大功率LED照明电路特性与驱动设计精.docx
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大功率LED照明电路特性与驱动设计精
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收稿日期:
2008-04-01
大功率LED照明电路特性与驱动设计
王雅芳1,2
(1.福建水电学院,福建永安366000;2.厦门大学,福建厦门362000
摘 要:
文章从LED的发展现状出发,介绍了LED照明的特点和LED的光学特性参数。
同时对照明灯具典型的驱动电路进行研究并做了总结。
基于实际情况,设计了一款照明灯的实用驱动电路。
从实验的角度论证了LED光源代替传统白炽灯光源的可行性和必要性,并对实际测量结果进行对比,使最终的结果具有实用性。
关键词:
LED;特性分析;驱动电路;照明设计
中图分类号:
TM910.2 文献标识码:
A 文章编号:
1681-1070(2009
04-0020-05
High-powerLEDLightingCircuit’sCharacteristicsandDriverDesign
WANGYa-fang1,2
(1.Fujiancollegeofwaterconservancyandelectricpower,Yong’an366000,China;2.XiamenUniversity,
Xiamen362000,China
Abstract:
FromthedevelopmentstatusoftheLED,controllighttypicalofthedrivercircuitonthecharacteris-ticsofLEDlightingandLEDopticalparameters,thelightingonatypicaldrivecircuitandasummary.Basedontheactual,lightingdesignofapracticaldrivingcircuit.ExperimentalprooffromtheperspectiveoftheLEDlightsourceinsteadofthetraditionalincandescentlightonthefeasibilityandnecessity.Theactualmeasurementresultswerecompared,demonstratingthepracticalityofconclusion.Keywords:
LED;characteristicanalysis;drivingcircuit;lightingdesign
1引言
20世纪60年代问世的LED在短短的40多年间取得了飞速发展。
第一批产品出现在1968年,工作电流20mA的LED的光通量只有千分之几流明。
20世纪70年代初该技术进步很快,发光效率达到1lm/W,颜色也扩大到红色、绿色和黄色[1]。
LED从诞生至今以每10年亮度提高20倍、价格降低为原来的1/100的速度在发展。
伴随着新材料的发明和光效的提高,单个LED光源的功率和光通量也在迅速增加。
2003年我国已把上海、大连、厦门、南昌等4个城市设
立为国家半导体照明产业示范基地。
2005年中国
LED的产量已经达到262.1亿只,市场规模更是突破百亿元大关,达到114.9亿元。
快速发展的LED技术使得LED在照明工程中的应用也越来越广泛。
对于大功率LED照明电路,无论哪种电源,都不可能直接给LED供电,如要应用LED做照明光源,就要解决电源驱动的问题[1]。
本文首先介绍了LED照明的特点和LED光学特性参数,其次从LED的驱动电路入手,详细地对现有照明驱动电路进行了特性分析,并在理论上和实验中对LED驱动电路同实际测量结果进行了对比,使最终的结果具有实用性。
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第9卷第4期2LED照明特点和特性分析
2.1LED的特点
LED(LightEmittingDiode发光二极管,是一种固态半导体器件[1]。
目前来看,LED毕竟是一种新型材料和技术,由于其本身具有的优良特性,LED光源在很多领域有着其他光源无法替代的优势。
LED由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓、GaP(磷化镓、GaAsP(磷砷化镓等半导体制成,它是利用固态半导体芯片作为发光材料,在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射[2],直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色光。
