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LED驱动电源技术

LED 驱动电源
led 驱动电源的简介 LED 的发光原理是在它两端加上正向电压,使半导体中的少数载流子和多数载流子发生 复合,放出过剩能量,从而引起光子的发射.LED 驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒 流电源,同时按照 LED 器件的要求完成与 LED 的电压和电流的匹配. led 驱动电源的要求 LED 驱动电路除了要满足安全要求外,另外的基本功能应有两个方面: 一是尽可能保持恒流特性,尤其在电源电压发生±15%的变动时,仍应能保持输出电流在 ±10%的范围内变动.用 LED 作为显示器或其他照明设备或背光源时,需要对其进行恒流驱动, 主要原因是: 1、避免驱动电流超出最大额定值,影响其可靠性. 2、获得预期的亮度要求,并保证各个 LED 亮度、色度的一致性. 二是驱动电路应保持较低的自身功耗,这样才能使 LED 的系统效率保持在较高水准. PWM(脉宽调制)技术是一种传统的调光方式,它利用简单的数位脉冲,反覆开关 LED 驱动 器,系统只需要提供宽、窄不同的数位式脉冲,即可简单地实现改变输出电流,从而调节 LED 的亮度.该技术的优点在于能够提供高品质的白光,以及应用简单,效率高。 升压是 LED 驱动电路的重要任务,而电感升压和电荷泵升压是两种不同的拓扑模 式."由于 LED 是由电流驱动的,而电感在进行电流转换时效率最高,因此电感升压方式最大 的优点就是效率高,可以超过 90% 无论在照明应用还是背光应用领域,提高驱动电路的转换效率都是产品设计者必须面对 的问题.提高转换效率,不仅有利于可携式产品延长待机时间,同时也是解决 LED 散热问题的 重要手段.在照明领域,由于使用大功率 LED,因此提高转换效率就显得尤为重要. LED 在工作时需要有稳流、稳压的元件,但是此类元件应具备自身承担的分压高,但功耗 要小的特性,否则将使具有较高效率的 LED 因为驱动电路的工作功耗太大而使总体系统的效 率大为降低,有悖于节能高效的宗旨.所以应尽可能不采用电阻或串联稳压电路来作为 LED 驱动器的限流主电路,而应该采用电容、 电感或有源开关电路等高效电路,这样才能保证 LED 系统的高效率.采用串联式集成恒功率输出电路,可以使 LED 的光输出在很宽的电源范围内 保持恒定。 LED 驱动电路概述 1. 概述 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.作为一种新的光源,近年来各大公司和研究机构对 LED 的研究方兴未艾,使其光效 得以大大提高,昆士莱公司目前已研发并生产出光效达到 100Lm/W 以上的白色 LED,已达到 白炽灯的水平.和白炽灯的相比较,LED 在性能上具有很多优点,见下表:

表 1 白炽灯与白色 LED 的性能比较 随着对 LED 研究的进一步深入,其光效将进一步得到提高,而其成本将一步下降,在不 久的将来 LED 取代白炽灯甚至荧光灯而发展成 21 世纪的一种主要的照明光源将成为一 种趋势. 新的光源呼唤新的大功率 LED 驱动器, 天下明科技已于近几年开始了 LED 驱动电路 的研究,拥有自主知识产权,在此研发领域已占据了世界领先的地位. 2. LED 驱动电路概述 与荧光灯的电子镇流器不同,LED 驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源, 并同时完成与 LED 的电压和电流的匹配.LED 的正向伏安特性如图 1 所示:

LED 驱动电路拓扑结构 功能:将交流电压转换为直流电压,并同时完成与 LED 的电压和电流匹配。 1)LED 驱动电路的拓扑结构图

T1 AC 220V C

R

LED

图 2.2.1 简单 LED 驱动电路拓扑结构 组成:电源隔离变压器、AC/DC 整流器、C 滤波、R 限流,R 应该比 LED 的正等效电阻 RS 要大, 这样才能克服 LED 电流输入电压和环境温度等因素而产生的变化, 但从效率角度却 不应取的太大。仅适用于固定的并且 LED 数量较少的 LED 阵列。 2)高档的 LED 驱动电路结构

T? AC VC EMI DC PFC C Trans Q Vref C1
驱驱

D1

D2

D3

D4

控控

基基

图 2.2.2 高档的 LED 驱动电路结构 组成:EMI 滤波器、 AC/DC 整流器、PFC 功率因数校正,隔离变压器、驱动器、电压 电流反馈和控制器以及 MOSFET 管。 功能:克服因输入电压、环境温度引起 LED 灯光颜色易变的弊端,功率因数达 0.9,THD 在 20%以下,寿命 50000h,完成从 1%~100%调光功能,过压过流保护功能。 LED 驱动电路主体结构采用 Fly back 拓扑结构,MOSFET 的通断由控制 IC 控制,在向负 载提供直流电压的同时,不仅实现功率因数校正,也完成负载与电流的隔离。通过电压和电 流反馈,电路将一个基准电压或电流信号 Sref 与 LED 负载电压或电流信号 Shoad 送入信号控制 器与之进行比较,误差信号经过处理后送回初级 IC 中进行处理,当负载电流因各种因素而 产生变化时,初级控制 IC 可以通过控制开关使负载电流回到初始设计法。 电容降压式 LED 驱动器 1)LED 的电容降压电路 LED 的电容降压电路利用两只反向并联的 LED 对降压后的交流整流,应用于夜光灯、按 钮指示。

