资 金 的积压 负担。1 一 焊接 固定金属软 管的中空螺纹 管：2 一紧 固到 灯 具 固 定孔 的 弹簧 垫 圈：3 一 把 1紧 固 到 灯具 固 定孔 的螺 母：4 一 金 属 软 管：5 一 金属软 管端部 的 L E D光 引擎 内腔：6 一 可以微调 L E D光 引擎狭窄投射立体角的镜 头；7 一 与 L E D匹配的光 学透镜：8 一 直 流 L ED或 交 流 L ED发 光体 及 其散 热底 座 和 灯 电流 导 线：9 一 金属软 管中空管道 内有灯 电流导线及 其接 插端子。图 l 小眩 目的 L E D光引擎示意图 而高频交流 L E D光引擎，就是在隧道两侧墙壁 全程安装恒流高频电缆，该 电缆被众多的高频磁环 穿套着，构成 了众多高频 电流互感器磁心，高频 电 缆本身，就是高频变流器初级绕组；而磁环绕 1至 3 匝次级绕组感应取得 L E D工作 电流，供应给一对彼 此反向并联 的 L E D适配的工作电流，工作电压不超 过 4 V，不怕开路，不怕短路，均符合防爆要求，也不 怕水浸，浸入清水中仍可正常工作。上述一对彼此 反 向并联 的 L E D。配上狭 窄立体角投射透镜，实现 投光立体角 5 0 1 5。可调的狭光束投射灯：L E D光引 擎安排在隧道两壁，从 车流的后上方，投光射 向车 头侧边路面，一举彻底根除了现在一般隧道灯及路 灯普遍严重的眩 目问题，有利于交通安全。上述沿 隧道两壁高频恒流 电缆，穿套有众多高频磁环。分 别给众多的高频交流 L E D光引擎供电：这些为数众 多的高频交流 L E D光 引擎积分成为连续发光带，将 使通过隧道的司机有更舒适的照明。2 具 有 P F C的 L L C 高频交流 L E D 光 引擎 拓扑 由 B P 2 8 0 8实现的 L L C高频 交流 L E D光引擎 具体 电路如图 2所示。2 1 B P 2 8 0 8简介 B P 2 8 0 8是上海晶丰 明源半导体有 限公 司具有 自主 知识 产权 的 I C产 品 采 用 S O P 8封 装 适 用 温 度一 4 0 C 至+8 5。管 脚功 能如 表 1所列。实测 B P 2 8 0 8的 V D D 在 1 2 V时，待 机功率不到 1 mW，按美 国能 源 之星 规 范(O 3 6 mW)，可 视 为“零 待机电流”的节能 I C。更可贵的是，一旦 B P 2 8 0 8启动，由于源极驱动 拓 扑 的 特 点，其 V D D所 需 补 充 的 能 量 由 内 置 MO S F E T电力 电子开关过渡过程 自给供电的，不必 像别的 I C需要外供低压 V 加电源供 电；既简化 电路 降低成本，又有效提升电动效率，B P 2 8 0 8是绿色低 碳 芯 片 中佼 佼 者之 一。由 于 B P 2 8 0 8内置 作 源 极 驱 动 的 MO S F E T是 1 2 V、内阻 0 8 Q、额定 电流 只有 0 7 A，为驱 动较大 电 流的 I G B T，可用 V T l 和三极管 V 1 r 3 来仿真 I G B T，扩 大 I C的源极 驱动 电流，有效 降低 I C的工 作温升。2 2 图 2的简 单 说明 图 2中，I C 控制 V T ，I C 控制 V T 2，为了使 I C 和 I C 推挽工作，用矩磁特性磁环 B。的初级绕组，受控 于串联交流恒流 i ，而 B。