LED驱动电源.pptx

天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院主要内容1.LED电气特性电气特性2.LED驱动电源驱动电源3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑5.典型典型LED开关驱动电源开关驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院1.LED电气特性电气特性 1）.LED的的PN结结 LED的内部结构与二极管一样，由的内部结构与二极管一样，由PN结构成，具有结构成，具有单向单向导电性导电性，当，当PN结两侧的电势差达到结两侧的电势差达到PN结的是势垒电压时，结的是势垒电压时，PN结就会导电。但构成普通二极管硅材料并不适合用作结就会导电。但构成普通二极管硅材料并不适合用作LED材料，因为硅材料形成的材料，因为硅材料形成的PN结能量势垒太低（约结能量势垒太低（约0.7V)。PNPN单向导电单向导电普通二极管普通二极管发光二极管发光二极管天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院 红光红光LED GaAsP 磷砷化镓磷砷化镓 用作指示灯用作指示灯 1.LED电气特性电气特性天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院1.LED电气特性电气特性黄光黄光LED绿光绿光LED2）.LED的发光特点的发光特点.LED的发光光谱很窄，仅的发光光谱很窄，仅20nm宽，颜色很纯。宽，颜色很纯。.LED的发光亮度和波长受电流影响，电流加倍可以使亮度的发光亮度和波长受电流影响，电流加倍可以使亮度加倍，可用加倍，可用PWM（脉宽调制）。（脉宽调制）。天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院1.LED电气特性电气特性3）.LED的等效电路的等效电路 LED可以看成是恒压负载。它的压降取决于内部光子发射可以看成是恒压负载。它的压降取决于内部光子发射所需跃过的能量势垒。但半导体并非完美的导体，其中存在所需跃过的能量势垒。但半导体并非完美的导体，其中存在与恒压负载串联的等效电阻与恒压负载串联的等效电阻(ESR)。PNLEDLED等效电路等效电路ESR ESR大小可以用正导通压降的增加值除以流经电流的大小可以用正导通压降的增加值除以流经电流的增加值来求取。增加值来求取。天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院1.LED电气特性电气特性ESR与与LED的电流等级大致成反比。的电流等级大致成反比。低功率低功率20mA电流等级电流等级 ESR约为约为20。1W 350mA电流等级电流等级 ESR约为约为12。LED驱动电源的早期测试阶段，考虑到成本，可用稳压驱动电源的早期测试阶段，考虑到成本，可用稳压二极管串联二极管串联ESR来代替。来代替。如如 5W/3.9V的的稳压二极管可用来代替白光稳压二极管可用来代替白光LED作为负载作为负载天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院1.LED电气特性电气特性4）.LED导通压降导通压降颜色与颜色与LED导通压降的关系导通压降的关系红色红色 Vf=2V蓝色蓝色 Vf=3.5V天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院电流与电流与LED导通压降的关系导通压降的关系LED导通压降随着导通电流的增大而增大，但不能无限增大。导通压降随着导通电流的增大而增大，但不能无限增大。LED导通压降不具有一致性。导通压降不具有一致性。LED导通压降的偏差很大。导通压降的偏差很大。如如 单颗单颗1W 的的Luxeon Star型白光的正向导通压降典型值为型白光的正向导通压降典型值为Vf,typ=3.42V,但实际值中最小的仅但实际值中最小的仅2.79V,最大的达最大的达3.99V。正向。正向导通压降的偏差值高达导通压降的偏差值高达15%以上。以上。1.LED电气特性电气特性天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院2.LED驱动电源驱动电源1）.电压源驱动电压源驱动电压源特性电压源特性a.理想电压源特性理想电压源特性输出电压恒定，输出电流由输出电压恒定，输出电流由外电路负载决定，输出功率外电路负载决定，输出功率可以无穷大。可以无穷大。但不允许短路，但不允许短路，违背了基尔霍夫电压定律（违背了基尔霍夫电压定律（KVL)。天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院b.实际电压源特性实际电压源特性输出电压在一定输出电流范围内恒定，输出电流由外电路负载输出电压在一定输出电流范围内恒定，输出电流由外电路负载决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。不允许短路，不允许短路，否则会烧坏！但是一般电压源均有限流和短路保护电路。否则会烧坏！但是一般电压源均有限流和短路保护电路。2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院LED电压源驱动电压源驱动 用恒压电源来驱动恒压负载是非常困难的。因为电源用恒压电源来驱动恒压负载是非常困难的。因为电源输出电压和负载电压的差为输出电压和负载电压的差为ESR的压降，而的压降，而ESR的值通的值通常很小，所以常很小，所以ESR上的压降也很小。电源输出电压和负上的压降也很小。电源输出电压和负载电压的轻微变化就会导致载电压的轻微变化就会导致ESR电流变化很大。电流变化很大。2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院a.电压源无源电流控制电压源无源电流控制2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院 电压源无源电流控制常规方法是电压源无源电流控制常规方法是LED串中串联一个串中串联一个限流电阻，使其输出电流限制在一定范围内，使其稳定限流电阻，使其输出电流限制在一定范围内，使其稳定发光。发光。在考虑环境温度和器件电压变化量的情况下，电阻在考虑环境温度和器件电压变化量的情况下，电阻上的实际电压降应该保证电流保持在设定范围内。但是上的实际电压降应该保证电流保持在设定范围内。但是效率低，热损耗大，同时也要求电压源稳定。效率低，热损耗大，同时也要求电压源稳定。a.电压源无源电流控制电压源无源电流控制例例.5V/1A电压源驱动一个电压源驱动一个350mA 的的LED,其其Vf=3.5V,ESR=2。