LED技术培训之驱动原理详解1.ppt

勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED技术培训 周立明 2010.04.,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,一、LED驱动原理,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,什么是？ LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。发光二极管的核心部分，称为p-n结。PN结加正向电压电能可以直接转换为光能。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED的正向压降与其光色有关: 红、绿、黄通常为1.42.6V， 而白光LED的正向压降为34.2V,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,08年北京奥运会LED技术应用,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED光源的特点 1、LED是点光源，CCFL是线光源。 2、 电压：LED使用低压电源，供电电压在5-65V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 3、 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 。 4、 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。 5、 稳定性、寿命：10万小时，光衰为初始的50%。 6、 抗震性：平面状结构让LED拥有稳固的内部结构，抗震性能很出色，寿命更长。 7、响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。传统CCFL灯管的闪烁发光频率较低，表现动态场景可能产生画面跳动，LED背光可以灵活调整发光频率，而且频率大大高于CCFL，因此能完美地呈现运动画面。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,8、 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿蓝橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色，LED背光源有更好的色域，其色彩表现力强于CCFL背光源，LED可以采用红绿蓝3色独立发光，很容易精确控制显示色彩特性。 9、 亮度、对比度：LED亮度调整范围大，不像CCFL的最低亮度存在一个门槛，LED背光白平衡的同时可以很好的保证整体对比度、亮度，LED是一种平面状光源，最基本的发光单元是35mm边长的正方形封装后，极容易组合在一起成为既定面积的面光源，具有很好的亮度均匀性，如果作为液晶电视的背光源，所需的辅助光学组件可以做得非常简单，屏幕亮度均匀性更为出色。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,10、 环境污染：LED光源没有任何射线产生，也没有水银之类的有毒物质，绿色环保。 11、 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300500只二极管构成。 12、如果采用动态led背光源，(原理就是用2个图像驱动，一个驱动液晶屏，另一个以户外大屏幕led显示墙的方式驱动led，驱动的分辨率无需太高)，则47寸的led背光液晶电视可以实现动态功耗，最低功耗可以在10瓦，最高亮度也就在200瓦以下，同时对比度可超过100000：1，亮度可以达到1000尼特，色域132%NTSC，进而将PDP（等离子显示屏，即Plasma D）,远远甩在后面，除了响应速度稍逊之外。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED色域优势,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED背光光源的工作原理,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED背光原理示意图,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED电视的分类 LED电视有两种分法，按技术分类可分为两大类： 1、RGB-LED 2、白光LED。 按入射位置划分可分为： 1、直下式就是将显示屏的整个背面换成LED，大致又可分为直下式RGB-LED、直下式白光LED等。 2、侧入式就是屏的周边放上LED，又叫侧光式白光LED。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,什么是真正的电视？ 真正的LED电视，应该是用LED直接成像的。