的两组次级绕组 2 7 第1 5 卷第4 期 2 0 1 2 年4 月 鼋涤艘舷 阂 P 0W ER S UP P L Y TE CHN0L 0 GI ES AND AP P L I CA TI O NS Vo 1 1 5 No 4 Apr 2 01 2 图 2 交流端 A P F C的 L L C拓扑高频 交流 L E D光引擎原理 图 表 1 B P 2 8 0 8的管脚一览表 管脚号 管脚名称 备 注 1 G N D 信号地和功率地 2 L N 采样 L N对 V 之 间电位差补偿宽范围电源电压变化时保持负载恒流 3 V D D B P 2 8 0 8工作电源端，必须就近退耦 电容。4 0 U T 内置低压 0 7安 MO S F E T的 D极驱动外接 MO S F E T的 S极 5 NC 必 须 悬 空 6 C S 接电流取样 电阻 r s，关断动作阈值 0 2 5 V。7 R t 固定关断时段 的定时 电阻 8 D I M 外接控制端(使能端)，低 于 0 3 V切断，0 3 V至 2 5 V可调光 和 的同名端如图 2所示，当 I C 驱动 V T 导通 时 i从节点 O流向 C S，再经高频限流电感 流入 B。磁环初级绕组 同名端，于是 B。的两副绕组同名 端流出电流，I C 不受影响正常工作，但 I C 的第 8 脚受 l2 2 绕组经 V D 拉 电流而降低至 0-3 V以下，8 于是 I C：停止工作；I C 驱动 V T 导通，由电流取样 电阻 R R 2 检测值超过 0 2 5 V时，I C 源极 输 出截 止，I C 截止时间 由定时 电阻 尺 决定，A t =4 x 1 0 x R 1(U s)。由于矩形特性磁环初级绕组 的电流减少，相 瓣 国鼷锗 当于 B。的 1 同名端流出电流，经 B。磁心感应，次 级绕组 2 和 2 2 同名端电流是流入 的，于是 刚才 I C 正常工作转为 I C。停止工作，相应的 I C 由停止 工作转而成为正常工作。因此可以归纳为：图 2的输出交流电流 i 相位 决定哪个 I C工作，两个 I C推挽工作，而每个 I C工 作峰值 电流由取样 电阻检测 到 0 2 5 V压 降时，该 I C达到限流阈值而截止 从而实现 了峰值电流控制 型 A P F C作用。B P 2 8 0 8第 2脚 具有 检 测 输 入 电 源 电压 自动 补 偿 第 6脚则起 限阈值 的作用，适应宽 电源 电压条 件下仍然能保持优异的交流恒流特性。耐水浸的高可靠性，又避免了普通隔离式集 中一个 大功率隔离变压器的大体 积、高成本、低 电功效率 的缺点。3 _ 2 自激 还是他 激 式的 思考 如果没有 I C 和 I C ，乍 一看图 2电路 是 自激 L L C拓 扑：自激 的优势 是 调 动所 有 包 括分 布 电容 和 漏 电感 的能量，高效率的谐振开关 可以设计成软开 关 但 自激拓扑对宽电源电压变化的恒功率很难做 好。而 B P 2 8 0 8内含 独特 自主 知识产 权 的恒 流措施，可 以适应宽输入 电压条件下的恒流恒功率输 出，所 以本方案是基于 B P 2 8 0 8与矩磁特性磁环 B o结合 的 L L C拓扑。2 _ 3 图 2电路 AP F c 原理 3 3 关 于 AP F c 的思 考 当输入 电源交流 正半波时，节点 P相对于 节点 Q为高 电位时，每次 v T。导通到截止，相 当于 B o o s t 拓 扑 A P F C功 能。同理，当输 入 电源交 流 负半波时，节点 Q相对于节点 P为高电位 时，每次 V T 导通 到截止时，也相当于 B o o s t 拓扑 AP F C功 能。只要优 化 眦 电感量 和 C 眦 电容 量，就可 以实 现 P F接近极限 1的高功率因数。由于图 2电路是采用 高电压小电流的设计理念，电功效率 叼高于 0 9 5。