基于POWERPSOC单片机的LED驱动器设计.doc

摘摘 要要 本文首先介绍大功率 LED 的应用及其恒流驱动方案的选择指南，然后以美国 Cypress 公司的产品为例，重点讨论如何巧妙应用 LED 恒流驱动电路的采样电阻提高大 功率 LED 的效率，并给出大功率 LED 驱动器设计与散热设计的注意事项。 Cypress 公司的 CY8CLED04D0x 系列是 PowerPSoC 系列智能 LED 驱动器。 PowerPSoC 系列是具有性能良好的功率电子学控制器和开关器件，方便实现用于照明的 功率系统解决方案，可替代传统的 MCU 系统 IC 以及其周围的数量众多的分立元件。 PowerPSoC 系列系在赛普拉斯含有一个微控制器、可编程模拟和数字模块以及存储器的 PSoC 可编程片上系统中集成了一至四个恒流调节器以及 32V/1A MOSFET。这一技术的 采用可以带来诸如更少的元器件、更短的设计周期、更低功耗、更高可靠性等好处。 关键词：关键词：LED；驱动电路；恒流特性；系统效率；PowerPSoC I Abstract This paper describes the application of high-power LED and its Constant current drive program selection guide, and then there an American company-Cypresss products as an example, focus on how to skillfully use the LED constant current driver circuits sample resistance to increase the efficiency of high-power LED, so it can conclude the high power LED driver design and the thermal design considerations. Cypresss CY8CLED04D0x series is PowerPSoC series of intelligent LED driver. PowerPSoC series is a good performance of the power electronics controller and switching devices, facilitate the achievement of the Power systems for lightings solutions, alternative to the traditional IC MCU system and its surrounding large number of discrete components. PowerPSoC contains a series of lines in the Cypress microcontroller, programmable analog and digital modules, Memory of the PSoC Programmable System on Chip integrated 1-4 constant current regulators and 32V/1A MOSFET. The adoption of this technology can bring, such as less components, shorter design cycles, lower power consumption, higher reliability benefits. Key words: LED; Driving circuit; Constant flow characteristic; System efficiency; PowerPSoC II 目目 录录 第第 1 1 章章 概述概述1 1.1 PSOC 发展过程.1 1.2 PSOC 与单片机相比的特点.1 第第 2 章章 PSOC 的结构与特点的结构与特点.3 2.1 PSOC 的总体结构.3 2.1.1 PSoC 内核.3 2.1.2 数字系统 .4 2.1.3 模拟系统 .4 2.1.4 系统资源 .5 2.2 与传统单片机系统设计方案的比较5 第第 3 章章 驱动芯片的选择驱动芯片的选择7 3.1 AC/DC 转换器.7 3.2 DC/DC 转换器.8 3.3 高效的恒流驱动电路.9 3.4 恒流驱动与散热的考虑11 3.4.1 建立模型 .12 3.4.2 分析各种因素对于散热能力的影响 .13 3.5 新应用对驱动器的要求16 第第 4 章章 基于基于 POWER PSOC 的的 LED 驱动设计驱动设计.18 4.1 POWERPSOC的性能18 结论结论23 参考文献参考文献.24 致谢致谢25 0 第第 1 1 章章 概述概述 1.11.1 PSOCPSOC 发展过程发展过程 PSoc 的发展与单片机技术的发展密不可分，实际上就是单片机技术在半导体工业不 断发展，超大规模集成电路工艺水平的不断提高，深亚微米工艺已经走向成熟，以及 EDA 软件工具不断升级的今天发展的必然产物，它能极大地满足人们对电子系统的诸如 缩小体积、减轻重量、降低功耗、提高可靠性、提高性能、增强保密性、降低系统成本 等等多方面的要求。