深度剖析选择模块化LED驱动器的理由

LED驱动器规格书的内容通常是非常吸引人的，厂家会承诺在低价格的基础上，提供良好的性能和丰富的功能。然而，在实际应用中，有许多的潜在障碍在规格书中并未被提到，这样有可能会给开发者带来严重的问题。此外，LED驱动器的研发，测试和认证都很耗时且花费高昂，尤其是AC/DCLED驱动器。现成的并且经过测试的模块，节省了研发工作中所产生的高成本费用，这至少可以节约80%以上的设计成本。 　　模块化VS分立式：概述 　　传统观念认为分立式LED驱动器比模块化解决方案会更具有成本优势。然而，事实并非如此。如果价格对比只是基于BOM(物料清单)的成本，模块化驱动器的价格是要高于分立式LED驱动器。但这不是一个公平的对比方法，因为分立式方案的实际应用成本远远高于BOM里统计的成本。另外，还需考虑到，LED驱动器通常是设计过程中最后定义的一个组件，也因此时间成为了一个紧迫的因素。 　　决定采用一个驱动器模块与否，是要以事实为基础的，以下问题必须考虑： 　　1)设计 　　公司必须清楚地知道，自己是否确实有工程人员，知道如何开发一个完整的分立式方案。而模块化驱动器是一个即插即用的产品，可以很容易地集成到照明系统中，从而缩短产品的上市时间。此外，分立式解决方案的研发成本可能会大大高于预期，因为在将来有可能需要进行重新设计。这样就可以很容易地计算出，分立式方案的总体成本有可能会超过经过认证的LED驱动器模块。 　　2)装配/仓储 　　关于装配和仓储，便于操作是非常必要的。采用模块化的解决方案，制造商只需要从一个供应商处购买一个单一元器件。这样就将物流成本最小化了，而且因为便于组装，使生产也更有效率。制造商受益于稳定的产品质量，也不需要考虑元件之间的公差。而因为缺少某一个物料(如电容，电感，电阻等)引起停产的风险，也几乎同时被消除了。 　　3)认证 　　对LED驱动器的认证是非常耗时的一个过程并且认证费用高昂。为了获得需要的认证，元件在试验测试失败后，必须要不断重复进行申请，而这种情况也是比较常见的。其结果就导致了，不仅仅增加了额外的重新设计费用，同时也耗费了大量的时间。而如果选择模块化LED驱动器，认证和易想不到的困难都不会有问题。 　　4)可靠性 　　可靠性，将会影响到品牌的整体形象同时也涉及与其密切相关的保修问题。尽管公司有可能准确地确定MTBF,但它却未必可以使用昂贵的系统，来进行可靠性和使用寿命的测试。撇开开发过程和相关的时间/成本因素不谈，制造商必须决定，他是想依靠内部设计，还是希望由一个有经验的供应商，为其提供已经通过认证、让他觉得更安全的产品。 　　如果公司仍然决定继续推进分立式方案，那么往往是基于以下几点的考虑来进行决策： 　　●具有开发能力和时间 　　●要求的产品，数量很大，如改造 　　●产品的超长使用寿命，如>20年 　　除此以外的所有其他情况下，进行完整装配，采用经过测试和认证的LED驱动器仍然是性价比最好的解决方案。 　　规格书中并不能找到你想要的所有参数 　　LED驱动器的规格书描述，通常都包含一系列非常吸引客户的功能特性。简单地浏览，会感觉厂家承诺了一个很好的驱动器解决方案，可以快速生效又相当容易实施。然而，潜在的隐患藏在细节中，就如下面的例子所展现的： 　　1)效率&温度 　　大多数规格书都配有一系列的特性图表(如图1)以表明其驱动器的高效率。如要准确地判断IC的性能极限和温度之间的特性，必须要更加深入的分析。例如，这个可以通过功耗降额图(如图2)来分析。在图中的这条曲线，如果所包含的特性已经被全部体现出来，一般是要在规格书非常后面的部分才能找到。