这个 电路整机不用高压电解 电容，因而可靠性很 高。为确保三万小时无故障运行奠定 了基础：该 电 路成本低，性价 比高，是用无隔离式方案实现低压 大功率高电功率隔离式 的优选拓扑之一。图 2电路的特征是有源功率 因数补偿 A P F C的 电感 眦，接在整流之前的交流端，优于一般 眦接到 整流后直流端的接法，能有效解决：被直流偏磁的 问题，使 呲磁芯工作范围扩展到 I、两象限。当图中的 I C 和 I C 2 都是不工作的死区时段，二 极管 V D VD v 4 与 电容 C 、组成 全波 倍 电压 整 流，为高 电功效 率 打下 基础。3 关于图 2各项指标 合理搭配的思考 3 1 隔 离式还 是非 隔离 式 的思考 乍一看图 2是典型的 L L C非隔离式拓扑，但仔 细一看，负载是彼此反 向并联 的一对 L E D，用微分 磁集 成 概 念，由高 频 恒 流 电缆 串联 积 分成 为 具 有 高 效率、高可靠性隔离式，它 的特色是既实现 了防爆 传统 A P F C大多数是 B o o s t 升压模式；改进型 又有交错式 B o o s t 及无桥 A P F C等等。图 2选 择 眦 接 在交 流输入 端之 后，整 流级 之 前，是想充分利用磁芯 I 一象 限，克服一般 眦 接 在整流之后发生直流偏磁的问题。运用于百瓦级中 功率至千瓦级大功率电路中十分有利。3 4 关 于倍 电压 全波 整流 的思 考 同功率等级条件下对 比。用高压方案 比用低压 方案能有较好 的电功效率。V T 、V T 是 耐 压 性 能优 异 的 I G B T电力 电 子 开 关管，I G B T配合高电压方案可取得高 电功效率。3 5 关 于高 频交流 L E D 闪烁 的怀疑 实践是检验真理的唯一标准，实际看一看对人 眼无闪烁的高频交流 L E D灯就放心了。事实上人们 天天看的电视哪怕高清 电视，也 是一帧一帧闪烁而变 的画面，绝对不闪的(直流 的)画面是挂历那样子，你愿看小人书(直流画面)还是 看一 帧一 帧 闪烁 的电视 呢?是人们对直流 L E D太过优待 渐渐成为偏执的 追求什么“纯直流零纹波的 L E D恒流”，请看一看外 国标准直流 L E D电流纹波系数允许三成(3 0)。如 果不理会 肖特基二极管成本高和 电解 电容可靠性 差 千方百计追求“纯直流零纹波的 L E D恒流”，会导 致 L E D虽然长寿命，而适配的 L E D恒流电源寿命不 够长，成本不够低，性价 比不理想。我们应该走出这 q 第1 5 卷第4 期 2 0 1 2 年4 月 鼋涤教舷 阕 P 0W ER S UP P L Y T EC HNO L OGI E S AND AP P U CA T I ONS V0 1 1 5 No 4 Apr 2 01 2 个认识误区，大胆实践尝试高频交流 L E D电光源。3 6 如 何 把 E MC 有 害 谐 波 能 量 转化 为可 利 用 的 电源呢 图2电路中的推挽 L L C拓扑 中，B。磁环 的矩形 磁特性的磁滞，以及 B。的 绕组感应。和 次 级 绕 组，驱 动 D：。和 D 勉动 作 阈值，还 有 V r r 4 和 V T 的动作 时延和阀值，以及 I C 和 I C 各 自第 8脚对 C。和 C 充 电的时间常数等等，必然会有开与关之 间的死 区，结果是图 2电路 的 E MC频谱有许多谐 波似山峦起起伏伏，那就是有害的交流谐波能量。人们不得不千方百计屏蔽和过滤，降低 E MC电平 达标 通过认 证。我们测试 图 2电路的 E MC频谱，从 中选 出若 干个能量较大的谐波频率，例如 和。