PSoc 始于 20 世纪 90 年代中期，它的发展主要经历了以下几个阶段： （1）1994 年 Motorola 公司发布了 Flex Core 系统，这个系统是用来制作基于 68000 和 Power PC 的定制微 CPU【1】 【1】 。 （2）1995 年，LSI Logic 公司采用 SOC 为 SONY 公司进行设计。以上两者是基于 IP 核完成 SOC 设计的最早报道。 （3）1999 年 Atmel 公司开发出首个基于 RISC 的现场可编程系统级集成电路 FPSLIC-AT40K FPGA。 （4）之前推出的 SOC 均是数字逻辑系统。2000 年 Cypress 公司首次推出了以 CY8C25和 CY8C26 系列为代表混合信号 SOC。混合信号 SOC 就是该片上系统 既有数字逻辑系统，还有模拟功能，甚至还应该包括数模混合信号模块块、RF 电路模块 等众多功能模块。 （5）后来 Cypress 公司又相继推出了 CY8C29/27/24/22/21等包 含少量混合信号处理电路的 PSoc. 21 世纪集成电路将进入 SoC 时代。SOC 能够将越来越复杂的功能集成到芯片上， 这使得集成电路发展成为集成系统，电子整机的功能将可以集成到一个芯片中。SOC 将 引领新一代嵌入式 CPU 的技术发展，将不断满足日益增长的功能密度、灵活的网络连接、 轻便的移动应用、多媒体的信息处理等要求。 1.21.2 PSOCPSOC 与单片机相比的特点与单片机相比的特点 PsoC 与传统微控制器相比具有如下特点： （1）PSoc 基于 IP 内核，通过编程来选择构成产品，具有无与伦比的灵活性，是 SoC 主要形式和重要应用方向。例如：某一种型号的单片机具有一个 16 位定时器和一个 8 位的定时器，那么在用户使用的过程中，只能用这两个定时器；PSoc 则不同，以 Cypress 公司的 CY8C29466 为例，它里面提供了四种分别是 8 位、16 位、24 位和 32 的 定时器，用户在使用的过程中可以根据需要在一定范围内灵活的选择自己需要的定时器， 可以使用多个同一种定时器，也可以使用多种定时器，具有很大的灵活性。 （2）数字模块、模拟模块和 MCU 集成在一起。PSoc 不仅包含了一般的单片机具 1 有的常用的数字模块，它还包含了多种放大器、电压比较器、模数转换、数模转换、滤 波器和用来测量自身微控制器温度的 Flash Temp 模块。高度的集成化使得用户的设计快 速高效且节省元器件。 （3）强大但简单易用的工具用户模块。用户模块是 PSoC 中预先定义和配置好的数 字和模拟模块，并已对寄存器参数初始化。用户在使用的过程中只需要选择用户模块并 对一些必要进行简单的配置即可。 （4）强大而高效的开发工具。Cypress 公司提供的两种开发软件 PSoc Designer 和 PSoc express 可以使用户的开发周期大大缩短。实践证明，一个以前从来都没学习过单 片机的人学习 PSoc 要比学习其他单片机用的时间短。 2 第第 2 2 章章 PSoCPSoC 的结构与特点的结构与特点 作为一种新型的、适合时代要求的智能器件，PSoc 具有与普通单片机不同的结构和 特点，本章将从整体上予以介绍。 2.12.1 PSOCPSOC 的总体结构的总体结构 PSoc 的整体结构如图 2-1 所示，包括 PSoc 内核（PSoc Core） 、数字系统（Digital System） 、模拟系统（Analog System） 、系统资源（System Resource）四部分组成。这四 个主要部分通过系统总线通信网络联系在一起【2】 【2】 。 图 2-1 PSoc 的整体结构 2.1.12.1.1 PSoCPSoC 内核内核 PSoC 内核是一个功能强大的处理器，支持丰富的指令设置。它包含 CPU 内核、用 于数据存储的静态存储器 SRAM、用于控制程序在一个新地址中短暂执行的中断控制器、 睡眠和看门狗定时器和一组包括锁相环、内部主振荡器、内部低速振荡器和外部晶振的 时钟源。这些时钟和系统资源中的可编程时钟分频因子一起使得把几乎所有的定时需求 集成到 PSoc 设备中成为了可能。 CPU 内核，也称为 M8C，是一个工作频率可以达到 24MHz 的强大的处理器。