LED与驱动技术.pptx

题 目：LED与驱动技术Jason zou目目 录录LED及其特点及其特点1LED电源驱动电路设计电源驱动电路设计23 31设计要点设计要点目目 录录LED及其特点及其特点1LED驱动电路的设计驱动电路的设计2设计要点设计要点3 3LEDLED及其特点及其特点 什么是什么是LED LED是发光二极管的简称(Light Emitting Diode)LED是一种固体光源，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色有发光二极管。LED及其特点及其特点早期的早期的LEDLED：功率几十mW，光效最高1Lm/W，只能用于显示领域大功率大功率LEDLED：单管功率超过1W，光效超过20Lm/W，可白光可彩色，进入照明领域成为可能目前水平：目前水平：商用LED光效达160Lm/W(CREE，2011.1)，有些实验已达231Lm/W（CREE，2011.5）0.01W0.5W1W3WLEDLED照明照明的优点的优点节能高光效：能耗较白炽灯减少80%稳定性：长寿命，高流明维持率安全：低电压带来更好的安全性环保：无有害金属汞小型化：LED芯片3-5mm正方形,可制成各种形状,易隐蔽响应时间：白炽灯响应时间为毫秒级，LED灯为纳秒级，且开关次数与寿命无关控制灵活：轻松控制颜色与亮度变化，实现多种控制模式全固态，抗振性能好冷光束，无紫外线（UV）辐射LED照明技术的主要应用领域照明技术的主要应用领域景观照明景观照明交通信息显示交通信息显示道路、桥梁照明道路、桥梁照明室内照明室内照明大屏幕显示大屏幕显示汽车照明汽车照明LED背光源（手机、背光源（手机、MP3、液晶电视）、液晶电视）LED照明技术的应用领域照明技术的应用领域 LED及其特点及其特点LED是一种可发光的二极管，除了具有发光特性外，还具有普通半导体整流二极管的特性。LED的伏安特性曲线可以划分为正向特性区、反向特性区和反向击穿区LED伏安特性曲线LED的伏安特性的伏安特性LED的伏安特性的伏安特性OA段：正向死区 VA为开启LED发光的 电压。比如红色（黄色）LED的开启电压一般为0.20.25V。AB段：工作区在这一区段，一般是随着电压增加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。但在这个区段内要特别注意，如果不加任何保护，当正向电压增加到一定值后，那么LED的正向电压会减小，而正向电流会加大。如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。OC段：反向死区 LED加反向电压是不 发光的（不工作），但有反向电流。这个反向电流很小，一般在几A之 内CD段：反向击穿区 LED的反向电压一般不要超过10V，最大不得超过15V，否则就会出现反向击穿，导致LED报废。LED伏安特性曲线 LED的伏安特性并不是固定的，是随着温度而变化的，所以在恒压供电时，LED电流随温度变化而变化，因为LED的伏安特性具有负温度系数的特点。LED伏安特性的温度系数 （1）单向导电；（2）LED有门限电压。LED的门限电压和正常工作时的正向 压降与LED的光色有关；（3）具有非线性的伏安特性曲线，电流与电压不成正比；（4）LED光通量随电流增大而增加，但不成正比；（5）对温度敏感，结温升高时，光输出减少，正向电压降低；（6）离散性较大LED的基本特性的基本特性LED的基本工作条件的基本工作条件（1）输入直流电压不低于LED正向压降；（2）采用直流电流或单向脉冲电流驱动；（3）对LED电流加以限制，以防止LED损坏；（4）由于LED电流与其光通量之间的非线性关系，LED应该 在光效比较高的电流值下工作；（5）优良的散热设计。电源的设计电源的设计LED电源的质量直接制约了电源的质量直接制约了LED产品的可靠性产品的可靠性，因此，国际市场上国外客户对因此，国际市场上国外客户对LED驱动电源的效驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高，因为电源在整个兼容的要求都非常高，因为电源在整个LED应用应用中的作用就好比像人的心脏一样重要。中的作用就好比像人的心脏一样重要。LED为什么要恒流驱动为什么要恒流驱动1、LED是一个非线性器件,正向电压的微小变化会引起正向电流的很大变化！