大功率LED驱动电路精.docx
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大功率LED驱动电路精.docx
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大功率LED驱动电路精
实验二十一大功率LED驱动电路
一、实验目的
1、了解大功率LED的性能特点;
2、了解大功率LED驱动电路的工作原理及其特点。
二、基本原理
1、大功率LED的发展历程
纵观人类照明史,先后经历了火光照明、白炽灯照明、荧光灯照明。
LED发光二极管作为加入照明家族的新成员,正处于蓬勃发展阶段。
1998年白光LED的开发成功,使得LED应用从单纯的标识显示功能向照明功能迈出了实质性的一步。
从1998年开发成功的白光LED以来短短的十多年时间里,发光效率从最初的5lm/W不断提高,到现在商用已达150lm/W,实验室已达200lm/W,其发光效率已经超过荧光灯。
目前,大功率白光LED已进入商用和民用市场,除了常规的LED夜景灯,LED庭院灯、LED路灯、LED隧道灯已随处可见。
预计不久的将来,随着大功率LED发光效率的不断提高以及价格的不断下降,白光LED将会取代传统照明光源成为通用照明灯进入千家万户。
2、LED的优缺点
与传统的照明灯相比,LED具有如下优点:
(1寿命长,可靠耐用,维护费用低廉。
LED可连续使用10万小时,大功率LED寿命也可达5万小时以上,比普通白炽灯泡长100倍;
(2效率高、耗电小。
现在商用大功率已经可以达到1501m/w,最终可达到200lm/W。
LED的光谱几乎全部集中于可见光区域,其发光效率可达80%~90%,比节能灯还要节能1/4。
以12英寸的红色交通信号灯为例,若采用低光效的140W白炽灯作为光源,所产生的2000lm的白光经红色滤光片后损失90%,只剩下2001m的红光,而采用18个红色LED即可产生同样的光效,但其耗电仅为14W(包括电路损失;
(3绿色环保:
由于采用电致发光的原理,不像荧光灯含有汞成分,废物可以回收,并且光谱中几乎没有紫外线和红外线,故没有辐射,是很好的绿色照明光源;
(4点亮速度快。
汽车信号灯是LED光源应用的一个重要领域,由于LED响应速度快(ns级,在汽车上安装高位LED刹车灯,可以减少汽车追尾事故的发生;
(5适用性广泛:
LED元件的体积可以做得非常小,更加便于各种设备的布置和设计,适合于各种场合;
(6控制管理:
LED可以集中控制,也易于分散控制或对点进行调节控制,通过控制电路很容易调控亮度,实现多样的动态变化效果。
尽管LED具有许多优点,但目前仍存在下述缺点:
(1功率低。
市面上的单个LED功率一般在10W以下,这是目前LED难以成为照明首选的最大瓶颈;
(2需要严格控制工作温度。
LED是一种半导体材料,与普通二极管一样具有PN结,由于大功率LED的工作电流比较大,所以与功率半导体器件相同,需要考虑散热问题,结温过高会直接影响LED的寿命,并且会增大LED的光衰,情况严重的会将LED烧坏;
(3价格高。
除了功率低,价格是LED难以大规模应用的主要因素。
目前1W级白光LED大约15元/个,如果将几十个LED组合,其成本将大大增加;
(4驱动电路复杂、昂贵。
大功率LED属于低电压、大电流功率器件(1W级白光LED正向电压约为3.5V,正向电流为350mA,必须用直流恒流驱动,驱动电路还要解决从交流电压(220V或110V向直流低压(如24V或48V高效转换问题,因此驱动电路较复杂、昂贵。
总体而言,LED光源在很多领域有着其他光源无法替代的优势,具有广阔的发展前景。
虽然高昂的价格还限制着LED灯进入家庭照明,但从长远来看LED必将替代传统电光源。
功率LED最早由HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装结构的LED,并于1994年推出改进型的“SnapLED”,有两种工作电流,分别为70mA和150mA,输入功率可达0.3W。
单芯片瓦级功率LED最早由Lumileds公司于1998年推出的LuxeonLED,该封装结构首次采用热电通路分离的形式,将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上,并采用反射杯、光学透镜
和柔性透明胶等新结构和新材料,如图1所示,现可提供单芯片1、3、5W的大功率LED。
