世纪电源网社区logo
社区
Datasheet
标题
返回顶部
原创

LED驱动电源工作原理及应用

[复制链接]
查看: 9196 |回复: 7
1
sairvee
  • 积分:508
  • |
  • 主题:116
  • |
  • 帖子:7
积分:508
LV6
高级工程师
  • 2011-5-26 11:44:12
随着生产成本下降,越来越多应用开始采用这类组件,包括手持装置、和建筑照明等。LED拥有高可靠性、良好效率和超快响应速度,所以很适合作为照明光源。虽然白炽灯泡的成本很低,更换费用却可能很昂贵。街灯就是很好的例子,更换一个故障灯泡往往需要出动多位人员和一辆卡车。也因为如此,尽管LED和白炽灯泡的效率大致相等,许多街灯却采用可靠性更高且更省电的LED
  白炽灯虽能发出连续光谱,却常用于交通号志等只需绿光、红光和黄光的场合。这类应用须在白炽灯外加装一个特定颜色的滤片,但它会造成六成的光能浪费。LED则能产生特定颜色的光,而且只要接通即可立即发亮,不像白炽灯需要200ms的反应时间,因此汽车产业早就将LED用于车灯。另外,视讯应用也以LED作为光源,利用高速的LED取代原有机械组件。
  LED的I-V特性

  图1是典型InGaAlP LED的正向电压特性。模型可表示为一个电压源串联一个电阻,这个简单模型与实际结果很吻合。电压源为负温度系数,因此正向电压会随着接面温度升高而下降。InGaAlP LED(黄色与琥珀红)的温度系数在-3.0~-5.2mV/K之间,InGaN LED(蓝、绿和白色)则介于-3.6~-5.2mV/K之间。负温度系数是造成LED很难并联的原因之一,因为越热的组件会汲取越多的电流,越多的电流又会让它的温度进一步升高,最后就变成热失控。

图1:以电压源和串联电阻作为LED电路模型后得到的I-V特性曲线
  图2是输出光强度()与操作电流的关系,可以看出输出光强度与二极管电流的关系很密切,只要改变正向电流就能调整LED的。另外,这条曲线在电流较小时很像是一条直线,但其斜率在电流升高时会变得较小。这表示当电流较小时,只要二极管电流加倍就会让输出光强度加倍。电流较大时则非如此,此时电流加倍只会让输出光强度提高八成。这项特性对LED很重要,因为它是由交换式电源所,所以可能会遇到很大的电流。其实电源供应的成本在某种程度上就是由所允许的电流决定:纹波电流越大,电源供应的成本就越低,只不过LED的输出光强度也会受到影响。

图2:LED效率在电流超过1A后开始下降
.
  图3是把三角纹波电流加到直流输出电流后,输出光强度减少的情形。由于纹波电流的频率在多数情形下都远超过人眼所能分辨的80Hz,再加上人眼对光强度的反应又呈现指数关系,只要光强度减少不超过20%就不会被发现,因此就算LED电流的纹波很大,光强度也不会明显减弱。

  
图3:纹波电流造成LED输出光强度略为下降
  纹波电流还会增加LED耗电量,造成接面温度上升,并对LED的使用寿命产生很大影响。图4LED输出光强度与时间及接面温度的关系。我们设定80%的输出光强度为LED的使用寿命,则从图4中可看出,当温度从74℃降至63℃时,LED使用寿命会从10 000小时增加为25 000小时。

  
图4:接面温度升高会缩短LED的使用寿命
  图5是纹波电流造成LED功耗增加的情形。由于纹波频率比LED的热时间常数高,因此就算纹波电流很大 (以及峰值功耗很大)也不会影响峰值接面温度——这个温度主要是由平均功耗决定。LED的大部份电压降就像是一个电压源,所以电流波形不会对功耗造成影响。然而电压降中仍会有某些电阻分量,这部份的功耗等于电阻值乘以均方根电流的平方。