彩色的LED显示屏用R/G/B三个LED管组成一个像素点，通过控制每一个像素点的亮与灭，来实现图像的显示。其成像的原理和同样是主动发光的等离子非常相似。在组成光源的时候，并不是按照：的数量构成，目前最常见的方案是：个红色，个兰色，个绿色因为每种颜色的在发光效率上存在差异性，必须通过组合实现三种光源的匹配,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,RGB-LED一般由1个红色LED、1个蓝色LED和2个绿色LED组成,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED电视墙（RGB-LED）,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,RGB-LED电视的优缺点 优点主要体现在色彩表现力和对比度两方面：由于采用了RGB三原色独立发光元件，因此RGB-LED电视的色域范围大都能达到NTSC 的120%以上，部分经过良好调教的机型甚至可以达到150%左右的色域范围，完全达到或者超越了等离子电视的水准。RGB-LED电视也可以支持背光区域调整技术，亮度调节更是很容易实现，因此在对比度方面，往往能够达到千万:1级的动态对比度，极大提升图像质量。 RGB-LED电视虽然性能很优秀，但是：第一成本方面没有优势。第二RGB-LED需要单独的调光电路和更好的散热结构，这也会在一定程度上导致电视结构复杂。另外，RGB灯在控制上的问题仍有待加强，举例来说，如果其中一颗灯坏了，在整个屏幕上会相当明显，反之，白光LED灯则可以互相补足，因为是旁射关系，因此可以补足某颗坏掉的LED，让整体状况看起来不会太差。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,白光LED 白光LED是采用LED背光源驱动液晶成像的，相对于RGB-LED就要简单不少，它采用了只能发出白色光线的LED光源代替原来的CCFL荧光管。白光LED由于不像RGB-LED那样需要涉及到背光源的调光，因此在电路结构方面的要求相对不高。白光LED电视在色彩表现上不如RGB-LED电视那么优秀。但它仍是彩色显示器的理想背光源。 不过白光LED电视的优点也是比较明显的，例如亮度动态调节、区域背光控制都可以实现，也能实现很好的对比度。在色域范围上也能较普通CCFL液晶电视有所提升。加上成本的优势，因此我们认为白光将成为未来普及型LED电视最优先采用的方案。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED白光的产生 没有一种LED可以直接产生白光，而由LED形成的白光实际上都是由几种光组合而成。目前主要有三种白光LED。 1、是用红蓝绿三种LED合成为一种白光LED。 2、是用紫外线LED激励RGB的荧光粉而产生白光。 3、是用蓝色LED激发发黄光的荧光粉，从而产生一种接近的白光。这种方法最为简单，成本最低，是目前使用最多的一种方法。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,背光的入射方式 一、直下式背光源 直下式背光源工艺简单，不需要导光板，LED阵列置于灯箱底部，从LED发出的光经过底面和侧面反射，再通过表面的扩散板和光学模组均匀射出。直下式背光源的厚度由灯箱底部和散射板的距离决定，通常厚度越厚，背光源的光均匀性就越好。在背光源较薄的情况下，色彩和亮度均匀性就成了直下式背光源的技术关键。LED灯的光场分布类型对背光源的色彩和亮度均匀性起着重要作用，目前背光源所用L ED 灯通常有朗伯型和边发射型两种，由于边发射型LED 更有利于背光源的光均匀性，直下式背光源大都采用边发射型LED。但是大角度边发射LED由于其中间光强偏低，易造成暗斑，影响背光源的均匀性。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,二、侧光式背光源 侧光式背光模块即将点状光源设置在经过特殊设计的导光板侧边作为背光源，使用LED颗数较少。因LED背光源放在产品的侧面，因此后面只需要添加导光板就可以了，液晶产品的外观厚度可以做到很薄，比如康佳电视，它就是采用侧光式背光模块。 侧光式白光LED背光液晶电视具轻薄、结构简单等优势边光式背光一般可做的很薄，但光源的光利用率较小，且越薄利用率越小，最大约50% 。侧光式LED产品因是由点光源组成线光源，而非由点光源分布至TV用LCD面板整个面积，故无法作到区域控制功能将影响对动态影像画质提升。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,背光入射示意图,背光入射示意图,背光入射示意图,背光入射示意图,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,背光和相比有哪些好处？ 1、背光的均匀性更好，不会出现黑色不均的情况 2、对比度更好，led可以在全黑屏下关闭背光，从而达到动态对比度更佳。 