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LED电源设计 Content LED应用简介LED电源设计方法恒流供电设计原理分析分比式架构分析典型电路分析设计实例 LED应用简介 V I芯片元件 高效率LED的应用 LED的技术走向 更高效 Cree APEC2007 光源效率趋势 实验室最佳 量产最佳 光度 流明 瓦 LED的优势 相比于现有照明技术 例如灯泡 光管 高强度放电 HID 等等 LED有以下优势 省电细小高可靠性 耐用 50 000小时 一般灯泡只有约1 000小时 适合恶劣环境应用快速起动 可高速调节光暗颜色纯度高不含有害物质 LED电源设计方法介绍 V I芯片元件 LED普及要解决的问题 LED全面应用于所有照明方案 还需要解决以下问题 成本用RGB组成白光时 温度和老化而形成的色彩偏差电源驱动设计方案 本课程内容 LED的工作原理 正向偏压使电流通过而发光LED的主要电气参数为VF及IF不同材料 颜色 构成的LED有不同VF值光度则与IF成正比 但各型号均有最大值其他参数为亮度 波长 发光角度 效率及功耗等 LED本身为发光二极管 有P N结的电气特性 LED伏安特性 LED伏安特性是非线性的 很小的电压变化就会引起很大的电流变化 可以看出 电源电压的10 的变化 3 4V 3 1V 就会引起正向电流的3 5倍的变化 从350mA变到100mA 电源电压在3 3V时正向电流为20mA的LED 如果用3节干电池供电 新的电池电压超过1 5V 3节就是4 5V LED的电流就会超过100mA 很快就会烧坏 LED伏安特性的温度特性 伏安特性 负温度系数 温度系数通常是 2mV 即随温度的升高 其伏安特性左移 大功率LED芯片 由于功率大 散热不容易 温升问题严重 假定采用3 3V恒压源常温下工作在20mA 而温度升高到85 时 电流就会增加到35 37mA 但其亮度并不增加 电流增加只会使它的温升更高 这样就会增加光衰 降低寿命 LED电源驱动方案 1 恒压供电 电源的输出电压需高于LED的总压降 并能提供足够的电流 功率 优点是简单 设计容易由于LED的IF对VF的变化极敏感 必须要以电阻设定工作电流但电阻将限制LED串列的数量 及做成不必要功耗 LED电源驱动方案 2 恒流电源 最理想的驱动方式 恒定电流亦使光度稳定没有串联电阻引致的功耗成本相对较高 需建另外设计恒流控制电路电源的恒流输出电压需高于LED的总压降 恒压源加电阻 负载线 斜率 1 R 恒流源 负载线 斜率 1 R 思考 用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流 几个LED并联 能不能用恒压电源 多个LED并联后 采用恒压电源供电 能不能用不同的串联电阻来使电流平衡 N个LED串联后 假如用恒压电源供电 其温度效应 由温升而引起的电流增加 将会扩大N倍 这是因为所有LED串联以后相当于各个LED的伏安特性沿电压轴串联综上所述 给LED供电 要采用恒流电源供电 电流恒定以后 不管温度怎么变化 伏安特性如何左移 电流都不变 结温也就不会恶性循环了 恒流供电设计原理分析 V I芯片元件 恒流供电LED电源设计应考虑的问题 高可靠性高效率高功率因素浪涌保护保护功能 在恒流输出增加温度负反馈 防护方面 物理部分 驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配EMI EMC 目前LED均采用恒流供电 因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源 它的功能是把交流市电转换成合适LED的直流电 根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求 在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点 LED电源驱动方案 除传统DC DC砖式及配置式电产品外 现有的趋势是利用新型集成电路芯片设计高效及高功率密度的LED电源方案 传统DC DC 砖式 转换器架构 Regulation 稳压稳定这两点的输出电压 Transformation 转换把电压从一形式转为另一形式 在这里 是把DC转变为AC Isolation 电气隔离 DC DC方块图 现在主流的电源设计架构 PRM 预稳压模块只负责稳压工作 Regulation VTM 