R1 C D2 AC R2 D1

图 2.2.3 简单 LED 电容降压电路 2)采用压敏电阻的电容降压 LED 驱动电路。
D1 R1 C1 C2 C3 D3 D4 R3 R2 D1 D2 Dn

图 2.2.4 压敏电阻的电容降压 LED 驱动电路 C1 降压限流,VD1~VD4 整流,C2、C3 滤波,耐压为负载电压 1.2 倍, RV 压敏电阻(或瞬 变电压抑制二极管),作用将输入电流中瞬间脉冲高压对地泄放掉,保护 LED 不被瞬间高压 击穿。LED 串联数量正向导通电压 VI 而定,V1 耐压 400V 以上的涤纶电容。 3)采用可控硅的电容降压 LED 驱动电路 可控硅 SCR 和 R3 组成保护电路,当流过 LED 电流大于设定值时,SCR 导通一定角度,从 而对电流分流作用,使 LED 工作于恒流状态,从而避免 LED 因瞬间高压而损坏。

D1 D1 R1 C1 AC C2 C3 0.01uF Dn D3 D4 7K5 R2 Q1 SCR D5 1N4001 D2 R3

图 2.2.5 可控硅的电容降压 LED 驱动电路

DC-DC 变换器 作用:将各种直流的电压变换为另一电平直流电压。 基本原理:通过开关器件,首先对输入直流进行高频斩波,然后将可得高频脉冲变换到 合适的电平,再经整流滤波恢复到所需的直流输出值。 DC-DC 变换器拓扑结构 基本类型: ①非隔离开关变换器, 非隔离开关变换器在工作期间输入源和输出负载共用 一个共同的电流通路。 ②隔离开关变换器, 隔离开关变换器输入电流到负载的能量转换是通过一个变压器或其 他磁通耦合磁性元件来实现。 1)非隔离开关变换器 ①降压式变换器

L + VIN IGBT-N
图 2.3.1 降压式变压器(a) (D 为占空比)
L + Q IGBT-N

Q? C VD

+ Uo -

VIN >VO VO/N=D ②升压变压器

2.3.1

VD +

VT

C

Uo -

-

图 2.3.2 升压式变压器(b) VIN<VO

2.3.2

Vo 1 = VIN 1 ? D
③升降压式变换器
Q VD L VT VIN + C Uo

2.3.3

+

IGBT-N

图 2.3.3 升降压式变换器 输出电压平均 VO 大于或小于输入电压 VIN ,它们的极性相反

Vo = ? D(1 ? D) VIN

2.3.4

| VIN | > | VO |, D <0.5, | VIN | < | VO | D >0.5 | VIN | < | VO |
④逆向变换器 将输入电压变换成一较低的反相输出电压

2.3.5

Vo = ? D (1 ? D )(| VIN | > | VO |) VIN
2)隔离式 DC/DC 变换电路 ①单端正激 DC/DC 变换电路
L0 T Nr VD2 Np VIN VDr Q SGND Ns VD1 C0 RL

2.3.6

GND

图 2.3.4 单端正激 DC/DC 变换电路 T1:隔离变压作用 L0:续流电感,起能量储存和传递作用 VD1:整流 VD2:续流 Nr:复 位绕组,实际应用中,此绕组用 RCD 吸收电路取代。 特点:变压器使用无气隙磁芯,铜损小,温升小,纹波电压小,必须增加储能电感 L0, 一次二次绕组极性是相同的。 原理:当功率管通时,变压器一次绕组中电流建起,变压器中将有正向历磁电流流过, 由于二次绕组与一次相同,所以输入电能通过变压器耦合,直接传递到二次回路,并通过正 偏二极管 VD,在向负载传递的同时,也储存在电感中,当管子截止时,变压器绕组的电压 反转,二次回路中二极管 VD 反偏截止,而续流二极管 VD2 正偏导通,将储存在电感 L0 的能 量馈送给负载。 Nr 绕组和二极管 VDr 供变压器退磁之用,即在功率管截止期间 Dr 二极管正偏导通,形成 反向激励电流,使磁芯中残存能量返回输入直流端。 ②单端反激 DC/DC 变换器
L0 T Cr Rr VD2 Np VDr VIN Q SGND Ns VD1 C0 RL

GND

图 2.3.5 单端反激 DC/DC 变换电路 T1:变压器,起隔离、传递、储存能量的作用。即在开关管 θ 导通时 NP 储存能量,开 关管 θ 关断时,NP 向 NS 释放能量,在输出端加电感 L0 和电容 C0 组成低通滤波,Cr、Rr、VDr 组成 RCD 漏感尖峰吸收电路,输出回路 VD1 整流。 优点:电路结构简单,适用于 200W 以下电路,多路输出交调特性较好。

