LED驱动电源及调光驱动.doc

1 LEDLED 驱动电源及调光驱动驱动电源及调光驱动 摘要摘要 LEDLED 自自 2020 世纪世纪 6060 年代诞生以来 在各个邻域已经得到广泛的应用 年代诞生以来 在各个邻域已经得到广泛的应用 LEDLED 照明无处不在 正在改变着我们照明无处不在 正在改变着我们 的生活 的生活 LEDLED 被称为第四代光源 具有节能 环保 安全 寿命长 低功耗 低热 高亮度 防水 微型 防震 易调被称为第四代光源 具有节能 环保 安全 寿命长 低功耗 低热 高亮度 防水 微型 防震 易调 光 光束集中 维护简便等特点 光 光束集中 维护简便等特点 LEDLED 的应用 需要合适的驱动控制电路 本文研究工作是针对新型的应用 需要合适的驱动控制电路 本文研究工作是针对新型 LEDLED 照明设计合适照明设计合适 的智能调光 调色温驱动电源 的智能调光 调色温驱动电源 关键词关键词 LEDLED 驱动电源 调光 调色温 驱动电源 调光 调色温 2 目目 录录 1 LEDLED 概述概述 2 1 1 引言 2 1 2 LED 光源 2 1 3 LED 的原理 3 1 4 LED 的特点 4 1 5 LED 应用中存在的问题 5 2 LEDLED 驱动电源分析驱动电源分析 5 2 1 LED 驱动电源 5 2 2 LED 驱动电源的发展过程 5 2 3 LED 驱动电源的特点 6 2 4 LED 驱动电源的分类 6 2 4 1 按驱动方式分类 6 2 4 2 按电路结构方式分类 6 2 5 LED 电源的不足 7 3 LEDLED 调光驱动的方法调光驱动的方法 7 3 1 可控硅调光 7 3 2 线性调光 7 3 3PWM 调光 7 3 4 遥控调光 7 3 5 分段调光 8 参考文献参考文献 8 3 1 LED 概述 1 1 引言 LED Light Emitting Diode 发光二极管是一种能将电能转化为光能的半导体电子元件 这种电 子元件早在 1962 年出现 早期只能发出低光度的红光 之后发展出其他单色光的版本 时至今日能发 出的光已遍及可见光 红外线及紫外线 光度也提高到相当的光度 而用途也由初时作为指示灯 显 示板等 随着技术的不断进步 发光二极管已被广泛的应用于照明 显示器和电视机采光装饰 白光 LED 的发光效率正在是迅速提高 商品化器件的发光效率已大大超过白炽灯的水平 120lm W 的白色 LED 发光效率已与荧光灯的水平相当 并在稳步增长 由于 LED 还具有无污染 寿命长 耐振动 抗冲击的鲜明特点 白光 LED 是 LED 产业中唯一被看好的新兴产品 在全球温室 效应日趋明显对能源短缺的忧虑再度升级的背景下 白光 LED 在照明市场的前景备受全球瞩目 欧洲 美国 日本 韩国等发达国家投入大量人力 并成立专门的机构推动白光 LED 研发工作于实际应用 国内众多的照明企业及其他电子产品生产企业 都瞄准了 LED 未来的巨大市场 必将推动 LED 产业 更迅速地发展 1 1 2 LED 光源 1 第一代光源 白炽灯 1879 年 美国爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽灯 使人类从漫长的火光照明时代进入电气照 明时代 也宣告了第一代光源 白炽灯的诞生 现代白炽灯是靠电流加热灯丝至白炽状态而发光 其具 有光谱连续 显色性好 结构简单 可调光 无频闪等优点 使得其在随后的数十年间取得了快速发 展 2 第二代光源 低气压气体放电灯 20 世纪 30 年代 荷兰科学家开发出第一支荧光灯 随后又开发出了集成镇流器于一体的紧凑型 荧光灯 由于其采用创新性的气体放电原理 即由受激发的汞蒸气放电时发出的紫外线激发管内荧光 粉而发光 其具有发光效率高 寿命长 光色好等优点 