  
图5:纹波电流导致LED耗电增加
  从图5还能发现就算纹波电流很高,也不会对LED功耗造成太大影响。举例来说,当纹波电流达到输出电流的一半时,耗电量只会增加不到5%。但若纹波电流远远超出这个水平,设计人员就必须减少电源提供的直流电流,避免接面温度升高而影响组件寿命。一个简单的经验法则是:接面温度每降低10℃,组件寿命就会延长一倍。另外,多数设计由于受到的限制,都会尽量降低纹波电流,因为大部分电感只能应付20%以下的Ipk/Iout纹波电流比。
典型应用
  LED电流常由安定电阻或线性稳压器控制,但本文主要讨论交换式稳压器。架构基本上可分为降压、升压和升降压等三种类型,实际架构则应由输入电压与输出电压的关系决定。
  如果输出电压永远低于输入电压,则可采用图6所示的降压稳压器。在此电路里,输出滤波电感L1的平均电压是由开关的负载周期所控制。TPS5430内含的FET开关导通时会将输入电压连接到电感L1并产生电流,逆向电压保护二极管D2则会在开关截止时提供另一条电流路径。L1电感可以稳定LED电流,因为电路会透过电阻监控LED电流,然后比较电阻电压与控制组件内部的参考电压以判断电流大小:如果电流太小,就增加功率开关的负载周期来提高L1电感的平均电压,以便让LED电流升高。这个电路的工作效率很高,因为功率开关、逆向电压保护二极管和电流感测电阻的电压降都很小。

  
图6:降压式LED驱动器会将输入电压转换为较低电压
  如果输出电压永远大于输入电压,图7所示的升压转换架构就是最佳选择。这个设计除了控制电路外,同样会使用内含功率开关的组件U1。功率开关导通时,电流会通过电感到地。开关截止时,U1接脚1的电压会上升直到D1导通,电感也会经由输出电容C3和多个串联的LED开始放电。多数应用会利用C3稳定LED电流,若没有该电容,LED电流会变成在零与电感电流之间交替切换的不连续电流,不仅会降低LED的亮度,还会产生更多热量而缩短LED寿命。此电路也和前面一样利用电阻感测LED电流,再根据结果调整负载周期。注意,此架构很大的缺点是没有提供短路保护,输出端短路会造成庞大电流通过电感与二极管,将导致电路故障或输入电压大幅下降。

  
图7:整合式升压LED驱动器将输入电压转换为高电压
  如果输入电压的变动范围很大,有时高于输出电压,有时又低于输出电压,那么单纯的降压或升压架构就不适用。除此之外,升压应用还可能需要短路保护功能。在此状况下,设计人员应采用图8所示的升降压架构。这个电路与升压转换架构很类似,会在功率开关导通时建立电感电流,等到功率开关停止导通,电感电流就会通过输出电容和LED。这种设计与升压转换架构的区别在于输出电压不是正值,而是负电压。此架构还能在输出短路时将开关Q1切断,所以可以避免升压架构发生的短路问题。此电路的另一特点是尽管输出为负电压,感测电路却不需执行电压位准转换——因为控制组件的地线连接到负输出端,并直接测量感测电阻R100两端的电压。图8中虽然只有1个LED,实际应用却可串联多颗。另外要注意的是,输入电压与输出电压的总和不能超过控制组件的最大电压额定值。

  
图8:升降压架构支持很大的输入电压范围
.
  控制回路设计
  供应的电流回路设计要比传统电源供应的电压回路简单。电流回路的复杂性是由输出滤波架构决定的。图9就是三种常见架构,分别是单纯的电感滤波器(A)、典型的电源供应滤波器(B)和改良型滤波器设计(C)。

  
图9:三种不同的输出滤波架构
  为每个功率级电路建立简单的P-Spe模型,以说明其控制特性的个别差异。其中降压转换功率FET与二极管的开关动作由一个10倍增益的压控电压源代表,LED由一个3Ω电阻串联6V电压源代表,LED与接地之间还有一个1Ω的电流感测电阻。模拟结果如图10所示。