M8C 3 是一个 4MIPS 的 8 位哈佛结构的微处理器。在 CPU 内核的内部静态包含有 RAM（SRAM）和 FLASH 存储器。最小的 PSoc 设备之间有差别很小的模拟结构。 PSoc 的通用输入输出（GPI/O）把器件的 CPU、数字和模拟资源与外部引脚进行了 连接。每一个引脚有八种不同的驱动模式，不同的驱动模式为外部接口提供了很大的灵 活性。每一个引脚都可以因高电平、低电平或者电平的变化而产生一个系统中断。 2.1.22.1.2 数字系统数字系统 PSoc 的数字系统由数字 PSoc 模块、行内数字模块互连（RDI） 、行间数字阵列互连 （ADI） 、全局数字系统互连（GDI）组成。数字模块最多有四行 16 个。数字模块的个 数因设备的不同而不同，具体的各种设备所含的数字模块的数目参见表 2-1。 表 2-1 不同 PSoc 的模块数目表 数字模块可以通过一系列的全局总线连接到任何通用的 I/O 口，全局总线可以把任 何信号发送到任何引脚上。全局总线还允许信号多路技术和进行逻辑操作。这一配置使 得你的设计从一个外围设备固定的控制器中解脱出来了。 2.1.32.1.3 模拟系统模拟系统 PSoc 的模拟系统包括全局模拟互连列，12 个模拟模块，不同的设备具有的模拟模 块的数目不同，参见表 2-1。每一个可配置的模块都是由一个拓扑电路组成，该拓扑电 路允许用户创造复杂的模拟信号流。 每一个模拟列包括一个 B 类连续时间模块（ACB） 、一个 C 类开关电容模块（ASC） 、 一个 D 类开关电容模块（ASD） 、 （GAI） ，基本模拟 PSoc 模块阵列、 模拟信号基准电 4 压发生器、模拟信号输入多路选择器等几部分组成。模拟系统模块最多包括四个模拟。 2.1.42.1.4 系统资源系统资源 系统资源提供了额外的可编程片上系统功能，这些功能取决于你的 PSoc 设备的特 征。参见表 2-2。 表 2-2 PSoc 设备的特征 CY8C 系列器件提供的系统资源包括：数字时钟 （SYSCLK2、SYSCLK、CPUCLK、VC1、VC2、VC3、SLEEP 等时钟） ；乘法/加法器 （MACs） ；两种类型（Type1、Type2）的采样抽取器；主从及多主模式的 I2C 接口（通 信速率：400kbps） ；用户可设定电压阀值的电源电压检测模块及上电复位模块；片上开 关模式升压泵（Switch Mode Pump） ；片上精密参考电压；USB 功能模块；I/O 模拟多 路选择器。 2.22.2 与传统单片机系统设计方案的比较与传统单片机系统设计方案的比较 PSoc 作为一种新型器件，能在更大的程度上满足设计需求，采用 PSoc 的设计方案 与采用传统单片机的系统设计方案相比有很多优点。 （1）从开发系统来看，Cypress 公司提供的两种开发软件 PSoc Designer 和 PSoc Express 可以根据硬件电路的构造自动生成高质量的可供调用的 API 函数，编程者无须 像以前那样在底层驱动程序上劳神费力而可将精力更多地放在应用层程序的编制上，提 5 高了开发效率。例如：PSoc 中提供了 LCD 和八段 LED 的驱动程序，如图 2-2 所示。用 户在使用时，只需要选择该模块后进行简单的参数配置，写 2 到 3 句程序即可。 （2）PSoc 的开发基于成熟而又丰富的用户模块，极大地减少甚至免除了设计者在 成千上万外围元件中选择的烦恼，节省了模拟量处理电路调试及修改的精力和时间，提 高了成功率、灵活性和可靠性。 （3）PSoc 采用了一种新的构架，通过可配置的数字及模拟区块灵活地构造适用的 用户模块，这是传统的单片机所不具备的。 （4）PSoc 可以动态重构，即在应用中通过程序改变存储在闪存中设定的参数，重 新定义系统所需要的功能模块的种类和数量，动态地完成片上资源的重新分配，实现新 的外围元器件的功能，这一点保证了系统资源的最大化，最合理化和最经济化应用。 （5）与传统意义上的单片机系统相比，PSoc 最大程度地实现了系统单片化的目标， 也减少了 PCB 的面积。和其他架构的 SoC 相比，PSoc 在保证以更简便方式实现更多更 灵活功能和具备较高性能的前提下，达到了迄今为止最高的性价比。图 2-1 中左边的 PCB 板是采用传统单片机的设计方案，右边的 PCB 板是在实现与左图相同的功能的前 提下采用 PSoc 的设计方案，从图中明显的可以看出采用 PSoc 的设计方案节省了大量的 元器件，PCB 板的面积也相应的小了很多【3】 【3】 。 6 第第 3 3 章章 驱动芯片的选择驱动芯片的选择 LED 驱动只占 LED 照明系统成本的很小部分，但它关系到整个系统性能的可靠性。 目前，美国国家半导体公司的 LED 驱动方案主要定位在中高端 LED 照明和灯饰等市场。 