使得其在家居 办公 商业照明灯领域逐渐 取代白炽灯成为使用最广泛 最成功的灯种之一 近年来欧 美等发达国家以及古巴 菲律宾等发展 中国家都颁布法令或制定逐步淘汰白炽灯的计划 大力推广高效节能的荧光灯 同时也对荧光灯提出 了更高的要求 要求更长的寿命 更高的光效 更紧凑的结构 更环保的固汞 更少的汞量等绿色环 保节能要求 在荧光灯开发成功的同时代 基于同样工作原理的紫外线灯 也成功开发出来应用在杀 菌消毒 固化 验钞等领域 随着其工艺技术水平的不断提高 紫外线在其特殊的应用领域还将继续 不断发挥其重要的作用 3 第三代光源 HID 高强度气体放电灯 High Intensity Discharge 20 世纪 40 60 年代 科学家发现提高气体放电的工作压力表现出的优异特性 又不断地开发出高 压汞灯 高压钠灯 金属卤化物灯等高强度气体放电灯 由于其具有功率密度高 结构紧凑 光效高 寿命长等优点 使得其在大面积泛光照明 室外照明 道路照明及商业照明等领域得到广泛应用 目 前陶瓷金属卤化物灯代表了 HID 灯技术发展的最高水平 4 第四代光源 LED 发光二极管 Light Emitting Diode 20 世纪 60 年代 科学家开发出第一个实用可见光 LED 随后又相继开发出各种单色光 LED 近 年来 LED 光效不断提升 并突破单一颜色的局限性 向白色光照明迈进 由于其采用固体半导体材 料作为发光材料 加电后 半导体中的载流子发生复合 从而引起光子发射发出可见光 其具有结构 紧凑 可控性好 启动快 寿命长 环保节能等优点 从而开启了其在照明应用领域新的一页 2 1 3 LED 的原理 LED 本质是 PN 结 是电流驱动器件 当它两端加上正向电压时半导体中的少数载流子和多数载 流子发生复合 放出的过剩能量将引起光子发射 采用不同的材料 可制成不同颜色有发光二极管 它的光强度随着正向电流 IF 的变化而变化 在正向导通之前 LED 几乎无电流流过 当电压超过开 启电压时 电流急剧上升 因此 LED 属于电流控制型半导体器件 其发光亮度 L 单位为 cd mc2 与 正向电流 IF 近似成正比 3 4 L KIF 式中 K 为比例系数在小电流下 IF 1 10MA M 1 3 1 5 当 L 10mA 时 m l 此时上式可简 化为 L KIF 即发光亮度与正向电流成正比 另外 工作电流对光的颜色有一定的影响 随着电流 改变不仅亮度会发生变化 颜色也会跟着变化 LED 的正向电压和正向电流与管芯的半导体材料有关 使用时要根据所要求的显示亮度来选取 合适的 IF 值 若选取的值太小 则不能完全发挥 LED 的性能 若选取的值太大 则很容易损坏 PN 结 I V 特性是表征 LED 芯片的主要参数 LED 的伏安特性具有非线性 单向导电性等特征 典型的 正向特性曲线测试如图 1 1 所示 图 1 1 高亮度白光伏安特性曲线 从特性曲线可以看出 LED 在开启以前有一段 死区 该区域的最大电压叫做开启电压 对于不同 材料制作成的 LED 其值不同 GaAsP 约为 1v GaAsP 约为 1 2V GAP 约为 1 8V1 GaN 约为 2 5V 开启后的区域为正向工作区 正向电流 IF 和外加电压呈指数关系 3 式中 IF 为反向饱和电流 由于伏安特性正向指数式变化 LED 在正向导通后其正向电压的细小变动 将引起电流的很大变化 另外 温度也会影响 LED 的电气特性 当环境温度升高时 LED 的正向工 作电压 将下降 假设流过 LED 的电流为 IF 管压降为 V 则正常工作下的功耗 P VF IF LED 光输出将随着输入电压 环境温度等因素的变化而变化 LED 的光输出直接与 LED 电流相 关 所以在 LED 应用中应控制补偿输入电压变化和环境温度等因素的变化 