我们让电路 中的，。与 C 串联谐 振 于较 高频 的，又让 电路 中 的 与 串联谐振于较低频率的，由于谐振回 路品质因数 Q值关系，V D 及 V D 分别把 的有 害谐 波能量，转化为 c f 和 的直流储能，由 VD 和 VD 把 c f 和 C 佗回收 的谐 波 能 量 回馈 给 C 和 C ，即回馈给直流母线，既降低 E MC电平，又提升电 功效 率，一举 两得。4 高频 交流 L E D光引擎 电路拓扑的优点(1)图 2电路的磁环 B 至 B 众多磁环的宏观 磁集成方法，这是把成对彼此反并 的 L E D负载。分 别各与磁环 2 只有 1 至 3匝的次级并联供电，而穿 过磁环中心孑 L 的电缆，等效 于把所有反向并联一对 一对的 L E D串成一列 实现了高效率非隔离式拓扑 等效为高效率的隔离式拓扑。(2)图 2电路 的 A P F C是 双拍 串联而 不是 并联 交错式。(3)图 2电路 的 L P F C是无 直流偏 磁 的交 流 L PFC。(4)每 个 B P 2 8 0 8内 置 低 压 MO S F E T与 外 接 P N P三极管组成 I G B T，扩大了每个 I C的驱动能力。因而可 以驱动大电流高压较大功率 的 I G B T电力 电 子开关，上述驱动是 串联 的，而且仍受 I C第 6脚恒 流控制。(5)图2电路没有高电压电解电容，可靠性较高。(6)图 2电路走的是高压方案之路，又转化 有害 的谐波 能量 回收 馈送 给直 流母线。5 结束语 本文介绍的是专利 的高频交流 L E D的试验 电 路，高效率，高功率因数，低成本，高可靠性，与创新 的光引擎结构相配合，适用于隧道灯、桥梁灯、浮海 灯、诱鱼灯、防爆灯等应用 是值得推广产业化 的新 型 L E D照 明灯具。参 考 文 献 1 赵振民 实用照明工程设计 天津：天津大学出版社，2 0 0 3 【2 施晓红，陈超中，李为军，王晔 聚焦 L E D灯具和 L E D光 源的基本概念【J J 中国照明电器 2 0 1 0(1 O 5 3 陈超 中，施晓红，李为 军，王晔 L E D灯具特性 及其标 准 解析(上)J】中国照明 电器 2 0 1 O(1 1)【4 贲 洪奇，张继红，刘桂 花，孟涛 开 关电源 中的 A P F C M 北 京：机械 工 业 出版 社 2 01 0 【5 上海晶丰明源半导体有限公司B P系列产品使用说明书【Z 王 6 广 东佛 山顺德凯乐斯公司 申请专利号f 2 0 1 1 1 0 1 4 8 3 6 3 6 1，2 0 1 1 2 0 1 1 8 5 4 5 0 4 I，1 2 O l 1 3 0 1 5 6 4 8 1 2】的专利 资料I P J 作 者 简 介 甘 同(1 9 6 8 一)，研究方向：高可靠性数 字化 智能电源 (上接第 5页)利的申请和质量系统的建立和完善上，抓住一切可 以抓住 的市场机遇，调整本公 司的市场及产品定 位，突出自己的优势，与其他上下游企业建立战略 联盟，共同开发和拓展市场。参考文献 1 王声学 L E D原理及其照明应用 J 1 灯与照明，2 0 0 6，3 0 (4)：3 2 3 5 1 0 2】刘耀彬，胡观敏 我国L E D产业的发展现状、趋势及战 略选择 科技进步与对策，2 0 1 0，2 7(1 2 5：7 7 8 1 【3 颜重光 L E D照明产业链将在经济危机 中快速成长【J 1 电子产品世 界，2 0 0 9(8)：5 6 作者简介 林燕(1 9 7 1 一)，女，博 士，高级工程师。现任 才子城 网 站市场总监。