灯饰分为室内和室外两种，由于室内 LED 灯所应用的电源环境有 AC/DC 和 DC/DC 转 换器两种方式，所以驱动芯片的选择也要从这两方面考虑【4】。 图 3-1 利用 DC/DC 稳压器 FB 反馈端实现从恒压驱动(左图)到恒流驱动(右图)的转换 3.13.1 AC/DCAC/DC 转换器转换器 AC/DC 分为 220V 交流输入和 12V 交流输入。12V 交流电是酒店中广泛应用的卤素 灯的电源，现有的 LED 可以在保留现有交流 12V 的条件下进行设计。针对替代卤素灯 的设计，美国国家半导体 LM2734 的主要优势是体积小、可靠性高、输出电流高达 1A， 恰好适合卤素灯灯口直径小的特点。取代卤素灯之后，LED 灯一般做成 1W 或 3W。 LED 灯与卤素灯相比有两大优势【5】： （1）光源比较集中，1W 照明所获得的亮度等同于十几瓦卤素灯的亮度，因此比较 省电； （2）LED 灯的寿命比卤素灯长。LED 灯的主要弱点是灯光的射角太窄，成本相对 较高。但从长远来看，由于 LED 灯的寿命较长，所以还是具有非常大的成本优势。 220V AC/DC 转换器(例如 LM5021)主要锁定舞台灯和路灯市场。 7 图 3-2 在 FB 反馈端和 RFB 之间放置一个运算放大器以降低功耗 3.23.2 DC/DCDC/DC 转换器转换器 目前，LED 手电筒占据了 DC/DC 转换器的绝大部分需求量。手电筒采用的 LED 功 率基本上是 1W，供电方式包括锂电池和镍锌电池、碱性电池等。3W 手电筒的应用一 直还存在一些难点，因为 3W LED 灯本身需要散热，散热装置的体积大，从而在一定程 度上削弱了 LED 灯体积小的优势。此外，由于 3W LED 灯的电流高达 700mA，一次充 电后的电池使用时间缩短。尽管如此，对于上述应用国家半导体提供 LM3475、LM2623A 和 LM3485 等方案。 矿灯也是 LED 灯的主要应用领域之一，它属于特种照明行业，需要专业的认证标准， 中国对 LED 在矿灯领域的应用一直都很重视。目前，LED 设计行业存在对特种行业的 需求认识不足的问题，设计中常采用一些不切实际的、新奇的设计方案。例如，将 LED 灯和电池一起嵌入头盔，却没有考虑到矿灯特殊使用环境的各种需求，这可能是造成 LED 在矿灯市场的应用一直没有打开局面的重要原因。 对于矿灯 LED 应用，美国国家半导体提供了丰富的 DC/DC 稳压器产品，包括 LM3485、LM3478 和 LM5010。已经用户采用一颗 1W 的 LED 灯，周围再放 6 颗普通的 高亮度 LED 灯，构成一种具有特殊闪烁功能的矿灯。 总而言之，LED 灯在灯饰和特种照明行业有着广泛的发展前景，国家半导体为此提 供完整的新型 LED 驱动解决方案。 8 图 3-3 基于 LM2734 的恒流驱动电路 3.33.3 高效的恒流驱动电路高效的恒流驱动电路 恒压供电的基本电路(图 3-1 左)采用反馈电阻 RFB1 和 RFB2，当负载电流发生变化 时，VFB 也随之变化，DC/DC 稳压器通过感知 VFB 的变化，使输出电压维持在一个固 定的电平： (3.1) 1 21 0 )( RFB RFBRFBVFB V 在图 3-1 右边电路中，DC/DC 稳压器的 FB 是高阻输入端，流经 LED 的电流 IF 为： (3.2) RFB VFB IF 为保持 IF 恒定，DC/DC 稳压器感知 VFB，然后调整 LED 正端电压，使流经 LED 的电流保持恒定。这就是利用 DC/DC 稳压器 FB 反馈端实现恒压到恒流转换的原理。 一般来说，DC/DC 稳压器对 VFB 的变化有一个感知的范围，一旦 LED 选定，其工 作电流 IF 的大小也就确定了，所选的电阻要保证 VFB 落在 DC/DC 稳压器容许的范围内。 以 VFB 等于 1。25V 为例，假设 IF 分别为 15mA、350mA 和 700mA，采样电阻的功耗 将分别小于 20mW、400mW 和 800mW。对于 1W 的 LED 来说，采样电阻的功耗分别占 到总电源消耗的 2%、40%和 80%。因此，采样电阻的设计对提高 LED 的功效至关重要， 它应该选取尽可能小的数值【6】。 9 BOOST SW FB GND EN ON OFF IN V OUT V IN V C1 D2 D1 R1 R2 C2 C3 L1 图 3-4 从采样电阻直接获取反馈电压的设计 由于直接将 RFB 连接 FB 端会造成 RFB 的功耗过大，所以在 FB 端和 RFB 之间放 置一个运算放大器，以放大 RFB 采集到的电压 VTAP(图 3-2)。 (3.3) RI PF RFB VFB RFB VTAP IF 1 通常，1W 大功率 LED 的典型工作电流为 350mA，如果选择 RFB 等于 1 欧姆，则 RFB 的功耗为： (3.4)WRIPRFB2.10152.30 2 考虑运算放大器本身的功耗，RFB 及其附属电路的功耗大约为 1W LED 功率的 12%。