图10:三种滤波器架构的增益与相位图
  电路A是相当稳定的一阶系统响应,其中,直流增益是由压控电压源、LED阻抗所构成的分压器以及电流感测电阻所决定,系统极点则由输出电感与电路阻抗决定。补偿电路设计也很简单,只要使用乙类放大器即可。
  电路B由于包含输出电容,所以会有二阶响应。增加输出电容是因为某些应用在电磁干扰或散热因素的考虑下,不能容忍LED出现太大的纹波电流,因此需要输出电容来消除纹波电流。这个电路的直流增益与前面的电路相同,但它会在输出电感和电容所决定的频率点上产生一对复数极点。由于滤波电路的总相位移为180°,因此补偿电路设计必须谨慎以免系统不稳定。补偿电路设计与采用丙类放大器的传统电压模式电源供应很类似,但比电路A多出两颗零件和输出电容。
  电路C则会重新安排输出电容的位置,使电路补偿更容易。LED两端的纹波电压与电路B很类似,只不过电感纹波电流会通过电流感测电阻R105,这在计算功耗时必须考虑。此电路的补偿设计几乎和电路A同样简单,直流增益也与前面两种电路相同。电路共有1个零点和2个极点,零点由电容和LED串联电阻产生。第一个极点由输出电容和电流感测电阻决定,第二个极点由电流感测电阻和输出电感决定。当频率很高时,此电路的响应与电路A相同。
  调光
  许多应用都需要LED调光功能,像是显示器亮度控制和建筑照明调整。LED调光方式有两种,一种是减少LED电流,另一种是让LED快速导通和截止。由于输出光强度不全与电流成正比,LED光谱在电流低于额定值时还常会,所以减少LED电流不是很有效率的做法。另外,人类的亮度感受还与光强度成指数关系,需大幅改变电流才能达到调果,这对电路设计造成很大影响,例如,电路容差(circuit tolerance)就能让3%的满负载电流误差在10%负载时增为30%以上。
  电流波形脉冲宽度调变()虽然提供更精确的亮度调整,但响应速度要特别注意,如照明和显示器应用就必须让PWM速度超过100Hz,否则看起来会有闪烁的感觉。假设PWM频率为100Hz,那么10%的脉冲宽度就已进入毫秒范围,是故电源供应必须提供10kHz以上的带宽。图9中的A和C简单回路都能轻易达到此要求。图11是包含PWM调光功能的降压转换功率级电路,会不停接通和切断LED与电路的联机。这种架构让控制回路永远处于工作状态,故能提供非常快速的瞬时响应 (见图12)。
本文来自: 赛微电子网-电子工程师社区 原文地址:
  
 图11:利用Q1对LED电流进行脉冲宽度调变http://www.srvee.com/power/apply/LEDqddygzyljyy_52667.html

图12:PWM技术提供1μs以内的LED切换速度
  结语
  尽管LED应用日益流行,仍有许多问题需要解决。例如,LED在注重可靠性与安全性的汽车市场的应用虽已大幅成长,但汽车电路系统的电源环境其实相当严苛,所以保护电路设计必须能够承受60V以上的电压突降。
本文自赛微电子网http://www.srvee.com/power/apply/LEDqddygzyljyy_52667.html
sairvee
  • 积分:508
  • |
  • 主题:116
  • |
  • 帖子:7
积分:508
LV6
高级工程师
  • 2011-5-26 11:46:32
  • 倒数7
 
发这篇文章累死我了,好多图片哦,希望我费这么大劲给大家分享的大家会喜欢,本文转自赛微电子网
雷霆万钧
  • 积分:3316
  • |
  • 主题:70
  • |
  • 帖子:1244
积分:3316
LV8
副总工程师
  • 2011-5-26 12:55:11
  • 倒数5
 
辛苦你了,看着确实有点累,最好分段一下,图片有点小
banma2001
  • 积分:1623
  • |
  • 主题:15
  • |
  • 帖子:600
积分:1623
LV6
高级工程师
  • 2011-5-26 12:02:01
  • 倒数6
 
这个资料说的有点问题,调节电流是比较高效的方法,LED的光通-电流曲线都有这样的特点,LED电流从0开始上升时,曲线的斜率较大,到达某点后,曲线的斜率开始慢慢降低,也就是说,在那个电流点后,光效在逐渐下降,而PWM调光,如果开通时的电流超过曲线上的那个点的电流,那么PWM调光的光效比相同光通量情况下调节LED电流的光效要低的多,而且绝大多数的LED这个最大光效电流点比LED的额定电流低得多,因此在正常的应用里,调节电流调光是效率最高的方式,不过调节电流调光也是色温变化最大的方式,PWM调光是色温变化最小的方式,而效率是最差的,应用的时候完全看应用需求
sairvee
  • 积分:508
  • |
  • 主题:116
  • |
  • 帖子:7
积分:508
LV6
高级工程师
  • 2011-5-27 10:13:59
  • 倒数4
 