电压转换模块只负责转换及隔离 Isolation Transformation Regulation 稳定这两点的输出电压 Transformation 转换即把一电压转为另一电压 简单的说 可视为升压或降压 但实际上还把DC转变为AC及后又还原为DC Isolation 电气隔离 相应的LED电源设计方案 把传统的DC DC功能分为2个部分 从而对每一功能作出优化 达至以下的优点 分开功率转换级别 稳压及电压转变降低系统分布损耗减少DC DC转换路径上重复的功能降低负载点功耗而增加系统效率并非折衷的改良而是全新的功率分布调配灵活的部件适合DC DC转换的细小高效能组件提供重要优势高功率密度 体积及重量 效率高设计上灵活速度 快速响应 66 分比式架构分析 V I芯片元件 预稳压模块 PRM 零电压开关升 降压拓朴及控制技术高频开关 1MHz 采用零电压开关升 降压拓朴 初级升 降压控制 预稳压模块 PRM 典型参数 Vicor 特点功率达320W面积只有7 1cm2或1 1in2功率密度 60W cm3 1 100W in3 效率达97 于300W负载时 输入 24V 18 36V 30V 18 60V 48V 38 55V或36 75V 输出 稳压 26 55V VTM 电压转换模块 VTM 专利正弦振幅转换器 SAC 零电流 零电压 1MHz开关頻率 拓朴 P 功率变压器D 驱动变压器 电压转换模块 VTM 隔离有如直流变压器具电流倍增及电压降幅能力V048系列输入 26 55Vdc 源自PRM的分比母线 输出 0 8 55Vdc输出电流 3 100A穩压 1 与PRM一起应用自适环模式 效率 达96 特点 PRM及VTM型号 PRM VTM 从输入规格选择PRM型号 从输入规格选择VTM型号 DC DC转换 稳压 PRM 预稳压 VTM 变压隔离 48VIN 或24VIN 至0 8 55VOUT 负载 分比式功率架构的优势 使用2片V I芯片从48V直接到负载而达100APRM可远程置放使母板负载处省却大量空间负载处功耗较小把负载点电容器移到VTM的输入减低电容量1 k2倍额外空间及成本减省 提供灵活配置 效率高达97 PRM97 VTM96 5VOUT VTM90 1 1VOUT 效率高 所需气流或散热片体积较细小 高效率 PRM 高带宽控制回路VTM 低阻抗 1MHz负载点电流倍大 PRM VTM输入48V 输出1 2V 0 100A 800A s负载步跳 220 F输出电容下冲小于30mV 速度 VTM低输出纹波 1 5VVTM输出纹波100A负载 没有输出电容 CH1 Vout50mV divTimebase 500ns V 100mV 1 t 2 9MHz 1 5VVTM输出纹波100A负载 带100 F陶瓷电容 V 14mV CH1 Vout20mV divTimebase 500ns PRM VTM低输出纹波 满载 标称输入电压及带80 F输出电容 更多的组合 完整的DC DC方案 负载 源 采用PRM及VTM PRM 分比母线 Vf 宽输入母线 负载 PRM调控分比母线电压 VF 达至VTM输出稳压VTM转换电压及隔离负载效果 高效能分布 稳压 转换及隔离 PRM及VTM反馈方式 VTM PRM 2xVTM 200A 只需3片V I芯片 VTM并联极为简单 无需变更自适环元件的数值可用2片VTM便达至200A输出 低压 可达至1kW或以上可参考并联PRM的应用笔记 PRM VTM并联阵列 PRM可驱动2片VTM自适环可达至1 调整率可轻易达至100V 隔离及稳压的输出 PRM VTM输出串联 只需3片芯片就可达至100V PRM 多片 VTM 多路输出 PRM设定为本地环模式因此 各VTM的输入电压均相同可达至 2 5 稳压 满载时 轻载的调整率更佳 单一PRM可驱动2片VTM 或可外加电路以驱动更多VTM PRM 非隔离的稳压器 PRM VTM恒电流电源 PRM可在非常准确的控制做成恒流源 设定的1 内 电路是兼容所有PRM电路也可配合所有VTM在整个输出电压范围内均可恒电流输出可驱动所有标准的LED 3V 4V 5 55V系列 应用V I芯片在固态照明 LED PRM VTMs 24V 绿光 24VVTM 14V 黄光 16VVTM 6V 蓝光 6VVTM 48VinPRM PRM作为恒流源的原理 主要的外加恒流控制电路 LED阵列 3 55V输出 PRM作为恒流源的原理 用小型的分流器测量PRM的输出电流以差动放大器把电流放大 