这样就能在确保 LED 获得恒流供电的同时，将 RFB 的功耗降低到可以接受的水 平，从而使 LED 两端的电压尽可能大，流经的电流也尽可能大。国家半导体按照这个原 理工作的稳压器有 LM2736 和 LM2734。 LM2734 是 1A 降压型稳压器。基于 LM2734 的恒流驱动电路(图 3-3)利用 LM321 运 算放大器获取采样电阻 Rset 上的电压，结合其它电阻和电容就可以构成一个完整、高效 率的大功率 LED 恒流驱动电路。在实际使用中，有些 LED 恒流驱动电路可以直接从采 样电阻获取反馈电压，如图 3-4 所示。 图 3-3 中采样电阻 Rset 决定了恒流驱动电路的设计，而且对整个系统的效率有重要 影响，因此仔细设计 Rset 对节省能源至关重要。图 3-3 和图 3-4 的详细设计文件请向国 家半导体当地授权分销商索取。 一般来说，如果要求 LED 驱动电流的变化不超过标称值的 5%至 10%，那么采用精 度为 2%的电阻就足够了。LED 驱动电流的典型波动范围是正负 10%。由于采样电阻消 耗的功率较大，应避免使用功率较小的贴片电阻。此外，LM3478 方案适用于多个大功 10 率 LED 的恒流驱动，而基于 LM5021 的恒流驱动设计方案则针对 220V AC/DC 转换器的 应用。 3.43.4 恒流驱动与散热的考虑恒流驱动与散热的考虑 就电子系统设计而言，工程师在设计 LED 恒流驱动电路时首先要了解 LED 的恒流 参数。目前 LED 芯片的制造商很多，国内外 LED 的差异主要在于相同电参数的情况下， 流明数可能不同，因此设计工程师要清楚地认识到 LED 功率并不是决定发光效率的唯一 参数。例如，同样是 1W 的 LED，有的 LED 可以达到 40 流明的亮度，而有的只能达到 20 流明的亮度，这是因为 LED 光学效率还取决于材料和制作工艺等诸多环节。 有些设计工程师为提高发光效率而采取加大驱动电流的办法，例如，对于同一颗 1W LED，加大驱动电流后，亮度可以从 20 流明提高到 40 流明，但是 LED 的工作温度 也相应升高了。一旦温度超过 LED 的限温点，就会影响 LED 的寿命和可靠性，这是设 计恒流驱动过程中需要注意的重要问题。 此外，LED 照明系统的光学效率不仅仅取决于 LED 恒流驱动方案，还与整个系统的散 热设计密切相关。为缩小体积，某些 LED 恒流驱动系统将 LED 驱动电路与散热部分贴 近设计，这样容易影响可靠性【7】。 一般来说，LED 照明系统的热源基本就是 LED 灯本身的热源，热源太集中会产生热 损耗，因此 LED 驱动电路不能与散热系统紧贴在一起。建议采取下列散热措施：LED 灯采用铝基板散热;功率器件均匀排布;尽可能避免将 LED 驱动电路与散热部分贴近设计; 抑制封装至印刷电路基板的热阻抗;提高 LED 芯片的散热顺畅性以降低热阻抗。 目前，很多功率型 LED 的驱动电流达到 70 mA、100 mA 甚至 1 A，这将会引起芯片内 部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等 一系列问题。业内已经对大功率 LED 的散热问题作出了很多的努力：通过对芯片外延结 构优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格 振荡，从根本上减少散热组件负荷;通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主的金属芯 印刷电路板(MCPCB)，使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板 散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大 功率 LED 散热。尽管如此，单个 LED 产品目前也仅处于 110 W 级的水平，散热能力 仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当 LED 功 率达到 lO W 以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式，牺 牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。 讨论在现有结构、LED 封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最大功率的影响， 寻找影响 LED 散热的关键因素。研究方法为有限元热分析法。该方法已有实验验证了 LED 有限元模型与其真实器件之间的差别，证明其在误差许可范围内是准确可行的。 