功耗、最高工作温度和IC实际功率之间的关系，可以由以下2个举例做最好的诠释： 　　a)Vin(输入电压)=12V，3x1WLEDs的输出： 　　根据效率特性(图一中红色曲线)，这样的配置达到了90%的效率。也就是说功耗为300mW(计算：3x1Wx10%)。功耗降额曲线(图2)表明，这样配置的最高工作温度是在80℃左右。到目前为止，驱动器表现都很好。 图1 效率与输入电压和负载关系曲线 　　b)Vin(输入电压)=24V,5 x 1W LEDs的输出： 　　在这种情况下，驱动器效率达到了92%(图1中黄色曲线)，功耗为400mW。但是，根据图2所示，在这种状态下的最高工作温度只能是40℃。 　　c)Vin(输入电压)=30V,7 x 1W LEDs的输出： 　　在这种状况下，效率更高可以达到93%(图1中蓝色曲线)，功耗会增至490mW。然而，根据降额曲线(图2)来看，这个集成电路无法补偿高于450mW的功率损耗。这意味着将会导致电路过热。也就是说，上面描述的驱动器是不可能满足实际需求的，虽然从表面上看起来，它是符合IC的基本技术规格。 图2 功耗降额曲线(结合图1中的曲线) 　　这些例子说明，LED驱动器的规格书，通常只会列举出“最佳案例”情况下的参数。即使相关参数还处在规格范围之内，但驱动器却很快就达到性能极限。公平地说，LED驱动器制造商们通常也会让客户意识到驱动器潜在的限制，他们会在规格书页面底部，用小字声明“…典型应用电路驱动XYLED，在下列条件下…..”。仅管如此，技术问题却还是同样存在。 　　2)电磁兼容性 　　一般情况下，LED驱动器的规格书中不会包含任何有关电磁兼容性的信息。这经常会给EMC实验带来一些意想不到的状况，当它变得越来越明显时，电路会发出强烈的干扰信号。如果一定要达到B类限制，这些电路必须要重新设计，并且要增加非常复杂的滤波器，同时也要花费大量宝贵的时间在EMC实验室中。 　　RECOM很好地为设计者们解决了这个问题，它向客户提供整合了A类或B类滤波器的模块化LED驱动器。 　　3)调光 　　许多LED驱动器仅仅只提供PWM信号调光。这也就意味着，作为PWM信号所必须的辅助电路，只有一个外部电压供应(例如控制电压从1V到10V)或电位计是肯定不够的。这反过来，会导致一个更复杂的电路布局，并增加元器件的数量。其结果是导致成本增加，并且系统可能变得不够稳定。 　　在其他情况下，没有真正可用的PWM输入，其功能是通过一个CTRL引脚来实现的。这意味着驱动器必须始终完全接通和断开，因为它不可能只调节输出信号。这还可能会引起额外的与线性连接有关的问题。光的亮度从0到10%之间是最关键，因为在这个范围内，人的眼睛特别容易感受到光线的变化，并且和传统灯泡不同的是，这个范围内的色温几乎是相同的。 　　规格书中的信息往往不能反映最真实的情况。虽然规格书为驱动器的选择提供了一个很好的依据，但他们有时会忽略了重要的信息，比如性能限制或EMC性能，因此需要谨慎阅读。 　　可靠性&使用寿命 　　驱动器的可靠性与它的MTBF(平均故障间隔时间)直接相关。通过“浴缸曲线”(图3)能最好地表示MTBF。它包括三个阶段：早期故障期，有效寿命期和寿命结束期。MTBF仅包括中间范围，而不包括早期故障期和寿命结束期。LED驱动器规格书中所列的MTBF值通常约为60万小时。 图3 浴缸曲线 　　MTBF的计算方法：λ驱动器=Sλ元件。 　　也就是说一个LED驱动器的MTBF值，只有当它所有元器件的MTBF值是已知的时候，才能计算出来。这些参数值可以在各种数据库中找到。而最有名的参考手册可能就是军用手册217F版本((MILHDBK217F)，它正被大多数制造商使用。