3.3V时为20mA的LED，用三节干电池供电，新电池电压可达4.5V，电流超过100mA，大了5倍，很容易烧毁2、1W大功率LED，如果正向电压变化10%（从3.4V降低到3.1V）,会引起正向电流从350mA降低到100mA,变化3.5倍LED为什么要恒流驱动为什么要恒流驱动3、LED是一个半导体二极管,它的伏安特性随温度而变化(-2mV/oC)假如用恒压电源供电:温度增加至85度,正向电流从20mA增加至35-37mA,而亮度不增加。温度降低至-40度时,正向电流从20mA降低至8-10mA,亮度降低。所以用恒压源供电是不合适的,而需要用恒流源供电。LED为什么要恒流驱动为什么要恒流驱动LED为什么要恒流驱动为什么要恒流驱动一般我们认为LED调光只要改变驱动的电流就可以了。从下面的图表可以看出如果改变驱动电流，调光会改变其发光的光谱,而改变色温。LED如何来调光如何来调光所以采用PWM调光，才不至于改变其光谱。如果需要采用PWM调节亮度，就必需要用驱动器才能实现。PWM 调制方式是开关电源中最常采用的控制方式，通过负载端反馈信号与内部产生的锯齿波进行比较，输出一路恒频变宽的方波信号对开关管进行控制，根据负载状况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。工作波形如图。为什么要用为什么要用PWM驱动驱动LED1、用PWM驱动LED，LED的发热量小。LED的损坏或光衰基本上都是灯芯过热造成的。从大量实验来看，在相等的平均电流的情况下，采用PWM方式比模拟方式灯芯温度会低很多。2、用PWM驱动LED，不会改变其光谱。3、可以和数字控制技术相结合来进行控制。4、即使在很大范围内调光，也不会发生闪烁现象。5、可以有极高的调光精确度。6、在负载较重的情况下效率很高，电压调整率好，线性度高，输出纹波小，适用于电流或者电压控制模式存在以下缺点：输入电压调制能力弱，频率特性较差，轻负载下效率下降。其他调制模式其他调制模式PFM控制这种控制方式具有以下优点：在负载较轻时效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者电压控制模式。存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。PSM 控制方式具有以下优点：在负载较轻时率很高，工作频率高，频率特性好，功率管开关次数少，适用于小功率电源管理IC。存在如下缺点：输出纹波大，输入电压调整能力弱。脉宽调光要注意的问题脉宽调光要注意的问题1、脉冲频率的选择因为LED是处于快速开关状态，假如工作频率很低，人眼就会感到闪烁。为了充分利用人眼的视觉残留现象，它的工作频率应当高于1KHz。2、对发声的器件要加以处理。3、脉冲的峰值电流要小于LED标称电流的120%。4、注意PWM的调节步长。LEDLED驱动电源的概念驱动电源的概念 原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作照明光源就要解决电源变换问题。LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件，LED驱动应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特点。开关电源开关电源 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。PWM控制ICMOSFET开关电源的工作流程开关电源的工作流程 当市电进入电源后，先经过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号，然后经过整流和滤波得到高压直流电。接着通过开关电路把直流电转为高频脉动直流电，再送高频开关变压器降压。然后滤除高频交流部分，这样最后输出供设备使用相对纯净的低压直流电。开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。开关电源的电路组成方框图如下：LED 的特性决定了使用不同的开关电源拓扑结构会影响其性能，LED 需要恒流驱动，同时其 I-V 特性决定了其输出电压的自稳压特性，其个体参数的离散性决定了使用不同的连接方式会影响其最终性能。反激变换器由于体积小，结构简单，广泛适用于小于 100W 的场合。由于正激变换器有 LC 输出滤波器二阶极点补偿困难的问题，所以在用恒压电源控制芯片实现恒流功能的 LED 恒流驱动开关电源设计中，反激式拓扑结构有一定的优势。