Osram公司于2003年推出单芯片的“GoldenDragon”系列LED,输入功率可达1W。
图2~4为不同封装形式的1W大功率LED的外形图。
图3大源光电公司1WLED正向I-V曲线
图1Cree公司XLamp系列大功率LED封装结构示意图(左;Philips公司Lumileds系列大功率LED封装结构示意图(右。
图2Cree公司XLamp系列大功率LED外形图(左;
Philips公司Lumileds系列大功率LED外形图(中;
Osram公司大功率LED外形图(右。
2大功率LED的特性图3为本实验采用的1WLED(生产厂商:
台湾大源光电科技股份有限公司,TaYuan
LightingTechnologyCompany,型号:
WS-
AL040XSZ-092型,黄色光的正向I-V特性
曲线。
由曲线可知,LED工作电流较小时,
它与正向电压具有明显的非线性关系;当正向
电流超过某个值(本例约150mA后,正向电流
近似与正向电压成正比,如图中直线所示。
另
一方面,由图1中的I-V曲线可知,IF变化速
度明显比VF的变化速度更快,即如果LED正
向电流从其额定工作值(350mA减小到
315mA(10%,VF只减小45mV(约1.2%;
若LED正向电流从350mA增大到385mA,VF只增大43.7mV(约1.2%,由此可见,外
加工作电压的微小变化将引起LED工作电流
较大的变化从而引起亮度的较大变化。
这是大功率LED必须用恒流驱动的主要原因。
此外,通常LED的伏安特性具有负温度系数,大约为-2mV/℃。
如果LED工作温度升高,其正向导通电压下降,如图4所示。
如果采用恒压源供电,LED工作温度越高,其正向导通电压越小从而导致其工作电流越大,这是个正反馈过程,如果LED散热面积不够则会导
致其工作温度迅速增大,LED可能因为过热而加速老化甚至损坏。
因此,基于大功率LED正向电压的微小变化可引起正向电流的较大的变化和伏安特性具有负温度系数两方面因素,大功率LED必须采用恒流源而不是恒压源供电。
图4大功率LED伏安特性随温度变化曲线图5CreeXLampXR-E系列大功率LED相对
发光强度随正向工作电流变化曲线
图6CreeXLampXR-E系列大功率LED相对
发光强度随温度变化曲线大功率LED相对发光强度随正向工作电流的变化情况如图5所示,由图可知,在LED工作电流变化很大的范围内(0~400mA,其相对发光强度近似与工作电流成线性关系,如图中虚线所示;工作电流继续增大,相对发光强度增大的速度逐渐减小最终趋于饱和。
因此,不能单纯依靠提高LED的工作电流来增大其发光强度,这是因为一方面提高正向工作电流其发光强度增加值有限;另一方面,正向工作电流提高会导致LED温度升高,而LED温度升高又会导致其发光强度和寿命的下降,如图6,7所示。
图6是CreeXLampXR-E系列大功率LED相对发光强度与温度关系曲线,由图可知光通量与温度成反比,温度为85℃时的光通量
是25℃时的85%。
图7为PhilipsLumileds系列大功率LED寿命与结温关系曲线,由图可知,当结温从115℃提高到135℃,就会使寿命从5万小时降低到2万小时。
就目前技术而言,在LED的发光效率还没有提高到极高的程度,因此,良好的散热是LED保持恒定亮度的保证,同时,还需要尽量改善其散热来延长LED的寿命。
图8、9分别为台湾大源光电科技股份有限公司生产的色温为2900K(浅黄色和5600K(白色的大功率LED的光谱分布图。
目前大功率LED大多采用功率型InGaN基蓝光LED为激发源,激发黄色无机荧光粉或黄色有机荧光染料,由激发获得的黄光与原有蓝光混合,调控它们的强度比即可产生各种色温视觉效果的白光。
图中峰值波长460nm的主峰即为InGaN基蓝光LED的发光峰,波长更长的发光来源于荧光粉的受激发光。
图7PhilipsLumileds系列大功率LED寿命与结温关系曲线
R
e
l
a
t
i
v
e
S
p
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r
a
l
P
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b
u
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i
o
n
Wavelength(nm