图1LED发光原理示意图
图2LED结构图
图36个白光LED的正向I-V曲线
图4C-Y坐标系统
2.2大功率照明LED特性测试
作为照明光源,我们关心的大功率LED的性能指标主要有亮度、光强、色坐标、色温、显色指数和发光效率[3]。
虽然大功率白光LED是当前的研究热点,但是关于其电学、光学特性的报道还很少,下面主要就搜集到的大功率LED的相关特性进行了整理。
2.2.1I-V特性
I-V特性是表征LED芯片PN结性能的主要参数
[4]
。
图3显示的是不同白光LED之间,甚至是从同一
产品批次中随机挑选的LED之间的正向电流电压特
性的差异。
可以看出,在恒定电压的驱动下,不同LED上流经的正向电流大小不同,导致发出的白光亮度不同。
2.2.2LED照度特性
有些光束集中于狭小的立体角内的照明器,用极坐标难以表达清楚时,就用直角坐标表示,以纵轴表示光强,以横轴表示光束的投射角,用这样的方法绘制的曲线称为直角坐标配光曲线。
室内和街道照明灯具通常是在我们正常的工作位置上进行测量的,这时,坐标系统的参考点正好取在灯具下面。
一般情况下最常用且国际照明委员会推荐的是C-Y
坐标系统[5],C代表经度平面角度,角Y从最低点开始计量。
为了发展照明LED技术,发达国家都非常重视LED测试方法及标准的研究。
例如美国国家标准检测研究所(NIST组织国际知名测试专家开展LED测试的研究,重点研究LED发光特性、温度特性和光衰特性等测试方法,试图建立整套的LED测试方法和技术标准,在LED测试方面已经走在了世界的
王雅芳:
大功率LED照明电路特性与驱动设计
电子与封装第9卷第4期
前列。
在我国,半导体发光二极管测试方法目前尚
无相应的国家标准,近年来,中国光协光电器件专
业分会陆续组织了多次半导体发光二极管测试方法
的学术研讨和交流,由于某些仪器制造的技术水平
以及对LED测量标准的认识差距,除了上述特性分
析以外,还增加了显色特性、结温等参数的测量方
法,为照明LED产品的发展提供了极为重要的依据。
3典型驱动电路分析
3.1LED驱动电路的研究
(1LED是单向导电器件,由于这个特点,就
要用直流电流或者单向脉冲电流给LED供电。
(2LED是一个具有PN结构的半导体器件,具
有势垒电势,这就形成了导通门限电压,加在LED
上的电压值超过这个门限电压时LED才会充分导
通。
LED的门限电压一般在2.5V以上,正常工作时
的管压降为3V~4V。
(3LED的电流-电压特性是非线性的,流过LED
的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势后再除以回路的总电阻(电源内阻、引线电阻和LED体电阻之和。
因此,流过LED的电流和加在LED两端的电压不成正比。
(4LED的PN结的温度系数为负,温度升高时LED的势垒电势降低。
由于这个特点,LED不能直接用电压源供电,必须采用限流措施,否则随着LED工作时温度的升高,电流会越来越大,以至损坏LED。
(5流过LED的电流和LED的光通量的比值也是非线性的。
LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加,但却不成正比,越到后来光通量增加得越少。
因此,应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。
3.2常见的几种典型驱动电路
根据LED的特性分析和背光照明应用时对光源的要求,都需要对LED进行专门的电源管理。
目前,白光LED驱动电路的选择策略和应用介绍按照芯片驱动类型大致分为恒流源、电荷泵和开关电源三种类型,按照负载连接方式分为串联型、并联型和串并混联型[3],如图5、6、7所示。
LED发光强度与通过二极管的电流成正比,有几种方法可以使多个LED的发光强度达到近似匹配,一种是将每条支路LED与稳压源并联配置,一
图5串联驱动电路
图6并联驱动电路
图7混联型驱动电路
种是将所有的二极管串联配置,但在个别情况下,也可采用混合的并联/串联配置方式,使通过每个二级管的电流都相同。
为保证可靠性,驱动LED的电流必须低于LED额定值的要求,但当环境温度升高时所允许的额定电流会降低[4]。
通常,当温度由25℃升高至85℃时,额定电流由30mA下降至6mA。
若采用恒压驱动方式,LED正向导通后,外加正向电压的细小变动都将引起正向电流的很大变化,从而有可能导致其超过额定电流。
基于这些原因不难得出这样的结论:
用恒压方式驱动白光LED方案的可靠性较差,为使多只白光LED具有匹配的亮度和色度,应选用恒流驱动方式来驱动它们。
4串联饱和恒流驱动电路结构和工作原理串联饱和型恒流驱动电路旨在实现当电源电压或环境温度发生变化时,均可为标准工作电压为3.5V、工作电流为350mA的单个大功率照明LED提