下面以介绍 LED 恒流驱动开关电源是反激式变换器结构，是 220V 市电输入的设计为例。主电路设计主电路设计将分别介绍主体电路的设计，钳位保护电路的设计，功率因数校正电路（PFC）的设计，EMI 滤波器的设计和反馈电路的设计。介绍 LED 恒流驱动开关电源主体电路的设计。参数是输入电压220VAC(1 5%)，恒流输出方式，输出电流 0.7A，输出电压 20V。预计效率为 80%，密封工作环境。直流输入电压和电流的计算：因为 220V 市电有波动，所以需要计算最小直流输入电压 Vmin，最大直流输入电压 Vmax和直流输入电压Vnom。用于计算开关管耐压、最大占空比、初次级匝比和桥式整流管参数等.对于变压器初级电流，需要计算初级平均电流对于变压器初级电流，需要计算初级平均电流Iavg，初级等效直流电流，初级等效直流电流Iprms和初级峰值电流和初级峰值电流Ipp。用于计算初级绕组线径、开关管参数、桥式整流管参数和变。用于计算初级绕组线径、开关管参数、桥式整流管参数和变压器参数等。压器参数等。对于变压器次级电流，需要计算次级峰值电流对于变压器次级电流，需要计算次级峰值电流ISP，次级等效直流电流，次级等效直流电流ISRMS和输出电容纹波电流和输出电容纹波电流IRIPPLE。用于计算次级绕组线径、输出整流管参数、输出电容。用于计算次级绕组线径、输出整流管参数、输出电容和采样电路参数等。和采样电路参数等。输入整流电路即桥式整流电路，选择桥式整流管需要考虑二极管的耐压输入整流电路即桥式整流电路，选择桥式整流管需要考虑二极管的耐压VR和导通电流和导通电流ID。根据计算，可以选用用。根据计算，可以选用用4个个IN4006根据计算，考虑 RCD 电路对输出整流管的影响。选择的输出整流二极管应当具备正向压降低、反向漏电流小、反向恢复时间短等特点。选择快速恢复管MUR420（规格 VR=200V、ID=4A）。实际使用时选用肖特基管效率会更高，但由于肖特基管耐压较低，最大耐压已经接近计算值，出现过整流管击穿的现象。输出电容的大小直接影响输出电压纹波，反激式变换器可以没有输出滤波电感和电容，同时由于LED的恒流设计，所以电容取值应大于恒压控制的电源。由于设计的输出电压比较高，等效电阻低的钽电容耐压较低，耐压较高的钽电容容量又较小。实际设计制作时，通常用2个或多个铝电解电容，紧靠输出端用23个高耐压小容量的钽电容并联减少输出电容的等效电阻。钳位电路设计钳位电路设计反激变换器在开关管关断时向次级提供能量，在开关管关断时，初级会产生由次级反射的电压，感应电压的极性和直流输入电压相同，开关管此时需要承受直流输入电压加次级反射电压。由于反射电压有电压尖峰存在，所以必须有钳位电路保证反向感应电压和直流输入电压之和不超过开关管的最大耐压。功率因数校正电路的设计功率因数校正电路的设计在开关电源领域，任何使输入电网电流为非正弦波，或即使是正弦波但和正弦输入电压不同相位，或使输入电流具有谐波的电路结构都会降低功率因数从而产生功率损耗。功率因数校正电路可以分成有源功率因数校正和无源功率因数校正两大类。LED恒流驱动开关电源的功率较小，所以使用无源功率因数校正电路。EMI 滤波器的设计滤波器的设计在开关电源中，电磁干扰主要来源于功率开关器件产生的 du/dt 和 di/dt，其频率从开关电源的工作频率到几十 MHz。在开关电源的设计中，EMI 滤波器是抑制传导干扰的滤波器。市电电网与电源输入端之间，加装一个 EMI 滤波器，不仅能有效地抑制电网上的传导干扰，还对传输线上发射出的辐射干扰有一定的抑制作用。特别是对于 LED 恒流采样反馈电路，电磁干扰会使恒流反馈控制电路产生误操作。EMI 滤波器是由电感和电容构成的低通滤波器安装在电网与开关电源之间。EMI 滤波器会允许 50Hz 的电力信号通过，而对频率相对较高的噪声信号有较大的衰减作用。EMI 滤波器的插入损耗不仅与滤波器网络本身有关，同时还和噪声源的阻抗、负载的阻抗有关。设计的时候都要将这些因素详细考虑，使得设计的结果更加优良。反馈电路的设计反馈电路的设计反馈电路是开关电源设计的关键，反馈电路的设计直接影响电源的性能。常规的电源控制芯片是基于恒压控制设计的，用恒压控制芯片实现 LED 恒流控制，关键是反馈电路的设计。系统稳定的第一准则：在开环增益为 1 的频率处，系统所有环节的总开环相位延迟必须小于 360。系统稳定的第二准则：为防止-40dB/10 倍频程电路相位快速变化，系统的开环增益曲线，在剪切频率附近的增益斜率，应为-1。