图8色温为2900K的1WLED发光光谱图9色温为5600K的1WLED发光光谱4、大功率LED的驱动电路
由于受到LED功率水平的限制,通常需同时连接多个LED以满足亮度需求,因此,需要专门的驱动电路来点亮LED。
了解驱动电路之前,先把LED的特性总结如下:
(1、LED是一个电流驱动的低电压单向导电器件,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;
(2、由于LED性能参数的离散性,其正向压降变化范围比较大(最大可达1V以上。
而由图3I-V曲线可知,VF的微小变化会引起较大的IF变化,从而引起亮度的较大变化。
因此,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性,并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。
同时LED的PN结的温度系数为负,温度升高时LED的正向压降降低,随着LED工作温度的升高,电流会越来越大,以至损坏LED。
由于这个特点,所以LED不能直接用电压源供电,必须采用恒流源供电;
(3、LED的发光强度与LED的正向电流具有非线性关系,LED的发光强度在一定范围内随着流过LED的电流增加而增加,继续增大正向电流,LED发光强度增加幅度降低甚至饱和,因此,应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作;
(4、LED也和其他光源一样,所能承受的电功率是有限的。
如果加在LED上的电功率超过一定数值,LED也可能损坏。
LED的光输出特性同样受输入电压和温度等因素的影响,在PN温度升高时,空穴和电子复合的数量增多,使激发光子的数量减少,从而导致LED亮度降低;
(5、当温度变化时,半导体的能级也发生变化,LED的发光颜色也将发生变化。
综上所述,设计制作LED驱动电路时需要考虑如下因素:
(1、高可靠性:
大功率LED在工程应用中常需要在极端条件下(高温、高湿,如LED路灯,隧道灯;长工作时间,如液晶背光源工作,并且目前大功率LED价格昂贵,因此,对驱动电路可靠性要求很高以减小后期维护费用;
(2、高效率:
驱动电路的效率越高,灯具的总体电光转换效率越高,其节省能源的优点也就越得以体现;另外,驱动电路的效率越高,产生的热量越低从而其可靠性也就越高。
采用太阳能电池供电时效率显得尤其重要,因为效率越高,需要的太阳能电池功率也越低,系统的成本也就越低;
(3、低成本:
为满足特定照度要求,一个灯具常需要使用几十甚至几百个大功率LED,而一个驱动电路只能驱动有限个LED,因此,一个灯具中常有多组驱动电路并联使用,此时必须考虑驱动电路本身的成本以降低工程造价;
(4、驱动电路的输出电流、电压要与被驱动的LED的技术参数相匹配,满足LED的要求,可以对LED电流电压的大小进行控制调节;
(5、具有较好的调光功能,以满足不同应用场合对LED发光亮度调节的要求;
(6、在LED开路、短路、驱动电路故障等异常状态,能够对电路、LED和使用者都有相应的保护作用;
(7能够在输入电压和环境温度等因素发生变化时对LED电流电压大小进行有效控制。
LED驱动电路大体上可分为线性驱动电路和开关驱动电路两大类,线性驱动电路又可以
例如,如果稳压电源的输出电压为12V,驱动一串3个1WLED,假设LED的正向电压为3.2V,工作电流为350mA,则限流电阻的阻值为(Ω≈×−=86.635.32.312R,取标称值6.8Ω,则(mA3538.632.312≈×−。
电路效率:
((%80353.012353.032.3=×××==AVAVPPioη
由此可见,电阻限流电路简单,但是,在输入电压波动时,通过LED的电流也会跟随变化,因此调节性能差。
同时,由于电阻R的接人损失的功率为,因此效率低。
另外,实际应用时应该注意LED正向电压会随温度升高而下降,因此,计算限流电阻时应留有余量。
比如用额定LED正向电流值的90%~95%计算限流电阻,对于1WLED,可取值为320~330mA,经计算限流电阻取值为7.5Ω。
这样,LED工作达到热平衡后其正向电流才不会超过额定值。
实际上,由于该种驱动方式的明显缺点,目前市面上几乎没有采用这种方式驱动大功率LED。
RIF24.2线性恒流源驱动方式