0.5W1W功率电阻功率电阻2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院b.电压源有源电流控制电压源有源电流控制2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院耗尽型耗尽型MOSFET的特性的特性VTH=-2.5V2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院耗尽型耗尽型MOSFET的限流电路的限流电路电阻上的电压随着流过电流电阻上的电压随着流过电流增加而增加，所以增加而增加，所以MOSFET源极比栅极电压高。换句话源极比栅极电压高。换句话说，相对于说，相对于MOSFET的源极，的源极，栅极电压越来越负，当电压栅极电压越来越负，当电压低到低到MOSFET的关断电压，的关断电压，MOSFET关断，可调节电流。关断，可调节电流。缺点：缺点：栅极阈值电压（栅极阈值电压（Vth）范围宽，限流电阻不好选择。）范围宽，限流电阻不好选择。优点：漏极到源极之间击穿电压高，可防止瞬时的短路。优点：漏极到源极之间击穿电压高，可防止瞬时的短路。2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院用线性调压电路构成限流电路用线性调压电路构成限流电路2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院2）.电流源驱动电流源驱动a.理想电流源特性理想电流源特性输出电流恒定，输出电压由输出电流恒定，输出电压由外电路负载决定，输出功率外电路负载决定，输出功率可以无穷大。可以无穷大。但不允许开路，但不允许开路，违背了基尔霍夫电流定律（违背了基尔霍夫电流定律（KCL)。2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院b.实际电流源特性实际电流源特性输出电流在一定输出电压范围内恒定，输出电压由外电路负载输出电流在一定输出电压范围内恒定，输出电压由外电路负载决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。不允许开路，不允许开路，否则会烧坏！但是一般电流源均有限压和开路保护电路。否则会烧坏！但是一般电流源均有限压和开路保护电路。2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院LED电流源驱动电流源驱动 用恒流电源来驱动用恒流电源来驱动LED是相对于电压源容易的。但是是相对于电压源容易的。但是单独电流源不能限制电压。如果电流源产生的电流比单独电流源不能限制电压。如果电流源产生的电流比LED所需的电流大，则需要所需的电流大，则需要均流电路均流电路。电流镜电流镜2.LED驱动电源驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院2.LED驱动电源驱动电源 当大量当大量LED模块可以并联时，具有调压功能的模块可以并联时，具有调压功能的LED驱驱动器是较好的选择，各个模块用各自的线性电流调节器。动器是较好的选择，各个模块用各自的线性电流调节器。当大量当大量LED串联连接时，调节电流功能的串联连接时，调节电流功能的LED驱动器驱动器是较好的选择。串联连接保证流过所有的是较好的选择。串联连接保证流过所有的LED电流相等，电流相等，并且各个并且各个LED发光亮度也基本相同。发光亮度也基本相同。考虑到效率，当驱动大功率考虑到效率，当驱动大功率LED时，具有恒流输出的时，具有恒流输出的开关驱动器较受青睐。效率可以达到开关驱动器较受青睐。效率可以达到75%90%。如果使。如果使用了恒压源，还需要在用了恒压源，还需要在LED上串联线性大电流电路，这上串联线性大电流电路，这样会导致电路效率降低。并增加电路的散热问题。样会导致电路效率降低。并增加电路的散热问题。天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源1）.线性电源线性电源优点：无任何优点：无任何EMI辐射，输出电压纹波小，成本低。辐射，输出电压纹波小，成本低。缺点：体积大，重量大，效率低。缺点：体积大，重量大，效率低。.线性电源基本原理线性电源基本原理天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源.电源性能指标参数电源性能指标参数a)稳压系数稳压系数 定义为负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与其输入定义为负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量之比电压相对变化量之比 Sr表明电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时表明电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时输出电压的变化愈小。输出电压的变化愈小。天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源c)电流调整率（负载调整率）电流调整率（负载调整率）b)电压调整率电压调整率 在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量出电压产生的变化量Uo，称为电压调整率。，称为电压调整率。在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量输出电压产生的变化量Uo，称为电流调整率，也称为，称为电流调整率，也称为负载调整率。负载调整率。d)电源效率电源效率天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源.稳压电路及其工作原理稳压电路及其工作原理T 为调整管为调整管DZ 为稳压管为稳压管A 为线性放大器为线性放大器串联稳压电路串联稳压电路天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院 T 为大功率调整管，工作于线性为大功率调整管，工作于线性放大状态放大状态，输入电，输入电压和输出电压相差越大功耗越大，效率很低。调整管极压和输出电压相差越大功耗越大，效率很低。调整管极限参数的确定必须考虑输入电压由于电网波动而产生的限参数的确定必须考虑输入电压由于电网波动而产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的影响。影响。.线性电压调节器线性电压调节器LM317调压器调压器IADJ很小可以忽略不记。很小可以忽略不记。3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院 LM317调压器的派生器件包括正电压输出模块调压器的派生器件包括正电压输出模块(LM78XX)和和负电压负电压输出模块输出模块(LM79XX)。