11 3.4.13.4.1 建立模型建立模型 （1）有限元热分析理论 三维直角坐标系中的瞬态温度场场变量 T(x，y，z，t)满足下式： （3.5） dt dT cq z T zx T yx T x zzyyxx 0 )()()( 式中：T/x，T/y，T/z 为沿 x，y，z 方向的温度梯度；，为热导率；为单 xx yy zz 0 q 位体积的热生成；是密度与比热容的乘积：为温度随时间的变化率。c dt dT （3.6） z T V y T V X T V t T dt dT zyx 式中：，为媒介传导速率。 x V y V z V 对于稳态热分析而言，T/t=0，式(3.5)可化简为： （3.7）0)()()( 0 q z T zx T ayx T x zzyyxx 根据式(3.7)、边界条件与初始条件，利用迭代法或者消去法求解，得出热分析结果。 （2）几何模型的建立 图 3-5 为依据常见 1 w 大功率 LED 尺寸建立并简化、海鸥翼封装铝热沉的大功率 LED 图形，底座接在 MCPCB 铝基板上。主要数据：芯片尺寸为 1 mm1 mmO.25 mm，透镜为直径是 13 mm 的半球。硅衬底为边长 17 mm，高 0.25 mm 的正六棱柱， MCPCB 为直径 20 mm，高 1.75 mm 的六角星形铝质基板。 图 3-5 大功率了 LED 的 PRO/E 模型及其各部分的构成 （3）有限元模型的建立 模型采用 ANSYSl0.0 计算，为方便分析，假设模型： LED 输入功率为 1 W，光效率取 10%;封装体外部的各组件(包括 MCPCB、陶瓷封 装、热沉的外部)通过与空气的对流散热;器件与外界的热对流系数为 20。工作环境温度 12 为 25;器件满足使用 ANSYS 软件进行稳态有限元热分析的条件;最大结温选择为 125。 各种材料的参数如表 3-1 所示【8】。 表 3-1 LED 模型中各材料的参数值 材料热导率/W/(mK) 塑封 0.768 AI 热沉 230 硅衬底 150 器件 350 环氧树脂 0.150.25 硅树脂 0.22.8 PCBCB 178 3.4.23.4.2 分析各种因素对于散热能力的影响分析各种因素对于散热能力的影响 （1） 热辐射系数对 LED 散热的影响 图 3-5 为表面黑度为 0.8 时的温度云图。根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，辐照度 j*与温 度 T 之间的关系：j*=T4。其中 为黑体的辐射系数;=5.6710-8w/(m2k4)，称为斯蒂 芬-玻耳兹曼常数。因此可知，温度越高，辐照度越大。当输入功率为 1 W 时，经由表 面辐射散出的热能为 7.6310-4W，仅占总热功率的 1.63%;功率达到 2 W 时，经辐射散 出的热能也仅占 6.33%。因此改变热辐射系数对于提高散热能力改善成效不大，散热的 关键在于提高另外两种散热方式：热传递和热对流。尽管如此，仍有一些厂家将 LED 器 件的外表面涂成黑色，以期最大限度地利用辐射散热。 图 3-5 黑度为 0.8 时的温度分布图 13 （2） 热导率对 LED 的散热的影响 只考虑热传导与对流，改变不同封装填充材料如硅树脂。得出结果，如图 3-6 所示。 即使找到一种热导率高达 7 WmK的环氧树脂成分封装材料时，相比使用热导率为 1-1- 0.25 Wm WmK的环氧树脂成分封装材料时，芯片温度下降不多，铝基板温度只下降 1-1- 了 2.271，最大功率仅提高了 0.69 W。实际上，热导率值超过 7 WmK以上、可商业 1-1- 化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导。分布云图如图 3-7 所示。 图 3-6 透镜封装材料热导率对温度分布的影响 图 3-7 透镜热导率为 7 时的温度分布云图 14 表 3-2 给出透镜热导率为 0.2 WmK时，不同热沉材料的导热系数对于 LED 最大 1-1- 功率影响。由表 3-2 看出，热沉材料对于 LED 的最大散热能力的影响很小。 表 3-2 热沉材料的选择对于 LED 最大功率的影响 材料 热导率/WmK 1-1- 器件最低温度/芯片温度/最大功率/W 银 41941.26084.6701.667 铜 38542.26384.7461.667 金 31042.27685.0051.667 铝 21042.30085.5091.639 铁 76.241.43588.2721.556 综上所述，热导率变化对 LED 最大功率影响微弱。 （3）增加散热面积对 LED 散热的影响 表 3-3 为 3 种不同散热方式对 LED 的温度分布、最大功率的影响。