今天,在快速前进并迅速变化着的LED竞技场上,对LED及LED阵列进行遴选时所涉及的选择范围的复杂性和微妙性,可能会是十分深奥的。除此之外,固态照明(SSL)行业充斥着各种令人费解的术语,即便是专家都会为它们的定义和标准发生争辩,这让LED驱动(驱动器)的选择更加雪上加霜,使之成为一项异常艰巨的任务。
作为LED驱动电路选择过程的一部分,照明产品开发者、甚至职业照明设计者或规格制定者,有义务去弄明白这些概念,例如基于电流和基于电压的驱动器的选择、将驱动器和LED电路拓扑进行匹配的流程、调光及闪烁的因素、何时及如何选择多路输出、以及其它的问题。
本文将作为一篇指导文章,将帮助你顺利通过并简化这个复杂的LED驱动器选择流程,理解相关的特征并将它们应用于手边的实际应用,同时向你的LED驱动器供应商提出正确的问题。
开发者面对的第一个问题几乎总是对恒流或恒压供电方式的选择。有两种基本的LED阵列型式一一工作于恒定电压环境的阵列和工作于恒定电流环境的阵列——它们的内部构造有着很大的不同。
恒压阵列包含有当LED发烫时限制电流上升太高的器件,例如电阻或恒流电阻(CCR),甚或是某种类型的开关式DC-DC整流器。与此相反,恒流LED阵列将包含串行连接的LED,并可能有多个并联在一起的这种LED串。
在两种情况下你将会选择恒压阵列:
1.你尚未决定你的LED阵列,并且你不能确切知道多少LED会被串联在一起供电,或者不知道其所需的电流将会是多少(比如,凹槽灯) 2.LED阵列为恒压类型,故而具有相应于该固定输出电压的某一固定范围的电流。在这种情况下,你必须确保你所选择的驱动器具有正确的电压,且其所允许输出的电流范围大于的你的LED负载的大致电流范围。如果清楚与照明应用的光照要求相匹配的驱动电流,你可能就会选择恒流阵列,因为那通常是最有效率的组合。如果你的LED阵列需要恒定电流,那么你就需要一只恒流LED驱动器。这种类型的驱动器将仅在一个特定的电压范围内正常工作,具有允许的最小电压和最大电压值。你必须确认你的LED阵列的所需电压在这个许可的范围之内。
下面的表格讨论了各种AC-DC驱动器的拓扑结构及其优缺点和应用。驱动器的选择没有对与错之分。实际上,你需要做的,就是将应用的需求与驱动电路的拓扑结构进行匹配。下面让我们来探讨一些专门的问题。
另一个影响早期决策的因素是调光的重要性,后者可能涉及人的视觉感知及(或)能量守恒方面的问题。了解人的视觉特性将有助于我们选择正确的灯具特征。
人眼对光线变化的感知与它所看到的光照亮度成比例,而LED灯的光照输出也大体上正比于流经它的电流。这样造成的结果就是,将灯光调低到50%的时候,对大多数人来说,将很难注意到这种变化,而即便调低到10%,也仅仅是让人感觉稍微暗了一些。
因此,要得到可觉察的视觉调光效果,你就得能够将光照强度调低到l%。作为比较,电影院要求的调光范围是0.1%。
这种敏感性的缺失倒并不意味着调光范围高于1%的时候就没有意义了。实际上,情况恰恰与此相反。如果把LED的灯光调低到10%,你就获得了90%的能耗节约,这一点是非常重要的。
从节能的角度来看,任何范围的调光都是值得的;但是,如果想要得到弱光照明的房间或影剧院,就得使用调光范围低至1%、甚至是达到0.1%的全范围调光效果的调光器。
再怎么说,虽然1%以上范围的调光,对人眼的感知来说没有太大的益处,但即便是较小范围的调光效果,也会带来巨大的节能效益。
调光带来了闪烁,以及“多大的闪烁是不能接受的”这个问题。在照明业界,对闪烁定义是光照(或LED电流)以两倍工频频率波动所占的百分比,它用LED的稳定光照(或直流电流)的分数来表示。
二十年前,磁性镇流器推动了荧光灯管的发展,后者在交流供电电压周期的峰值附近产生强烈的闪烁,使得灯管的总光照输出中包含有闪烁频率为工频频率的两倍的连续闪光。已经发现,虽然大多数人不能感觉到这种闪烁,但它确实给一些人造成了头痛和其他紧张症状。
针对磁性镇流器带来的闪烁所引起的这种不适,人们开发了电子镇流器,将闪烁降低到了2%以下,后者经证实确有其效,并迅速成为好的灯光质量的工业标准。
之所以还在讨论这个问题,是因为闪烁的解决并不简单。现代LED灯具的闪烁,其灯光波动通常具有平滑的交变特性,频率为两倍倍工频频率,如120赫兹。即便这种闪烁的幅度达到了100%,也远远不如磁性镇流器导致的闪烁那么容易被觉察。
我们建议,对工作和办公室照明来说,LED驱动器的纹波输出要低于10%,而对装饰用LED照明(如槽灯、壁灯、户外照明,等等)来说,即便l00%的闪烁也可能是可接受的。
不幸的是,调光方法可能会导致闪烁。LED驱动电路的输出构成中,频率为两倍工频频率的纹波所占的百分比,是影响光照输出的闪烁成分的参数。许多LED驱动器通过快速切换LED发光的通断来实现调光,这个过程叫做脉冲宽度调制(PWM)调光或数字调光。人眼完全不能感知这些高频率闪烁,只是觉察到的光照略有减少。
然而,存在着这样一类简单的LED可调光驱动器,它们只是简单地以两倍工频的频率对LED发光进行通断切换;在弱照度情况下,其结果就与老式磁性镇流器的光输出十分相似闪烁很容易被察觉。此外,如果同可控硅调光器一起使用,由于后者不能在正负半周实现相同的调光,就会导致一个工频成分出现在PWM之中,产生出任何人都可以觉察的闪烁。
其他LED驱动器产生一个恒定的直流电流,调光器通过调低该直流电流来实现调光的功能。这种调光方法有时被称作模拟调光。对工作及办公室照明来说,这是最稳妥的调光方法,虽然它很可能会比数字调光方法更加昂贵。
还有一个问题是如何把调节信息传递给驱动器。很多情况下,驱动器必须与传统的壁式调光器协同工作。
图1.正相调光方法“切除”交流方式输入电压每个半周的前沿部分。
图2反相调光方法“切除”交流输入电压每个半周的后沿部分。
图1和图2所示为两种相反的传统调光方法,它们为当前的LED应用所采用,通过控制交流电力波形来实现调光。
正相调光方法通常工作于双线供电的情况,无需额外的人力来铺设第三根电线;它通常用于教堂、大礼堂、及学校等场合。
反相调光方法昂贵得多,但它最大限度地降低了电磁干扰(EMI)问题。
不管采用什么调光方法,驱动器的选择必须能够与该应用中所使用的调光器相配合使用,对改造项目来说尤其如此。