3、色彩表现更好，由于采用三基色led背光灯，色温可以得到有效的控制，从而得到更为逼真的色彩和更广的色域 4、由于led采用低压驱动，所以省略了冷阴极背光的升压电路，而且可以做的较薄 5、如果采用动态led背光源，则47寸的led背光液晶电视，最低功耗可以在10瓦，最高亮度时也就在200瓦以下，同时对比度可超过100000：1，亮度可以达到1000尼特，色域132%NTSC，进而将pdp远远甩在后面(除了响应速度还稍逊),勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,在视频领域，人们一般用NTSC作为衡量视频设备的色彩还原特性的标准。这个指标是指在整个色彩空间内，显示设备能在各种色彩上显示到何种饱和度，就是能够显示显眼到什么程度的蓝色、绿色、红色。传统的液晶电视通常采用冷阴极荧光灯（coldcathodefluorescentlamps，CCFL）作为光源，我们日常生活中，经常见到很多物体在日光灯下的色彩都很怪异，就是因为它发出的光线不是真正意义上的日光，所以显示颜色不够丰富，色彩还原度差，能够覆盖的色域范围只有NTSC标准的65%75%。LED背光源技术，能把液晶电视的色域范围扩展到NTSC标准的105%，基本上可以重现人们观察到的大部分自然界场景 .,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,中大尺寸液晶电视AC-DC电源架构及LED背光方案,安森美半导体46英寸液晶LED背光方案(见黄色背景部分),勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,市场上现有的6通道侧光式LED驱动器背光方案中，各通道均含专用驱动器IC、电感型DC-DC升压转换器及开关;相比较而言，安森美半导体的CAT4026作为多通道LED线性驱动器，以单颗IC支持6通道，且易于分级为多达12个或18个通道(相应采用2个或3个控制器)，是一种高性价比的方案，目标能效高于90%，典型能效达94%。此外，这驱动器还提供正向电压监测功能，可以限制总体功率耗散;还能应用LED开路及过多LED短路等不同LED串故障。,LED驱动器特点,总体来说LED驱动器要具有一下特点： 1、宽广输入/输出电压范围。 2、高效率转换。 3、严格调节LED电流匹配。 4、低噪声与定频操作。 5、独立电流和调光控制。 6、宽调光比。 7 、完善的保护功能。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,白光LED驱动器的任务 要了解白光LED的驱动电路，首先要了解LED的电特性。WLED的发光量是由流过它的电流所决定，而不是由加在它两端的电压所决定。而各个LED的压降和流过的电流之间的离散度很大。为了使各个WLED发光均匀，就必须要求流过的电流相同。这样，为了驱动WLED就必须要有满足其电压要求的恒流源或单向脉冲来供电。且光通量与温度成反比，温度的变化对LED的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。另外，当最大的环境温度为50oC时，就应当将其电流限制为20mA。所以LED驱动器的基本任务是： （1）将电源电压转换为驱动LED所需的电压, 这个电压取决于LED的连接方法(串联、并联或串并联)和数量。 （2）在工作过程中LED上保持恒定的电流。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED驱动要注意的问题 1、LED是单向导电的电流型器件，要用直流电流或者单向脉冲电流驱动。 2、LED内部是PN结，通常白光LED的压降为34V。 3、LED的PN结具有负温度特性，要使用限流补偿措施。 4、要使LED亮度恒定，光色不变。必须使用电流源或者PWM单向脉冲供电，不要使用电压源。 5、白光LED电视中LED大多串接使用。LED串联比并联可以更平均的分配电流。 6、二极管应避免直接并联使用 。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED驱动方式 使LED工作的最简单的方式是，用一个电压源通过串接一个电阻与LED相连。只要工作电压(VB)保持恒定，LED就可以发出恒定强度的光(尽管随着环境温度的升高光强会减小)。通过改变串联电阻的阻值能够将光强调节至所需要的强度。 。,图中串联电阻和稳压源提供了简单的LED驱动方式。,该图给出了同时并联驱动几个LED的结构， 具有很小的色彩差异或亮度差异。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,串联驱动方式 因为所有串接的LED具有完全相同的电流。LED电流由RSENSE与加载在CTRL输入上的电压共同决定。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,并联驱动方式 并联驱动白光LED IC内部包括电荷泵和电流控制，电荷泵为白光LED提供足够的驱动电压，而电流控制通过给每个LED加载同样的电流来确保均匀的白光。