线性稳流调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或MOSFFET作为一动态可调电阻来控制负载。
线性调节器有并联型和串联型两种。
图11(a所示为并联型线性调节器又称为分流调节器(图中仅画出了一个LED,实际上负载可以是多个LED串联,下同,它与LED并联,当输入电压增大或者LED减少时,通过分流调节器的电流将会增大,这将会增大限流电阻上的压降,以使通过LED的电流保持恒定。
图11(b所示为串联型调节器,当输入电压增大时,调节动态电阻增大,以保持LED上的电压(电流恒定。
该电路实际上是个电流负反馈电路,其输出回路中引入反馈电阻Rsense,输出电流Io经反馈电阻Rsense,得到一个反馈电压Vf=Io*Rsense。
该电压加到运算放大器的反相输入端。
设运放
的同相端和反相端的电压为V+、V-。
由运算放大器的理想特性可得:
sense
REFosenseoREFRVIRIVVVIIVV=
==≈==−+−+−+0
(3
由此可知,输出电流Io只取决于VREF和Rsense,而与输入电压Vi无关。
因此,确定VREF
和Rsense值之后,输出电流即可在输入电压变化一定范围内保持恒定。
由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压,因此,输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和,电路才能正确地工作。
由于分流调节器需要串联一个电阻,所以效率不高,并且在输
图11线性恒流源电路原理图
(a并联型恒流源(b串联型恒流源
利用常用的三端集成稳压器(如LM7800系列、LM317等可组成线性LED恒流驱动器。
以LM317为例,LM317属于三端可调整输出正电压调整器,其输出电压范围为1.25~37V,最大输出电流1.5A。
LM317的使用非常简单,只用两个外部电阻就可设置输出电压值。
内部电路同时还具有电流限制、过热关闭、安全补偿等功能。
图12(a为LM317外形图,图12(b是LM317内部框图。
图12(c是LM317作输出电压可调整三端稳压器的典型应用。
工作时,在输出端(2与调整端(1维持着1.25V的参考电压(Uref,该参考电压是由电路内部恒流源设定的。
输出电压可由下式设置:
2121RIRRUUadjrefOUT
+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝
⎛+=(4
由于Iadj只有100μA,因此在使用时后一项常可忽略不计。
调节R1、R2的比例关系即可调整输
出电压。
由图12(b的框图可以看出,由于输出端与调整端维持着1.25V的参考电压,如果将电阻串联在输出端与负载间,而将串联电阻上的电压降反馈到调整端,就可构成输出电压可调整而输出电流恒定的电路,即串联型恒流源(参见图11(b,如图12(d所示。
输出电流近似可按下式计算:
sense
OUTRI25
.1=
(5式中Rsense为电流检测电阻,其值可由下式计算得到:
OUT
senseIR25
.1=
(6例如,驱动1WLED时,由上式可得Ω≈=57.335..1sense
R,可取标称值3.6Ω。
此
时电阻消耗功率为
因此,可选用3.6Ω/1W电阻器。
WRIP44.06.335.02
2≈×==
的功耗,提高电路的转换效率。
4.3开关调节器
开关调节器也称DC-DC功率变换电路,它的基本原理是通过开关器件首先对输入直流电压进行高频斩波,然后将所得的高频脉冲变换到合适的电平,再经整流滤波恢复成所需的直流输出值。
高频斩波信号对输入直流而言,相当于是一种调制信号,因此,DC-DC功率变换电路有时也称为高频调制型DC-DC功率变换电路。
为维持功率变换电路输出电压稳定不变,通常需采用脉冲宽度调制(PWM、脉冲频率调制(PFM或PFM/PWM混合调制。
尽管高频调制型DC-DC功率变换电路的名目繁多,形态各异,但本质上可归为两大类,六种基本电路,即属于电感性能量传递的降压型(Step-down,也称BUCK功率变换电路、升压型(Step-up,也称BOOST功率变换电路和极性倒置型(Buck-Boost功率变换电路,以及属于电容性能量传递的CUK功率变换电路、Zeta功率变换电路和Sepic变换电路。
目前市场上常见的大功率LED驱动集成电路大多基于电感性能量传递的DC-DC功率变换电路,因此,下面只介绍这三种电路的基本工作原理。
