Die Topologiestruktur der LED-Treiber-Stromversorgung
Bei LED-Beleuchtungsanwendungen mit AC-DC-Stromversorgung umfasst das Baumodul der Leistungsumwandlung diskrete Komponenten wie Dioden, Schalttransistoren (FETs), Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände zur Erfüllung ihrer jeweiligen Funktionen sowie Pulsweitenmodulationsregler (pWM). dienen zur Steuerung der Leistungsumwandlung. Die isolierte Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung mit Transformatoren, die normalerweise dem Schaltkreis hinzugefügt werden, umfasst Topologiestrukturen wie Flyback, Vorwärts und Halbbrücke, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Flyback-Topologie ist die Standardwahl für Anwendungen mit mittlerer bis niedriger Leistung und einer Leistung von weniger als 30 W, während die Halbbrückenstruktur am besten für eine höhere Energieeffizienz/Leistungsdichte geeignet ist. Die Größe des Transformators in der Isolationsstruktur hängt von der Schaltfrequenz ab, und die meisten LED-Treiber vom Isolationstyp verwenden grundsätzlich „elektronische“ Transformatoren.
In LED-Beleuchtungsanwendungen mit DC-DC-Stromversorgung können folgende LED-Antriebsmethoden verwendet werden: Widerstandstyp, linearer Spannungsregler und Schaltspannungsregler. Das grundlegende Anwendungsdiagramm ist in Abbildung 2 dargestellt. Im Widerstandsantriebsmodus kann der Vorwärtsstrom der LED durch Einstellen des Stromerkennungswiderstands in Reihe mit der LED gesteuert werden. Dieser Antriebsmodus ist einfach zu entwerfen, kostengünstig und weist kein Problem der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) auf. Der Nachteil besteht darin, dass es spannungsabhängig ist, LEDs abschirmen muss und eine geringe Energieeffizienz aufweist. Lineare Spannungsregler sind außerdem einfach zu entwerfen und weisen keine EMV-Probleme auf. Sie unterstützen außerdem die Stromstabilisierung und den Überstromschutz (Foldback) und bieten externe Stromeinstellpunkte. Zu ihren Nachteilen gehören jedoch die Verlustleistung und die Notwendigkeit, dass die Eingangsspannung immer höher als die Durchlassspannung sein muss, was zu einer geringen Energieeffizienz führt. Der Schalterregler steuert kontinuierlich das Öffnen und Schließen des Schalters (FET) über das pWM-Steuermodul und steuert so den Stromfluss.
Schaltspannungsregler haben eine höhere Energieeffizienz, sind spannungsunabhängig und können die Helligkeit steuern. Zu ihren Nachteilen gehören jedoch relativ hohe Kosten, höhere Komplexität und Probleme mit elektromagnetischen Interferenzen (EMI). Zu den gängigen Topologiestrukturen von LEDDC-DC-Schaltreglern gehören Buck-, Boost-, Buck-Boost- oder Single-Ended-Primary-Inductor-Converter (SEpICs). Wenn die minimale Eingangsspannung unter allen Betriebsbedingungen größer ist als die maximale Spannung der LED-Kette, wird eine Abwärtsstruktur angewendet, z. B. die Verwendung von 24 V DC zum Antrieb von 6 in Reihe geschalteten LEDs; Wenn hingegen die maximale Eingangsspannung unter allen Betriebsbedingungen geringer als die minimale Ausgangsspannung ist, wird eine Boost-Struktur eingesetzt, z. B. die Verwendung von 12 V Gleichstrom zur Ansteuerung von 6 in Reihe geschalteten LEDs; Wenn es eine Überschneidung zwischen dem Eingangsspannungs- und dem Ausgangsspannungsbereich gibt, kann eine Step-Down-Boost- oder SEpIC-Struktur verwendet werden, z. B. die Verwendung von 12 VDC oder 12 VAC zur Ansteuerung von vier in Reihe geschalteten LEDs. Diese Struktur weist jedoch die ungünstigste Kosten- und Energieeffizienz auf.
Auch die Nutzung von Wechselstrom zur direkten Ansteuerung von LEDs hat in den letzten Jahren einige Fortschritte gemacht. Bei dieser Struktur sind die LED-Stränge in entgegengesetzten Richtungen angeordnet und arbeiten in einem halben Zyklus. Die LED leitet nur, wenn die Netzspannung größer als die Durchlassspannung ist. Diese Struktur hat ihre Vorteile, wie zum Beispiel die Vermeidung von Leistungsverlusten, die durch die AC-DC-Umwandlung verursacht werden. Allerdings schaltet die LED in dieser Struktur bei niedrigen Frequenzen, sodass das menschliche Auge möglicherweise Flackerphänomene wahrnimmt. Darüber hinaus müssen bei diesem Design LED-Schutzmaßnahmen hinzugefügt werden, um es vor den Auswirkungen von Leitungsüberspannungen oder Transienten zu schützen.