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,高亮LED驱动原理架构 高亮LED需用电流源而非电压源来驱动。为了优化高亮LED驱动电路的设计，可采用改进后的降压升压变换器拓扑，将串联的高亮LED串并联于DCDC变换器的输出端和输入电压源之间。运用这种连接方式，可以为高亮LED串提供低于或高于输入电压的驱动电压。高亮LED驱动器的简化框图如下图所示。,简化框图,LT3476应用原理图,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED正向电流控制方案 LED 是由电流驱动的器件，其亮度与正向电流呈比例关系。有两种方法可以控制正向电流。 1、电阻限流方式。利用一个电源电压和一个限流电阻，来确定产生预期正向电流所需要向 LED 提供的电压。但这种方法有一些缺点，如 LED正向电压的任何变化都会导致 LED 电流的变化。 2、利用固定电流来驱动 LED。固定电流可消除正向电压变化所导致的电流变化，因此，可产生固定的 LED 亮度。这中方式就是恒流驱动。 3、对于要求较高的LED驱动来说，除了采用恒流驱动外，还可以采用脉冲电路驱动，其控制部分采用脉宽调制方式，与恒流控制方式相比，控制部分的控制效率高、节能。同时便于LED的亮度调节，这是采用脉冲电源驱动方式最大的优势。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,恒流驱动的实现方法 恒流驱动的实现一般有2种方法： A、利用线性调节器，使 LED的电流保持恒定。线性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。这种线性调节器有串联和并联两种结构。它们受输入电压范围的限制，且效率不高。所以只用于低功率的普通LED驱动。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,B、利用开关调节器获得LED的恒流驱动。LED的恒流驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED脉冲驱动原理 脉冲驱动（PWM）方式是利用人眼的视觉惰性，采用重复向LED器件通断供电的方式使之点亮的。使负载LED时亮时灭，如果亮灭的频率超过100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的闪烁。从发光原理来讲，LED的发光强度基本上正比于通过LED器件的电流，这说明脉冲电流的平均电流与直流电流相同的条件下，LED的发光亮度一样。只要通过调节脉冲的占空比就可获得合适的平均电流。要获得与直流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值Ia应与直流驱动的电流值相同。下图是PWM驱动LED示意图。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED亮度的控制（多采用PWM调光方式） 1、LED的发光亮度可以用改变其电流的方法来实现。但是这种模拟亮度控制方法会产生色偏现象。也就是它所发出光线的波长将会随着其正向电流而改变，这是令人不可接受的。 2、采用PWM的方式来对LED进行亮度调节。不同的工作比就可以得到不同的亮度，这相当于用改变LED导通的时间来改变亮度，而每次导通所达到的正向电流是不变的，所以其色谱也就不会改变。为了得到不同的亮度，就要求能够精确控制PWM的宽度。一个12位精度的PWM可以实现4096级灰度。由于流经每个LED的正向电流持续保持一致，因而色彩坐标不会偏移。 3、除了模拟调光，PWM调光，目前有些厂商的驱动器支持数字调光。具备数字调光技术的白光LED驱动器会有相应的数字接口。该数字接口可以是SMB、I2C、或者是单线式数字接口。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,在下图电路中，IC的EN端子是可使开关变换器做ONOFF模式运行的端子，如果对EN端子施加PWM信号，白光LED会以某种速度做ONOFF模式运行，进而实现LED亮度的控制。,利用PWM信号控制LED亮度的驱动电路,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,PWM控制器原理,PWM控制器分为电压型和电流型两种，高亮LED电路多用电流型PWM 电路。 1、电压型PWM。电压型脉宽调制器是一个电压-脉冲变换装置，用锯齿波作调制信号的脉宽调制器，原理如下图所示。电压与锯齿波调制信号比较，输出的PWM开关信号为与锯齿波同频率、脉冲宽度与Vout的大小成正比的脉宽调制信号。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,电压型PWM驱动LED原理 如下图所示，输出电压Vout经过分压后送入误差放大器A1的反相输入端，与同相输入端基准电压Vref比较，误差放大信号加到比较器的同相输入端，与斜坡振荡器产生的锯齿波电压进行比较，产生PWM脉冲来驱动开关管。