系统稳定的第三准则：在开环增益为 1 的频率处，相位余量要大于 45。恒流反馈电路是通过采样电阻，把驱动 LED 的电流信号转化为电压信号，在对采样电压信号进行放大处理后送到控制芯片的反馈端口。恒流反馈设计的目的就是把采样的电压信号和传统的恒压控制芯片的反馈端口进行匹配，即电气性能和幅频特性的匹配，使恒压控制芯片实现恒流功能。变压器电路设计变压器电路设计变压器是开关电源的核心，其设计的好坏直接影响到开关电源的性能，特别是在 LED 恒流驱动开关电源中，由于变压器寄生参数的影响，使得输出电流含有较大的噪声，会导致恒流反馈电路和电源芯片的误操作，使得电源不能稳定恒流。AP 法是一种常用的变压器设计方法。使用 AP 法设计时，先求出磁芯窗口面积 Aw与磁芯有效截面积 Ae的乘积 Ap，再根据 Ap值选择合适的磁芯。AP 法设计变压器的过程就是通过下式计算 Ap，然后根据此 Ap值选择满足需要的磁芯，再计算满足需要的初级匝数和次级匝数，根据电流密度 J 计算所需导线面积。选用开关管内置电源控制芯片因为芯片内部集成开关管，所以整个电源结构简洁，工作稳定，效率高。近几年开关管内置电源控制芯片发展迅速。现阶段 LED 恒流驱动开关电源的功率普遍较小，大都在 30W 以内，这个功率正是开关管内置芯片适用的范围。如在这项目中选用的德国PI公司的芯片：集成了一个 700V 的功率 MOSFET、振荡器、高压开关电流源、电流限流(用户可选)及热关断电路，频率抖动降低 EMI 滤波成本，自偏置，精确的迟滞热关断保护并具备自动恢复功能。PWM 电源控制芯片开关管外置开关电源控制芯片，可以使用各种变换器的拓扑结构，设计灵活。经过二十多年的发展已经很成熟，可以选择的芯片种类很多，典型的控制芯片如UC3842，UC3825 等。PWM控制芯片选用士兰微SA7527 是一个简单、高效的功率因子校正电路。电路内置 R/C 滤波器，并自带电流感应电路，还有特殊的防击穿电路。此电路适用于电子镇流器和所需体积小，功耗低，外围器件少的电源。输出驱动器钳位电路还可以限制功率 MOSFET管的驱动阈值。提高了系统的可靠性。LED 专用控制芯片可以恒流驱动 LED。近几年迅速发展的专用芯片，种类较多。大多内置开关管并且低压直流驱动，功率普遍较小（小于 10W），外围电路简单。台湾通泰积体公司的 TT3150.两级驱动 LED 恒流开关电源 PCB 图两级驱动 LED 恒流开关电源样机实物图LEDLED电源设计要点电源设计要点高可靠性：特别是对LED路灯的驱动电源，安装在高空中，维修不方便成本也高。高效率：LED是节能产品，电源的效率要高，特别是对于安装在灯具内部的电源更为重要，因为LED的发光效率随LED温度的升高而降低。电源效率越高，损耗越少，在灯具内发热量小，可以降低灯具内温升，对延缓LED光衰有利。功率因数：功率因数是电网对于负载的要求，一般70W以下的电器没有功率因数的要求，小功率的低功率因数负载大量同时使用的话，会对电网造成较严重的污染。LEDLED电源设计要点电源设计要点驱动方式：主要有两种，一个是多路恒流，一个恒压源供多个恒流，每个恒流源给一路LED串供电；还有一个是直接恒流，LED串联或者并联运行。浪涌保护：浪涌电流是指电网中出现的短时间象“浪”一样的高电压引起的大电流。当某些大容量的电气设备接通或断开时间，由于电网中存在电感，将在电网产生“浪涌电压”，从而引发浪涌电流。LED由于本身特性的原因，抗浪涌能力较差，特别是反向抗压能力，因此加入浪涌保护电路非常必要。保护电路：除常规的欠压保护、过压保护、过流保护外，最好加入温度反馈电路，因为LED温升对寿命及发光效率都有影响，防止LED温度过高对LED寿命及延长光衰有利。LEDLED电源设计要点电源设计要点 符合安规及电磁兼容的要求 安规就是安全规范，目前是指电子产品在设计中必须保持和遵守的规范。安规的特点是：安规强调对使用和维护人员的保护，是我们使用电子产品方便同时，不让电子产品给我们带来危险，同时允许设备部分或全部功能丧失。安规是使用安全规范来考虑电子产品，使产品更加安全。电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）是在电学中研究意外电磁能量的产生、传播和接收，以及这种能量所引起的有害影响。电磁兼容的目标是在相同环境下，涉及电磁现象的不同设备都能够正常运转，而且不对此环境中的任何设备产生难以忍受的电磁干扰之能力。谢谢！谢谢！