③双管正激 DC/DC 变换器

Q1

VD1 T VD3 L0

VD4 Np VIN Q2 VD2 SGND Ns

C0

RL

GND

图 2.3.6 双管正激 DC/DC 变换电路 T1:变压器,其隔离变压作用 L0:续流电感(能量储存和传递)变压器初级无需再有复 位绕组,因为 VD1、VD2 的导通限制了两个调整管关断时所承变的电压。VD3:整流 VD4:续流。 ④双管反激 DC/DC 变换器

Q1

VD1 T VD3 L0

VD4 Np VIN Q2 VD2 SGND Ns

C0

RL

GND

图 2.3.7 双管反激 DC/DC 变换器电路 θ1、θ2 开通时储存能量; 1、θ2 关断时, P 向 NS 释放能量,同时 NP 的漏感将通过 VD1、 θ N VD2 返回输入信号,可省去 RCD 漏感尖峰吸收电路。 ⑤半桥 DC/DC 变换电路
C1 R1 Q1 VD3 T VD1 L0 Vo C0 VIN Np Ns VD2 RL

SGND Q2 C2 R2 VD4

GND

图 2.3.8 半桥功率变换器电路 T1 变压器起隔离、传递能量作用,θ1 导通时,NP 绕组上承受一半的输入电压,副边绕 组电压使 VD1 导通,反之亦然。VD1、VD2、L0、C0 输出回路。 特点:

a) 解决推挽功率变换电路失衡问题,又不增加任何电路复杂的功率变换电路,R1、C1、 R2、C2 分压作用,直流电压值约为 Vi 的 1/2,并且 C1=C2、R1=R2。 b) 功率变压器一次电压减少 1/2,相同功率输出条件下,管子工作电流将增大。 c) C3 的作用:因两管导通时间的差异所造成压差波形,也起隔绝任何直流进入变压, 防止变压器饱和,选用无极性薄膜电容。 o d) 两个调整管是相互交替打开的,波形相位差大于 180 ,但存在一定死区时间。 ⑥全桥 DC/DC 变换器
Vo C1 R1 Q1 VD1 L0 RL R3 C0 Q3 VD5 C5

VIN VIN VD5 VD6

Q2 C2 R2 VD2

C3 Np

T

Q2 C4

VD4 R4 C6

GND

图 2.3.9 全桥 DC/DC 变换器电路 主要特点:a)变压器利用率比较高,空载能量可以反馈给电网,电源效率高。 b)静态 A 静差,动态响应速度快,系统稳定,抗高频干扰能力强。 ⑦推挽式 DC/DC 变换器

Q1 VD3

T Np1 Ns1

VD1

L0 Vo C0 RL

VIN Np2 Q2 VD4 Ns2 VD2

图 2.3.10 推揽式 DC/DC 变换器电路 T1 起隔离、传递能量作用,在 θ1 开通时,变压器 T1 的 NP1 绕组工作并耦合到副边的 NS1 绕组,在开关管 θ1 关断时,NP1 向 NS1 释放能量,反之亦然。 在电路设计中,开关管两端应设有 RC 组成吸收电路,以吸收开关管关断时所产生的尖 峰浪涌。 特点:a) 在任何工作条件下,开关管都承受两倍的输入电压,用于大功率级 o b) 两开关管相互交替打开,两组驱动波形的相位差要大于 180 ,存在一定死区时间。 c)此电路与半桥变换器一样,也存在一定的偏磁问题。 ⑧电荷泵的工作特性 特点:a) 转换效率高,无调整电容式电荷泵的转换效率为 90%,可调式 85%。 b) 静态电流要小,可实现节能。 c)输入电压低,尽可能利用电池的潜能。 d)噪声小。 e)功能集成度高,尺寸小。 f)足够的输出调整能力。

g)成本低。 h)待机状态下,关闭电荷泵,消耗电流近乎于零。 基本工作原理:一个振荡器,一个反相器及四个模拟开关,外接两个电容 C1、C2 构成电 荷泵反转电路。振荡器输出脉冲信号控制 S1、S2,经反相器控制 S3、S4。

S1 VIN S2 C1

S3

S4

C2 Vo

UA 1 2

图 2.3.11 电荷泵原理图 a)当 S1、S2 闭合时,S3、S4 断开,输入正的电压+VIN 向 C1 充电(上正下负),C1 上的电 压+VIN。 b)当 S3、S4 闭合时,C1 向 C2 放电(上正下负),C2 上的电压为-VIN,即 Vo=-VIN。 当输出端可输出变换后负电压(电压转换率达 99%左右)。 电荷泵仅用外部电容即可提供+2 倍输入电压的输出电压,损耗主要来自电容器正极(等效 电阻)和内 P 开关管导通电阻,因不用电感,其辐射 EMI 可 AA,输入噪声小。


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