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采用交流直接驱动的工业照明LED灯具的设计

 本文总结了工业照明灯具在固定专业类以及固定防爆类的具体要求,分析了传统开关电源类型驱动器的不足,介绍了交流直接驱动方式的原理与特点,详细介绍了ACDrv方案响应工业照明领域需求而达到的技术参数。

  工业照明灯具的要求

  采用LED作为固态照明光源的灯具有达到同样照度需要的电能更少,比传统灯具更长的使用寿命的显著特点,从而达到节能、维护成本低的目的,逐渐在工业照明领域广泛地应用。

  工业照明灯具,主要在石油、化工、钢铁、冶金、矿山、消防及燃气、铁路、电力、公安、部队、防汛、潜水救捞和抢险救灾等行业已作为工作照明和应急照明普遍使用。 其下分四大类,即固定专业类、固定防爆类、移动专业类和移动防爆类,因规格、性能各异而划分。本文仅针对固定专业类以及固定防爆类的灯具要求进行分析。

  固定专业类:工业厂房按其建筑结构型式可分为单层工业建筑和多层工业建筑。多层工业建筑的厂房一般不是很高,其照明设计多采用常规照明方案。机械加工、冶金、纺织等行业的生产厂房一般为单层工业建筑,并且根据生产的需要,更多的是多跨度单层工业厂房,即紧挨着平行布置的多跨度厂房,各跨跨度视需要可相同或不同。单层厂房在满足一定建筑模数要求的基础上视工艺需要确定其建筑宽度(跨度)、长度和高度。厂房的跨度一般为6、9、12、15、18、21、24、27、30、36m……。厂房的长度少则几十米,多则数百米。厂房的高度低的一般5~6m,高的可达30~40m,甚至更高。厂房的跨度和高度是厂房照明设计中考虑的主要因素。另外多数工业厂房内设有吊车,因此,工厂照明通常采用装在屋架上的灯具来实现。处在恶劣环境下的生产厂房具有多尘、潮湿、高温或有蒸汽、振动、烟雾、酸碱腐蚀性气体或物质、有辐射性物质的环境特点,从而对灯具提出了更高的环境适应度要求。要求如下:

  1) 灯具整体质量轻,能够直接安装在屋顶。

  2) 更高的环境温度,在夏季高温季节,灯具附近的温度可达到60度。

  3) 开灯时间厂,大部分厂房24小时连续开灯。

  4) 免维护,灯具安装位置普遍较高,维护成本高。

  5) IP防护等级高,部分灯具需要达到IP65等级

  固定防爆类:

  在有爆炸和火灾危险性生产厂房的照明,需要采用防爆类型灯具。由于照明灯具在工作时不可避免地产生电火花或形成炽热的表面,它们一旦与生产或救援现场的爆炸性气体混合物相遇,就会导致爆炸事故的发生。防爆灯具是具有防爆性能的一类照明灯具,具有Ex这样的标志。防爆灯具的密封性能,在结构上进一步采取保护措施等等,国家对防爆灯具有一定的要求。而非防爆灯具都没有一以上的要求。在进行隔爆灯具的结构设计时,制造者往往重点放在隔爆外壳的外形和强度设计上,而对光源和驱动电源的选择却普遍关注不够。防爆灯具需要符合下列要求:

  1) 能防止灯内部可能产生的电弧、火花和高温引燃周围环境里的可燃性气体和粉尘。

  2) 更恶劣的工作环境,灯具环境温度可能超过60度。

  3) 免维护,灯具一般安装在危险区域或高空,一旦损坏,维护成本高。

  4) 开灯时间长,大部分连续24小时工作。

  5) IP防护等级高。

  总结上述两类灯具的要求,除了外壳的密封等级差别,二者在光源上的要求几乎完全相同。对灯具设计提出了新的要求,需要一种高可靠性、结构简单的光源模组,能够应用在两种类型的照明灯具中,一方面可以做工业照明灯具在光源上标准化,减少重复开发,以规模化生产来降低生产成本,另一方面可以提高互换性,减少维护成本。采用交流直接驱动的LED模组可以达到上述设计目标。

  传统开关电源类型驱动的不足:

  LED灯珠作为半导体器件,其寿命长达50000小时以上,然而灯具的寿命取决于系统整体的寿命。LED灯具有三个核心组成部分LED灯珠、驱动电源、散热器及结构件。由于热管理问题导致的散热不足会引起LED节温的上升,从而引起光衰的问题,已逐渐得到厂家的重视。但对于驱动电源的不良引起的灯具故障,我们还认识不足。据统计,目前LED白光照明灯具出现的失效故障,70%左右是电源问题,20%左右是线路和结构问题,只有不到10%是LED灯珠的本身质量问题。特别是在工业照明领域,恶劣的工作环境更加剧了驱动电源的故障率。传统的开关电源式驱动电源,不可避免的需要使用电解电容和变压器进行能量的储存和转换,而电解电容的寿命与其工作温度呈指数相关关系,电容量由于电解液的蒸发会逐渐下降,其寿命则仅为5000~10000小时。这样电解电容的短寿命与LED灯珠的长寿命之间有一个巨大的差距,削弱了LED的优势.电解电容在极低温度下,例如环境温度零下30度时,由于内部电解液遇冷凝固,导致驱动电源无法正常工作,灯具不能启动。因而无电解电容LED驱动解决方案会成为工业照明领域的的最终市场选择。开关电源类型的驱动电源,在内部会进行频繁的MOS管开关动作,从而进行能量的传递,众所周知,用于能量转化的变压器,不可避免的会产生漏感,漏感产生的能量无处泄放,就会产生高电压,击穿绝缘或者产生电弧,这在防爆类型灯具中是需要绝对避免的。一般工业照明领域,所使用的灯具功率都较高,采用传统开关电源结构,由于内部频繁的高频开关动作,会产生很大EMC问题,容易对周围设备产生电磁干扰,影响设备的正常运转。同时其复杂的结构,不利于灯具的密封,较大的重量,也使灯具的整体重量增加。

  交流直接驱动原理:

  如图1原理图所示,为220V 40W模组,LED1,LED2,LED3,LED4 表示一组LED串或者高压HVLED,这里所采用的是晶元50V 45mA高压大功率灯珠,驱动芯片采用上海酷蓝科技的交流直接驱动芯片ACDrv系列,Q1-Q4为耐压600V的MOS管,其交替工作在完全导通、线性恒流、完全关断状态。 对于220V输入电压,内部的控制器可以动态适应不同正向电压的LED串,检测流经LED串的电流以及电压,根据芯片的状态机轮流切换并恒流控制。

 . 采用交流直接驱动的工业照明LED灯具的设计

  图1 应用原理图

  其工作时序为表1所示

 . 采用交流直接驱动的工业照明LED灯具的设计

  表1 MOS管工作时序表

  220V的交流输入线与整流桥相连,产生全波整流信号波形。

  LEDs 和 驱动芯片直接由整流后的AC电压供电。

  LED1 LED2 LED3 LED4 的电流由四个外部采样电阻R1~R4设置。

  当整流后的电压从0V开始上升时,到达LED1的总串联Vf值时,芯片内部的状态机控制电路会打开第一段的LED串,通过控制MOS管的栅极电压,控制LED1的电流稳定在恒流状态1。当整流后的电压继续上升达到LED1 Vf与LED2的Vf 的和时,芯片内部的状态机控制电路会关闭第一段的MOS管,打开和控制第二段的MOS管,控制流经LED1 LED2的电流稳定在恒流状态2。与此对应,随电压上升到达到LED1 LED2 LED3总串联电压时,内部控制逻辑关断第二段的MOS管,打开并控制第三段的MOS管,随后流经LED1 LED2 LED3的电流稳定在恒流状态3. 当整流后的电压继续沿上升达到LED1 LED2 LED3 LED4的Vf和时, 控制逻辑会控制流经LED1 LED2 LED3 LED4的电流稳定在恒流状态4.