若 LED 的电流失控 LED 长期工作在大电流下将影响其可靠性和寿命 从理论上 相同材料 工艺的 LED 管性能完全一致 但在实际生产应用中不同批次或者同一批次 的不同芯片在性能上都会有差异 对于需要多个管子串联和并联工作的情况来说 个体之间的差异性 也是驱动电路设计的考虑因素之一 对于照明应用 超高亮度白光 LED 才是目标器件 HBLED 基本原理和普通信号显示用 LED 原理 上相似 但从原材料的选择 芯片设计制造到芯片的封装设计都要面临许多特殊的问题 本文主要关 注与驱动电路相关的特殊性能 至于 PN 结芯片的设计和封装已超出了我们的讨论范围 大功率 LED 在室内外通用照明领域应用是其发展的最终目标 与普通仪表显示用的 LED 不同的是 HBLED 的工 作压降和工作电流都相当大 一个 1W 管芯正常情况下的压降为 3v 4v 之间 工作电流能达到 300mA 以上 5 1 4 LED 的特点 1 超长寿命 LED 的实际寿命超过 5 万小时 为一般光源的几倍甚至几十倍 2 高纯度 鲜艳丰富的色彩 目前 LED 产品几乎覆盖整个可见光谱范围且色彩纯度高 而获得 彩色光的传统方式是在白炽灯上加滤光片 这就大大降低了发光效率 3 固体发光 抗震性能好 牢固可靠 4 光源中没有水银 光束中不含紫外线 LED 是固体发光光源 绿色环保 特别适用于香水店 珠宝店 博物馆 美术馆等专业场所 可满足其展示商品对照明的特殊要求 5 节能 经济且免维护 6 LED 有很强的发光方向性 光通量利用率高且体积小 可方便 LED 灯具的外观设计和光强分 布的控制 7 动态的色彩控制 明暗可调 三基色的 LED 组合可采用 PWM 实现颜色的变化 8 LED 可采用直流低压供电 安全可靠 9 LED 不受启动温度的限制 可瞬间启动 启动时间一般为几个 ms 而且能瞬间达到全光通量 输出 1 1 5 LED 应用中存在的问题 虽然 LED 作为照明光源有如此多的优点 但由于超高亮 LED 也具有效率低 需要严格控制温度 价格高这样的缺点 近期内还不可能全面替代目前普遍使用的白炽灯或荧光灯 要做好半导体灯必须解决好三个方面的问题 1 有光效高 成本低 寿命长的发光管 单纯的增加输入功率 亮度也会增加 但 LED 芯片的 发热量也会随之增加 过多的发热将损坏它的结晶和封箱而缩短其寿命 因此使输入功率电能高效的 转为光能是重要的关键技术 2 有工作可靠 性能好 成本低的驱动器 由于单个 LED 功率小 光亮度低 对于照明来说 不可能单独使用 为此必须将多个 LED 组装在仪器 设计成为使用的 LED 照明系统 这就存在 LED 选择 使其特性保持相近的问题 由于多个 LED 在仪器组装 还要考虑其中一个或一些 LED 出现问 题时不能影响 LED 的照明 这就有一个电路保护的要求 3 有热设计 结构设计 造型设计好的灯体 LED 在照明过程中 同样会出现发热的现象 特别 是多个 LED 组装工作时 就有考虑其散热问题 在这三个问题中 发光管可以到生产厂家选用合适的产品 灯体结构设计许多打算生产半导体灯 的厂家自己都有能力解决 但是对于不同的原始电源怎样针对不同灯型做合适的电源变换驱动发光管 确是做好半导体灯的关键环节 针对不同的应用设计不同的驱动器 这就使驱动器的规格品种繁多 电路结构各异 考虑到在不久的将来 LED 会进入千家万户 故研究交流市电作为主要电源来驱动发光二极管的驱 动技术 具有重要的意义 2 LED 驱动电源分析 2 1 LED 驱动电源 LED 驱动电源把电源供应转换为特定的电压电流以驱动 LED 发光的电压转换器 通常情况下 LED 驱动电源的输入包括高压工频交流 即市电 低压直流 高压直流 低压高频交流 如电子变压器的输 出 等 而 LED 驱动电源的输出则大多数为可随 