可以看出，增加 散热面积是很好的散热方式，可以轻易地提高 LED 器件散热能力，这是目前 LED 产品 所普遍使用的散热方式之一。然而缺点也很明显：影响成本、增加产品重量、影响封装 密度。无限度地提高 LED 散热片面积显然不现实，因此一般使用 1.5inch2 散热片提升 LED 产品最大功率至 10 W 左右，出于成本等因素就不能继续提高。 表 3-3 散热面积对于 LED 最大功率的影响 结构散热面积器件最低温度芯片温度最大功率 单个 LED（1W） 2.1410 4 41.26084.6701.3 带 MCPCB(1W) 3.4910 4 41.30085.5902.07 加散热片(10W) 4.1610 4 42.208122.72410.00 （4） 对流方式对 LED 散热的影响 常见对流散热方式有两种：自然对流和强制对流。固定结构的散热与表面传热系数 有关。空冷方式时，不同传热系数对最大功率的影响如图 3-8 所示。强对流方式在一定 速度内会大大提高 LED 产品的散热能力，有助于提高散热效果【9】。 15 图 3-8 强对流方式对 LED 最大功率的影响 综上所述，无论是增加散热面积还是增加对流速度都不能无限制地提高散热能力， 其原因在于：当散热结构、方式固定后，即使 LED 导热率有所上升，也无法真正大幅度 降低芯片温度;事实证明增加散热面积，可以促进散热。但由于成本限制，且不可能无限 制地增加散热面积，因此，要提升 LED 产品的散热能力，关键要在最大努力增加散热面 积时，寻找一种可以快速将上表面热量带走的散热方式。 表 3-4 大功率 LED 在寿命上具有很大优势 光源种类光效(im/w)显色之数(Ra)色温(k)平均寿命(h) 普通照明白炽热灯 1510028001000 卤钨灯 25100300020005000 普通荧光灯 7070 全系列 10000 三基色荧光灯 938098 全系列 12000 紧凑型荧光灯 6085 全系列 8000 高压汞灯 5045330043006000 金属卤化物灯 759565923000/4500/5600600020000 高压钠灯 10012023/60/851950/2200/250024000 低压钠灯 200175028000 高平无极灯 557085300040004000080000 1W3W LED 38(白光)120(红 光) 85 全系列 20000100000 3.53.5 新应用对驱动器的要求新应用对驱动器的要求 大功率 LED 被称为“绿色光源”，它将向大 LED 电流(300mA 至 1.4A)、高效率(60 至 120 流明/瓦)、亮度可调的方向发展。 由于大功率 LED 在寿命上具有很大优势(表 3-4)，所以发展前景非常广阔，其中最 被看好的照明应用是汽车、医疗设备和仪器仪表及其它特种照明环境。但这些应用对 16 LED 驱动系统设计也提出了新的要求，包括：输入电压范围一般要求为 6V 到 24V;具有 冲击负载保护、反相和过压保护、待机功耗非常低;低带隙基准以减少电流检测损耗以及 具有 PWM 调整亮度的功能等。 针对这些需求，美国 Cypress 公司提供了全系列 LED 驱动器设计方案(见表 3-5)， 可以为用户提供全面的 LED 驱动器解决方案。 LED 照明系统需要借助于恒流供电，目前主流的恒流驱动设计方案是利用线性或开 关型 DC/DC 稳压器结合特定的反馈电路为 LED 提供恒流供电，根据 DC/DC 稳压器外 围电路设计的差异，又可以分为电感型 LED 驱动器和开关电容型 LED 驱动器。电感型 升压驱动器方案其优点是驱动电流较高，LED 的端电压较低、功耗较低、效率保持不变， 特别适用于驱动多只 LED 的应用。在大功率 LED 驱动器设计中，主要采用开关电容型 LED 驱动方案，其优点是 LED 两端的电压较高、流过的电流较大，从而获得较高的功 效及光学效率。先进的开关电容技术还能够提高效率，因而在大功率 LED 驱动中应用广 泛。 表 3-5 美国国家半导体的 LED 驱动器解决方案一览表 Part#应用性能 LM2623/A手电筒应用碱性/镍氢电池供电（Vin=1.23.0V） LM3478汽车，医疗，户外灯等应用高效率低位 MOS PWM 控制器， Vin（2.95V-40V） ，100kHz 至 1MHz 可调开 关频率 LM2733汽车仪表盘等亮度控制，Vin 范围（2.7V-14V） ，输出范围 （20V-40V） LM5000汽车应用80V 内置开关，Vin 范围（3.1V-40V） ，输出 范围（2.5V-73V） ，输出电流 500mA LM3485汽车应用，手电筒，矿灯等应 用 迟滞 PFET Buck，Vin 范围（4.5V-35V） ， Vout 范围（1.24V-Vin） ，最大工作频率 1MHz，高效率 LM5007(5008、5010)汽车刹车灯内置 