这位指定是行家了~~~ 我也就是看着文章不错发来给大家共享下有啥问题可以多多指点指点......
mamsungwei
  • 积分:464
  • |
  • 主题:5
  • |
  • 帖子:23
积分:464
LV6
高级工程师
最新回复
  • 2011-6-27 14:36:42
  • 倒数1
 
深圳市铭城光华科技有限公司是一家集方案开发,产品设计和元器件供应为一体的综合性企业。公司下设技术开发中心,专注国际照明领域的最新动态和发展,推广环保节能的照明工程。先后设计并推出单一芯片驱动的一体化紧凑型荧光灯(CFL)、高压气体放电灯(HID)、可调光荧光灯电子镇流器、可调光LED驱动电源系列方案,相关产品广泛应用于民用,商用,车用以及特种照明领域。
专业、专注、专心”的企业精神铸造铭城光华科技今日的品牌!自公司成立以来,我们得到NXP(PHILIPS) ,INFINEON, ST,IR等知名品牌半导体厂商和通路商的鼎力支持,并始终坚持以优质产品配合卓越完善的技术服务,以满足客户需求为企业未来发展的最高目标。欢迎国内外同行和客户莅临指导合作!
以下是目前我司致力推介方案:
*NXP恩智浦半导体照明系列驱动芯片
UBA2014T(P):荧光灯可调光电子镇流器驱动IC
UBA2024P/T: 内置MOS节能灯电源控制IC
UBA2028T:内置MOS可调光IC节能灯电源控制IC

UBA2211A/B/C:内置MOS节能灯驱动IC
UBA2037T(TS): 车用HID全桥驱动IC
SSL2101T: 内置MOS可调光LED开关电源控制芯片

SSL2102T: 内置MOS可调光LED开关电源控制芯片

SSL2103T: 可调光LED开关电源控制芯片(MOS外置+)
TEA1532AT:
开关电源控制芯片
*INFINEON英飞凌半导体照明系列产品
ICB1FL02/03G: 荧光灯,高性能电子镇流器控制芯片

ICB2FL01/02G: 可调光智能荧光灯控制器
TDA4863-2/2G: PFC 功率因数校正集成电路 DIP8/SOP8
ICE3B0365J: 内置CoolMOS隔离式电流型开关电源控制芯片
ICE3B0565J: 内置CoolMOS隔离式电流型开关电源控制芯片
SPD04N60C3: COOLMOS 4.5A 600V 0.95ohm 50W DPAK(TO252)
SPD07N60C3: COOLMOS 7.3A 600V 0.6ohm 83W DPAK(TO252)
*STMicroelectronics
意法半导体:
L6562/D: PFC功率因数校正集成电路
DIP8/SOP8
L6574/D: 电子镇流器控制驱动集成电路
DIP16/SOP16

相应方案的应用及元器件供应事宜,请联络我们的客服代表。黄生
服务专线:TEL:+86-755-8301 3948,8301 4048,FAX:+86-755-8301 4248

QQ:1206629028 MSN:msghzw@hotmail.com

HTTP://WWW.MAMSUNG.COM E-mail:msghzw@hotmail.com
lz20060508
  • 积分:2804
  • |
  • 主题:51
  • |
  • 帖子:1015
积分:2804
LV8
副总工程师
  • 2011-5-28 08:29:31
  • 倒数3
 
谢谢分享!
kob1981520
  • 积分:941
  • |
  • 主题:1
  • |
  • 帖子:229
积分:941
LV6
高级工程师
  • 2011-6-21 22:56:39
  • 倒数2
 
热门技术、经典电源设计资源推荐

世纪电源网总部

地 址:天津市南开区黄河道大通大厦8层

电 话:400-022-5587

传 真:(022)27690960

邮 编:300110

E-mail:21dy#21dianyuan.com(#换成@)

世纪电源网分部

广 东:(0755)82437996 /(138 2356 2357)

北 京:(010)69525295 /(15901552591)

上 海:(021)24200688 /(13585599008)

香 港:HK(852)92121212

China(86)15220029145

网站简介 | 网站帮助 | 意见反馈 | 联系我们 | 广告服务 | 法律声明 | 友情链接 | 清除Cookie | 小黑屋 | 不良信息举报 | 网站举报

Copyright 2008-2024 21dianyuan.com All Rights Reserved    备案许可证号为:津ICP备10002348号-2   津公网安备 12010402000296号