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,采用电压型PWM控制亮度的LED驱动器 应用图 IC功能框图,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,2、电流型PWM控制器原理 结构：电流型PWM控制器与传统的仅有输出电压反馈的电压型PWM控制器比较具有较多的优点。从电路结构上看，是增加了一个电感电流反馈，没有了锯齿波(或三角波)发生器。 工作原理：误差信号送入PWM比较器后，并不是象电压模式那样与振荡器产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的、其峰值代表输出电感电流峰值的合成波形比较，然后得到PWM关断时刻。因此，（峰值）电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是通过控制峰值输出侧电感电流的大小，间接的控制PWM的脉冲宽度。 控制方案：电流型PWM控制器常用的几种原理方案：恒定迟滞环宽控制、恒定关断时间控制、恒定频率控制。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,如下图所示，RS为流过功率管电流的取样电阻，控制电路为双环控制，具有电压外环和电流内环，峰值电流在内环。电流内环的反馈电流为电感电流或开关电流。电流内环只负责输出电感的动态变化，电压外环只需控制输出电容，不必控制LC储能电路。,电流型PWM控制器工作原理图,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,电流型PWM驱动LED原理 电流控制模式是在电压控制模式的基础上，增加一个电流负反馈的环节，如下图所示。与电压模式不同的是，误差放大器A1的输出并不是象电压模式那样与振荡电路产生的锯齿波电压进行比较，而是与电感电流采样值转换成的电压Vs比较。得到PWM脉冲来驱动开关管。这种电路本质上是受输出电压控制的电流源。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,采用电流型PWM控制亮度的LED驱动器,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,PWM调光原理与其必要性 LED调光通常透过采用一个直流电(DC)讯号和一个脉冲宽度调制脉冲(PWM)调节流经LED的顺向电流来完成。实质上透过一个PWM讯号对LED调光是以PWM频率用满电流导通和切断LED。透过调制工作周期(导通时间的长度)，来控制LED的亮度，其亮度与LED导通周期成正比，这样只对LED调光而不改变其颜色，因为工作过程中LED电流值或者为零，或为一个恒定值。,由于大功率白光LED是电流型器件，严格的控制其流过电流的大小显得尤为重要。一旦连续电流超过了大功率白光LED允许的最大电流值，就很容易烧毁。为了减小电路损耗，克服因电源电压不稳带来的影响，使用脉冲宽度调制(PWM)的驱动电路。针对大功率白光LED是电流型器件，采用峰值电流模式PWM控制技术，在PWM比较器的输入端直接用输出电流检测信号与误差放大器的输出信号进行比较，实现对输出脉冲占空比的控制，可以改善整个系统的瞬态响应，调节性能好具有自动限流作用易于实现限流和过流保护。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,下图是一个工作在升压模式的凌力尔特公司LED驱动器IC，其所驱动的是一个典型50W LED串。LT355是一个60V、高端电流检测DC/DC转换器，用来驱动大电流LED。其4.5V40V的输入电压范围使其非常适用于多种应用，包括工业和建筑照明。LT3755使用一个外部N沟道MOSFET，可以用标称12V输入驱动多达14个1A白光LED，从而提供超过50W的功率。用一个24V 输入，它可以为多达20个LED供电，从而提供总共75W的LED功率。,高亮度白光LED需要高性能LED驱动器,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,LED驱动电路的保护 理想的LED驱动IC应该包含许多对驱动芯片和LED进行保护的功能。在某个LED或LED串出现故障的时候，LED短路/开路保护能够让背光继续工作。此外，过电压，过电流以及过热保护为驱动芯片和LED提供了必要保障。欠压锁定被用来确保驱动芯片不会工作在指定范围以外，因为那样可能会造成器件无法正常工作。,勤耕则获,善思乃聪!ZLM,荆州培训资料,HDTV的LED驱动器简介 LT3595A是一款专门用于HDTV的新型创新性LED驱动器，4.545V电压输入范围。其降压模式的LED驱动器有十六个独立通道，每个可从高达45伏特的输入驱动一串由多达十个50毫安LED组成的LED串，每个信道都可用来驱动由十个LED组成的LED组，以提供局部调光。依此，每个驱动器皆可驱动多达一百六十个50毫安的白光LED。一个46吋的液晶电视需要约十八个驱动