要求输入电压和输出电压之间由电压差，且输出电流需要的要求输入电压和输出电压之间由电压差，且输出电流需要的电压差越大，其典型值为电压差越大，其典型值为1-3V。线性线性LED驱动电路一个缺点是效率低，效率规定为驱动电路一个缺点是效率低，效率规定为LED电压电压与输出电压的比，如果输入电压高于与输出电压的比，如果输入电压高于LED电压，则其效率就低，电压，则其效率就低，引起发热，加散热片，体积和成本增加。引起发热，加散热片，体积和成本增加。注：注：当输入电压仅比当输入电压仅比LED电压高一点时，线性电源效率电压高一点时，线性电源效率也可以很高，甚至比开关电压调节效率高。也可以很高，甚至比开关电压调节效率高。3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院LM317调压器构成的恒流电路调压器构成的恒流电路3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院运算放大器构成的恒流电路运算放大器构成的恒流电路 线性电源局限性在于，线性电源局限性在于，LED电压必须低于电源电压，电压必须低于电源电压，因为线性电源不能提高其输出电压高于输入电压。因为线性电源不能提高其输出电压高于输入电压。3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院2）.开关电源开关电源优点：效率高、体积小、重量轻优点：效率高、体积小、重量轻缺点：缺点：EMI、成本高、成本高ACDCACDC3.线性电源与开关电源线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑1）.开关电源电路分析方法开关电源电路分析方法 各功率开关管（三极管或二极管）换流时刻作为各功率开关管（三极管或二极管）换流时刻作为各开关模态的转换时刻。各开关模态的转换时刻。假设条件充分合理。假设条件充分合理。a.开关管均为理想开关，导通压降为零，关断电开关管均为理想开关，导通压降为零，关断电阻为无穷大。阻为无穷大。b.大电容等效为恒压源，大电感等效为恒流源。大电容等效为恒压源，大电感等效为恒流源。天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院2）.开关电源基本电路拓扑开关电源基本电路拓扑a.降压型降压型BUCK变换器变换器Q、D为理想开关管为理想开关管C充分大，输出电压基本不变。充分大，输出电压基本不变。假设条件：假设条件：4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院开关模态开关模态14.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院开关模态开关模态2根据伏秒积平衡原理，可推得根据伏秒积平衡原理，可推得D=Ton/T 占空比占空比4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院电压控制型电压控制型BUCK变换器变换器电压控制电压控制PWM波形波形4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院电流控制型电流控制型BUCK变换器变换器电流控制电流控制PWM波形波形4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院b.升压型升压型BOOST变换器变换器Q、D为理想开关管为理想开关管C充分大，输出电压基本不变。充分大，输出电压基本不变。假设条件：假设条件：4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院开关模态开关模态1开关模态开关模态2根据伏秒积平衡原理，可推得根据伏秒积平衡原理，可推得4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院c.推挽型推挽型DC/DC变换器变换器推挽型推挽型DC/DC变换器变换器 4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院模态模态1 模态模态2 模态模态3 4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院驱动脉冲驱动脉冲4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院d.半桥型半桥型DC/DC变换器变换器半桥型半桥型DC/DC变换器变换器 4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院模态模态1 模态模态2 模态模态3 4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院驱动脉冲驱动脉冲4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院e.全桥型全桥型DC/DC变换器变换器全桥型全桥型DC/DC变换器变换器 4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院模态模态1 模态模态2 模态模态3 4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院驱动脉冲驱动脉冲4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院e.反激式反激式DC/DC变换器变换器反激式反激式DC/DC变换器变换器 4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院模态模态1 模态模态2 驱动脉冲驱动脉冲 4.开关电源电路拓扑开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院5.典型典型LED开关驱动电源开关驱动电源1）.降压型降压型LED驱动电路驱动电路 降压型降压型LED驱动电路驱动电路天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院2）.升压型升压型LED驱动电路驱动电路 升压型升压型LED驱动电路驱动电路天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院3）.直流应用中的降压电路直流应用中的降压电路 天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院4）.交流输入时的降压电路交流输入时的降压电路 天津工业大学电气工程与自动化学院天津工业大学电气工程与自动化学院谢谢大家！谢谢大家！