因此，这说明成品的可靠性其实在设计阶段就可以确定了。 　　然而，60万小时的MTBF值究竟是什么意思呢?这是否就是说，相应地具有68年的使用寿命呢?这显然是不对的。MTBF只是表示在一个特定时间内的故障概率，如： 　　●每年2%的故障率è MTBF=438,000 hours(8,760h/2%) 　　●5年以上5%的故障率è MTBF=876,000 hours(5x8,760h/5%) 　　此外，还需要考虑到温度对MTBF的影响。阿列纽斯方程就是一个简单的，但又能非常准确地反应速率对温度依赖性的公式。应用到电子设备中，就可以清楚地显示在较高温度下故障率会增加。套用以下经验法则“温度增加10℃，设备的预期寿命就会减少一半”。 　　左边的举例说明了环境温度对系统可靠性的明显影响。 　　另一个影响LED驱动器可靠性的因素就是选择正确的元器件，特别是要选择合适的电容器。LED驱动器通常配备的是廉价的电解电容器而不是高品质的陶瓷电容器(MLCC)。 　　为什么电解电容器会对电路的可靠性产生如此巨大的影响?这是因为电解电容器中的电解液是一种液体，它会随着时间而蒸发，从而导致电容器故障。而当电容器暴露于高温下时，这种情况会更迅速地产生。因此电解电容器被公认为是决定和限制了LED驱动器使用寿命的元器件。 　　正如我们所看到的，MTBF不能准确地表明一个产品的使用寿命，但却是一个很好的可以说明系统或元件可靠性的指标。对于分立式驱动器，选择MTBF值相互一致的元器件是至关重要的。最终，整个系统的可靠性将会由其最薄弱的环节决定。 　　区别于MTBF值，RECOM所指定的“设计寿命”是基于真实的测试基础上的，也因此能显示出驱动器的使用寿命。不幸的是，规格书中很少会有如此有价值的信息。 图4 RECOMRCD-48用的是陶瓷电容(左)和竞争者用电解电容的产品(右)对比 　　认证 　　研发一个定制的LED驱动器，另一个重要方面就是认证。这是一个耗时且花费很高的过程，也常常因此而延缓了新产品的推出。 　　以下列表是从国际标准中选出的必须要符合的几项： 　　●生态设计指令2009/125/EC 　　●WEEE指令2002/96/EC 　　CE标志的规定尤其严格。要申请CE认证，制造商要确保该产品符合所有相关的标准和法规。虽然只是需要完成一张表格就能申请，但制造商必须明白，如果一个产品印有CE标志，他就有义务承担所有保修和赔偿责任。 　　有关AC/DCLED驱动器的一些特别注意事项 　　AD/DC LED驱动器的设计不仅比DC/DCLED驱动要复杂得多，而且对安全方面要求也更为严格。这是因为这些设备都是在SELV(安全特低电压)范围之外的。而这个问题，不仅仅只是指成品，同时也针对在电网电压应用下的设计和测试过程。因而需要采取特别措施来保护用户。 　　此外，AC/DC LED驱动器必须符合特定的能源效率和质量法规和指令，如欧盟生态设计指令或能源之星规定。比如：功率为25W时，所提供的功率因数校正(PFC)必须大于0.9，这使得他们的设计会更为复杂。当然，这也就是说，开发和测试设备也必须符合更加严格的标准，包括功率分析仪，高精度电源和LED负载开关。对于额外的功能，如双向可控硅调光，制造商需要任意波形发生器，来准确地模拟各种上升沿和下降沿的调光器的信号。从方块图(图5)可以看到AC/DC LED驱动器测试中作为标准所需要的各个要素。 图5 典型AC/DC驱动器测试方框图 　　总之，通过内部开发AC/DC LED驱动器，对于拥有必要专业知识的制造商来说，只是一个选择。而通常情况下，更加明智的做法是从一个现有的供应商处，购买已经是完整的，经过了测试和认证的产品。