基于电荷泵的驱动电路虽然具有很多优点,但就目前而言,其输出功率还较小,因此只适用于小功率应用场合,有兴趣的同学可参阅参考文献[1]、[2]对其作进一步的了解。
o
(a
(b
(c
Ui+U
U
Ui+U
U
I
图13降压型功率变换电路及相关波长
(a基本电路;
(bV开启导通;
(cV关闭截止;
(d波形图
4.3.1降压型功率变换电路
降压型功率变换电路的基本电路结构如图13(a所示。
当开关器件(功率晶体管V受外部基极驱动脉冲激励导通时,二极管VD反偏截止,输入电压除了向负载供电外,还提供一部分能量储存于电感L和电容C中;当开关器件受外部驱动脉冲作用关闭截止时,电感L上产生极性为左负右正的反电势,使二极管VD正偏导通,电感L中储存的能量传送给负载,维持输出电压不变。
电感L的作用是起到开关器件导通储能和开关器件截止后的续流作用,二极管VD称为续流二极管。
降压型功率变换技术成熟、电路简单可靠、效率高,因此,大多数开关型大功率LED驱动芯片都是基于该项技术的,但是,Buck变换器是降压变换器,不适用于输入电压低或者多个LED串联的场合。
目前,降压型LED驱动芯片已有完整的产品链可供选择,输入电压覆盖范围宽(5~600V、输出驱动电流大(350mA~5A,基本可以满足1W、3W、5W、10W等全系列大功率LED的要求。
典型产品有英国Zetex公司的ZXLD1350/1360,美国国家半导体公司的LM3402(HV/3405(HV,美国Maxim公司的MAX16801/16802,美国AnalogDevices(ADI公司的AD8240,美国Linear公司的LT3437/LT1766/LT1976/LTC1772/LTC3731,台湾台晶科技公司的T6317/6325等等。
这些产品有些主要针对高端应用如工业照明、汽车照明、液晶电视机背光照明等,该领域应用主要要求驱动器性能可靠、能在恶劣环境下正常工作、具有大对比度调光功能等,价格相对较昂贵,如Linear、ADI公司的系列产品;有些主要针对民用和商用领域,该领域应用更多考虑的是性价比。
因此,选择驱动器时需要根据应用场合、输入电压、串联LED数量、输出电流等多方面予以综合考虑。
对于性能接近的产品,还可根据电路效率、外围元件数量、保护电路等方面作进一步筛选。
总体而言,可靠性、效率、保护功能是挑选的最主要考虑因素,价格相对而言并不是最重要的,因为大功率LED应用中,除了
驱动电路外,还有热设计、二次光学等方面成本,相对于后者,驱动电路占总成本的比例并不高。
下面介绍一款降压型功率变换电路ZXLD1350,它是由ZetexSemiconductors(捷特科公司生产的,用于驱动输入电压比LED总压降更高的一个或多个串联LED。
器件工作电压范围为7-30V,输出电流由外接元件调节,最高可高达350mA。
取决于供电电压和外围元件,器件提供高达8W的输出功率。
ZXLD1360与ZXLD1350管脚完全兼容,外围元件也完全一样,区别在于前者输出电流更大,最高可达1A。
ZXLD1350内含输出开关控制器和高端输出电流检测电路,通过一个外接电阻设置平均输出电流大小。
通过外接控制信号至“ADJ”引脚,可调节输出电流大于或小于设置值。
该电路具有外围元件少、效率高(最高可达95%、工作电压范围宽(7-30V、输出关闭保护和LED开路保护、开关频率高(最高可达1MHz、可用直流电压和PWM信号调节亮度等特性。
可应用于汽车照明、低压工业照明、LED背光、LED路灯等。
图14ZXLD1350管脚排列图(上;
工作原理框图(右
ZXLD1350采用小型SOT23-5封装,图14为其管脚排列图和工作原理框图。
其中管脚1(LX为内部NDMOS开关管漏极,外接电感和续流二极管;脚2(GND为接地端;脚3(ADJ兼具开/关和亮度控制功能,当其悬空时,器件正常工作,接地时关闭器件输出电流,接直流电压或PWM信号时可调节输出电流,接一个电容器到地可增加软启动时间;脚4(ISENSE连接电阻Rs到VIN以确定输出电流(IOUTnom=0.1/Rs,ADJ脚开路时最小电阻为0.27Ω;脚5(VIN为电源电压输入端。
该器件与电感L1和电流检测电阻Rs组成自振荡连续模式buck转换器。
为便于理解器件的工作原理,假设ADJ脚悬空,该脚电压直接加在比较器的(
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