80V，0.7A N-沟道降压开关，Vin 范围 （9V-75V） ，Vout 范围（2.5V-73V） ，输出 电流 500mA，低成本，高效率 Simple Switcher 系列各种领域应用0.55A 输出能力，高达 63V 输出电压 17 第第 4 4 章章 基于基于 powerpower psocpsoc 的的 LEDLED 驱动设计驱动设计 4.14.1 powerpsocpowerpsoc 的性能的性能 Cypress 公司的 PowerPSoC 智能 LED 驱动器系列包括 CY8CLED04G01， CY8CLED03G01， CY8CLED03D01， CY8CLED03D02， Y8CLED04D01 和 CY8CLED04D02 等六种器件。 PowerPSoC 系列集成了可编程的系统级芯片和业界最好 的功率电子控制器以及开关器件，可以替代传统的 MCU，系统 IC 和众多的分立器件。 PowerPSoC 具有高性能的功率电子特性，包括 1A 2MHz 功率 FET， 滞后控制器，电流 检测放大器，和 PrISM/PWM 调制器，从而组成完整的 LED 电源管理的解决方案。广泛 应用在舞台 LED 照明，建筑 LED 照明，通用 LED 照明，汽车和救护车 LED 照明，风 景区 LED 照明，显示器 LED 照明和信号 LED 照明等。 POWERPSOC 系列结合了最好的可编程偏上系统技术、功率电子控制和开关器件， 对于利用功率片上系统构建照明应用方面是最合适的。所有的 power psoc 系列器件设计 用于替代传统的 MCU 和系统集成电路，和许多周边的的分立元件。 Power psoc 器件高性能的功率电子包含 1A2MHz 功率 FET，延迟控制器，电流传感放大 器及 PrISM/PWM 调制器，创建完整 LED 功率管理的功率电子解决方案。可配置的功率， 模拟，数字和内部互连电路的高度集成使其在工业，商业，及消费者的 LED 照明成为可 能。这个集成的的可配置模拟及数字块结构满足用户创建通常的或个别应用的周边配置 要求相匹配。另外器件包含的快速 CPU，FLASH 存储器，SRAM 及引脚周围方便的可 配置的 I/O 口和封装形式。 POWERPSOC 的结构，举例来说，在框图中由 5 各主要部分组成：psoc 核，数字模 块，模拟模块，系统资源及包含功率 FET 的功率周边迟滞控制器，电流传感放大器和 PrISM/PWM 调制器，可配置的全局总线组和了器件的所有资源到一个完整的用户系统。 Power psoc 器件系列有 10 个 I/O 端口连接全局数字和模拟内部互联，提供了访问 8 个数 字块和 6 个模拟块。 在 power psoc 系列中 CY8CLED04D0X 是最先集成功率周边和附 加性能的功率电子应用产品。Powerpsoc 的智能功率控制器集成电路用于照明应用，需 要传统的 MCU 和分离功率电子的支持。CY8CLED04D0 的功率周边包含 4 个 32V 的功 率场效管 FET 每个 1A 的额定电流，也集成了门驱动可用于驱动外部的 MOSFETs 便于 获得更高的电流和电压的能力。控制器是可编程阀值的迟滞控制器，使用户可选择反馈 路径，用于在电流模式降压型浮动负载，升压型浮动负载的配置 Cypress 公司的 PowerPSoC 智能 LED 驱动器系列采用可编程的系统级芯片(SoC)技 术，可替代传统的 MCU，系统 IC 和周围的大量分立元件，集成了 1A 2MHz 功率 FET，滞后控制器，电流检测放大器以及 PrISM/PWM 调制器，构成了 LED 功率管理的 18 完整方案。本文介绍了 PowerPSoC 架构方框图，CY8CLED04D0x 逻辑方框图和主要特 性以及具有 RGGB 混色配置的 LED 照明应用框图，具有 RGBA 混色驱动外接 MOSFET 的 LED 照明应用框图以及单路升压驱动三个浮动负载降压通路的 LED 照明应用框图， 多种 CY8CLED04D0x LED 照明框图。 CY8CLED04DOCD1 的主要特性： （1）集成式功率外设： 4 个外部 32V 低端 N-沟道功率 FET 面向 1/0A 器件可配置开关频率：高达 2MHz； 2 个滞后控制器独立可编程上/下阈值可编程最小 ON/OFF 定时器； 4 个具有可编程驱动功能的低端栅极驱动器； 4 个精密高端电流检测放大器； 3 个 16 位 LED 亮度调制器：PrISM、DMM 和 PWM； 6 个快速响应（100ns）电压比较器； 6 个 8 位参考 DAC； 内置式开关稳压器消除了外部 5V 电源； 多种拓扑，包括浮动负载降压拓扑、浮动负载降压-升压拓扑和升压拓扑； （2）M8C CPU 内核处理器速度高达 24MHz； 高级外设（PSoC模块）； 电容感应应用功能；