  芯片内部的控制电路会检测输入电压与流经每段LED的电流,据此来决定内部状态机的运作。对LED的Vf正向电压的选择没有限制,但是总的LED串联电压需要小于并接近于输入交流电压的峰值,对于220V电压,一般总串联电压控制在270-280V为宜。ACDrv系列芯片内部集成了过温保护、欠压保护、过压保护等,经测试可以在环境温度90下可靠地工作。

 交流直接驱动特点:

  1. 完美的系统参数

  交流直接驱动方案,其实测数据为效率91%,功率因数0.98,THD 13.7%。如图2所示

 . 采用交流直接驱动的工业照明LED灯具的设计

  图2 实测功率 总谐波失真 功率因数

  在交流输入端的电流波形如图3所示,基本上呈正弦曲线形状,所以电源的各项参数都很完美,可以顺利通过3C UL CE等认证。

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  图3 输入电流波形

  交流直接驱动方案,结合了开关电源与线性电源的优点,内部主工作频率在100Hz,低频的工作频率带来了更低的电磁干扰与辐射,不会对周围设备造成干扰。同时,ACDrv芯片内部采用能量直接转换方式的拓扑结构,一方面可以提高转换效率,另一方面消除了升压降压环节,不会产生内部高压,不会产生可能的高压电弧,这对防爆灯类型照明灯具的设计至关重要。

  2.设计及生产简单:该驱动方案工作在40W功率,实测裸板光效大于100lm/W。外围器件做到最少,只有10左右外围器件。系统的寿命与组成系统的每个部件的故障率的乘积正相关,即寿命与元器件的个数呈负指数相关,交流直接驱动方案在寿命上有着数量级的提升。传统LED driver的设计,大部分都采用隔离线路,变压器的设计非常关键,初次级间的反压会对MOS管的耐压、输出快恢复二极管要求都很高,这些都使设计成本上升,据了解一个设计相对完美的变压器成本就占整个电源板的1/3~1/4;而HV LED的设计不需考虑这些问题,600V管子大大满足设计要求。采用交流直接驱动方案, 所有器件均采用贴片形式, 一次贴片加工就可完成光源与驱动板的生产,大大提升了生产效率,以及提高了可靠性。驱动电路部分和LED光源放置在同一铝基板上,外接交流220V即可工作,摈弃了常规大重量的驱动电源,大幅降低了整灯的重量,简化了结构的设计,更有利于防爆灯的结构隔离设计。见图4,防爆灯模组图

 . 采用交流直接驱动的工业照明LED灯具的设计

  图4,防爆灯模组图

  3长寿命:从目前市场反馈来看,大部分LED灯具失效都是driver提前损坏,如果忽略设计上的缺陷与环境因素,基本上都是由于电解电容类器件的温度与寿命特性影响了整个LED灯具的寿命;而对于交流直接驱动方案的设计方案,免去了大体积的电解电容,在源头上解决了LED驱动电源的寿命瓶颈,驱动部分所采用的元器件的特性,均不会随着时间或温度变化而发生改变。ACDrv芯片内部采用独特算法的状态机与PID控制器,能在保证在低稳态误差的同时,具备优良的响应速度,足以应对电网上浪涌冲击。在不加外置浪涌保护器时,可以通过2KV浪涌LN、LN/PE测试,在外加SPD的情况下,可以通过6KV浪涌测试,有效地保证了长期稳定工作的可靠性。

  4更宽的工作温度范围:

  传统driver设计中使用大量磁性器件,在低温情况下,磁性器件的磁导率会大幅下降,从而影响了产品在低温情况下的启动或线路工作的工作状态;而HV LED的设计中没有使用磁性器件,不存大这方面的弊端. ACDrv系列芯片内部采用宽温度范围设计,内部的参考电压在-40°C到120°C均保持恒定,变化范围控制在3%以内。

  实际温度测试如图5所示,采用Fluke Ti32温度测试仪,在环境温度为50度情况下,内部部驱动部分最高点温度为82度,LED的TC点温度为86度。

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  图5 内部温度测试方法

  总结

  交流直接驱动方案是一种创新的结构,具有高度的可靠性、更低的成本、更高的工业生产效率、更高的防爆安全性、更低的维护成本,具备传统开关电源类型驱动器不可比拟的优越性。在大功率照明特别是工业类照明,其技术先进性得到了批量化生产和市场反馈的验证,具备广阔的应用前景。

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