与参考电压比较再反馈遗误差信号至PRM的SC埠以控制PRM的实际输出 达至VTM输出电流稳定 控制PRM电流的优点 只需控制PRM低电流 少于5A 再利用VTM的电流倍增能力 即可控制高达100A负载电流由于是低电流 用小的分流器便可 功耗亦相对减少感应PRM的电流 更可保持电气隔离设计电路可适用于不同的VTM型号 即不同的LED阵列用两片芯片便可达至300W功率 PRM恒流源的准确度测试 PRMIOUT误差少于0 3 PRM VTMIOUT误差少于1 3 输出电流准确性单PRM 48V恒压负载 预计实际量度结果 输出电流 A 测量电流 A 功率 光 22 500流明 325W 300W 92 PRM VTM功率 300W功率密度 30W cm3效率 92 每个电路功耗 1 2W 1 000流明假设每1WLED有75流明发放1 000流明约需14W的LED功耗 PRMVTM作为恒流源的示范 以下示范如何用PRM CC及VTM的评估板组合成一恒流电源片中以Lumileds的LuxeonFloodLED模块作负载 其标称规格为VF 21V IF 1 05A 母线转换模块 BCM 特点 隔离 但非稳压具电流倍增及电压降幅能力正絃振幅转换器 SAC 零电流 零电压 1MHz开关頻率驱动niPOL或VRM的理想元件性能表现功率达300W 封装面积只有7 1cm2 1 1in2 功率密度 60W cm3 1000W in3 效率 95 48V输入型号 通讯及数据系統用 输入 48V 38 55V 输出 1 5 55V高压输入型号 350V分布式电源 380V功率因数校正 输入 350V或380V输出 10 13V P 功率变压器D 驱动变压器 BCM型号 BCM a Vin 38 53Vdc 以BCM作DC DC转换 48VIN至1 5 48VOUT352VIN至11VOUT或44VOUT384VIN至12VOUT或48VOUT 或 负载点穩壓IC 采用BCM作母线转换 BCM可用作驱动市场上大量廉价的niPOLs达至多路低压输出niPOL的输入电容可整合至BCM的输入端 达至节省成本及空间效果 L niPOL L niPOL L niPOL L niPOL 负载 源 负载 负载 负载 BCM评估板 以BCM作为中转电压驱动LED BCM可提供低压母线以驱动市场上大量廉价的LED驱动芯片BCM的隔离及安全低压输出 达至节省成本及空间效果 LED阵列 DC输入 LED阵列 LED阵列 LED阵列 1 16砖输出达300W效率达96 以BCM作为中转电压驱动LED 384V ACV 例如VicorFE375 1 2 200W HVBCM 12V LED驱动芯片 LED驱动芯片 LED阵列 LED驱动芯片 带PFCAC DC 或 其它 1 16砖输出达300W效率达95 应用例子 大屏幕电视 以LED作LCD背光客户应用多个48V转4V 200W 的BCM驱动LED控制板未用BCM方案前需以5 5V分布500A至多块LED电路板改用BCM后只需以48V分布20A至多块LED电路板 BCM的应用示范 稍后会有一个录像示范如何用BCM去驱动LED阵列片中以LED标称规格为VF 9V IF 1 4A EMI滤波 高频滤波组件是细小的高压 滤波组件是低电流的设计 B384F120T30 EMI 没有滤波 滤波后 使用前页的电感 共模互相抵消降低EMI高频噪声只需细小滤波组件 QPI系列 可并联 可衰减150kHz 30MHz共模 CM 及差模 DM 传导噪声 符合EN55022 B级要求有48V 60V及24V 28V输入电压內独有有源滤波电路 达至优越衰减表现 高效率 体积小及纤薄 适用的有源滤波器 QPI 12典型应用 适用的有源滤波器 QPI 12滤波器额定电流 7A效率达99 QPI 10滤波及热插拔功能带6A断路器及12A延迟限流器符合ATCAPICMG3 0规格及EN55022 B级效率达99 QPI 10典型ATCA应用 12 5x25mmLGA封装 25x25mmLGA封装 QPI 12衰減曲線 QPI 12 PRM VTM的传导噪声表现 QPI 12 BCM的传导噪声表现 QPI 12表现 EN55022B级 EN55022B级 共模噪声衰减 40dB1MHz差模噪声衰减 70dB1MHz QPI 12输入EMI滤波 QPI 10表现 QPI 10衰減曲線 QPI 10 V I芯片的传导噪声表现 EN55022B级 QPI 10带热插拔功能输入EMI滤波 共模噪声衰减 40d