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第9卷第4期供恒定的驱动电流[5]。
串联饱和型恒流驱动电路的结构框图如图8所示。
该串联饱和型恒流驱动电路的工作原理如下:
基准电压源产生3.3V和1.5V两个基准电压,其中1.5V的基准电压经输出缓冲电路后送入误差运算放大器的反相端,该误差运算放大器的输出控制功率MOSFET和传感MOSFET的栅压,使其恒定在1.8V,并由此获得相应的驱动电流。
传感电流在取样电阻R上产生取样电压,3.3V基准电压与该取样电压的差值作为反馈电压反馈回误差运算放大器的同相输入端,并与反相输入端的电压即由基准电压源产生的1.5V基准电压比较,对输出电压进行调整,进而对传感MOSFET的传感电流进行调整,使整个闭环反馈系统处于动态的平衡中,以达到稳定功率管的驱动电流的目的。
5驱动电路结果分析
实验用的大功率照明LED,采用1W白光LED,对这种大功率LED灯进行了正向电流电压特性测试以及脉冲电流和直流供电时LED照度特性的测试。
正向电流电压特性测试可以在照明LED两端加正向电压,记录下不同正向压降下的正向电流,用描点法得到LED灯的正向电流电压特性曲线,由此方法我们可以测出照明LED的开启电压约为3V,当正向电压为3.25V时,电流为350mA[6]。
下面针对环境温度和驱动电流的变化进行分析,实验室测量光学量的仪器只有照度计,所以唯一可以得到的光学方面的测试数据只有照明LED的照度。
由图9可以看出,当温度由0℃上升至90℃时,电流由349.94mA下降至349.70mA,仅变化0.24mA,达到恒流控制精度指标要求。
对脉冲供电状态下照明LED的照度进行测试,
图8串联饱和型恒流驱动电路结构框图
图9环境温度和驱动电流变化图
表1直流供电方式下照明LED的照度
表2周期500Hz、占空比50%的脉冲电流供电方式
下LED的照度
并与直流供电状态下的照度进行对比。
表1、2中示出了直流和脉冲两种供电方式下照明LED的照度。
可以看出,以平均电流为20mA、40mA、60mA的脉冲电流驱动照明LED时,距离LED灯1cm处的照度与用恒定的20mA、40mA、60mA直流电流驱动时几乎完全一致,充分说明脉冲电流的平均值是决定脉冲供电状态下照明LED照度的唯一因素。
6小结
从实验中可以看出,1W大功率LED的驱动电流恒定在350mA,该恒流驱动电路可实现在5V电源电压有10%跳变的情况下,驱动电流的变化被控制
王雅芳:
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电子与封装
第9卷第4期
在1.7%以内的可能。
在环境温度由25℃升高至90℃时,驱动电流仅减小1.1%。
LED照明目前还只能用于一些特殊场合,广泛适用的照明光源应该是白光LED,而目前国内外已研制出的白光LED光效还不够高,功率也不够大,价格较贵[7]。
如果要求全面取代目前普遍适用的白炽灯或荧光灯等,尚有一些技术上的难题需要研究解决,如LED光通量有待进一步提高,发出的光与自然光仍有一定的差距等等。
通过合理的光学设计,LED照明有望应用到更多的领域,比如在家用照明、背景光源、指示照明以及在汽车尾灯上的应用等。
参考文献:
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2007.
[2]王声学,吴广宁,蒋伟,等.LED原理及其照明应用[J].
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32-33.
[3]沈慧.大功率照明LED恒流驱动芯片的设计[J].浙江大
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[4]郑代顺,钱可元,罗毅.大功率发光二极管的寿命试验
及其失效分析[J].半导体光电,2005,26(2:
88-90.[5]J.R.柯顿著,陈大华,刘九昌,徐庆辉,等译.光源与照
明[M].上海:
复旦大学出版社,2000.
[6]张赫.白光LED驱动电路的IC芯片设计[J].大连理工大
学学报,2006.
[7]王乐.关于LED应用于照明的研究和设计[J].浙江大学学
报,2005.
作者简介:
王雅芳(1978-,女,福建泉州人,厦门大学控制工程专业工程硕士,主要研究方向为电子信息技术研究和教学、电气工业控制与智能决策支持系
统。
图8正常工艺生产的环氧模塑料经MSL3后的结果
图9二次挤出生产的环氧模塑料经MSL3后的结果
图10经方法(2处理后生产的环氧模塑料经MSL3后的
结果
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