LED 正向压降值变化而改变电压的恒定电流源 LED 电 源核心元件包括开关控制器 电感器 开关元器件 MOSfet 反馈电阻 输入滤波器件 输出滤波器 件等等 根据不同场合要求 还要有输入过压保护电路 输入欠压保护电路 LED 开路保护 过流保 护等电路 4 2 2 LED 驱动电源的发展过程 LED 驱动电源的发展大体分为四个过程 第一个过程 工业电源驱动 6 早期 LED 照明驱动电源没有专用的驱动 IC 尤其是大功率的户外道路照明电源 大多都是用工业 用的恒压源来替代 应用电路比较复杂 部分 IC 的功能在 L ED 照明电路中并不需要而被闲置 造成 IC 资源的浪费而导致降价困难 不利于 LED 照明的推广和应用 第二个过程 恒压驱动 跨过工业电源时代 市场上己有了 LED 专用的 IC 但由于对 LED 的特性缺乏足够的认识 设计仍 以恒压源为主 LED 光源往往需要串联电阻限流 此种驱动方式最大缺点是 LED 电阻会消耗大量的能 量 使得 LED 的节能特性大打折扣 效率相对较低 此举也加大了灯具对散热的要求 同时要求 LED VF 值的一致性要好 第三个过程 恒流驱动 随着人类对 LED 特性的认识不断加深逐渐发现 LED 驱动的最佳方式应为恒流模式 这是由 LED 本身的伏安特性及温度特性决定的 市场上开始出现恒压模块组合的驱动方式 然而 这还没有达到 最佳状态 因为恒压源加恒流模块二级驱动电源的效率不高 为改善效率慢慢过渡到二合一恒流驱动 模式 自此 LED 驱动技术基本趋于稳定和成熟 第四个过程 智能控制 节能作为 LED 重要特性之一 在全球能源日益紧张的大背景下被寄予厚望 如何将 LED 节能的特 性发挥到极致 进一步节约能源 由此产生了 二次节能 的概念 智能 LED 驱动电源逐渐走上舞台 并得到快速发展和应用 5 2 3 LED 驱动电源的特点 1 高可靠 性特别像 LED 路灯的驱动电源 装在高空 维修不方便 维修的花费也大 2 高效率 LED 是节能产品 驱动电源的效率要高 对于电源安装在灯具内的结散热非常重要 电源的效率高 它的耗损功率小 在灯具内发热量就小 也就降低了灯具的温升 对延缓 LED 的光衰 有利 3 高功率因素 功率因素是电网对负载的要求 一般 70 瓦以下的用电器 没有强制性指标 虽 然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大 但晚上使用照明量大 同类负载太集中 会对电网产生较严重的污染 对于 30 瓦 40 瓦的 LED 驱动电源 据说不久的将来 也许会对功率因素 方面有一定的指标要求 4 驱动方式 现在通行的有两种 其一是一个恒压源供多个恒流源 每个恒流源单独给每路 LED 供电 这种方式 组合灵活 一路 LED 故障 不影响其他 LED 的工作 但成本会略高一点 另一种是 直接恒流供电也就是 中科慧宝 改采用的驱动方式 LED 串联或并联运行 它的优点是成本低一点 但灵活性差 还要解决某个 LED 故障 不影响其他 LED 运行的问题 这两种形式 在一段时间内并存 多路恒流输出供电方式 在成本和性能方面会较好 也许是以后的主流方向 5 浪涌保护 LED 抗浪涌的能力是比较差的 特别是抗反向电压能力 加强这方面的保护也很重 要 有些 LED 灯装在户外 如 LED 路灯 由于电网负载的启甩和雷击的感应 从电网系统会侵入各种 浪涌 有些浪涌会导致 LED 的损坏 因此分析 中科慧宝 的驱动电源在浪涌保护方面应该有一定的 欠缺 而至于电源及灯具频繁更换 LED 驱动电源要有抑制浪涌的侵入 保护 LED 不被损坏的能力 6 保护功能 电源除了常规的保护功能外 最好在恒流输出中增加 LED 温度负反馈 防止 LED 温 度过高 要符合安规和电磁兼容的要求 4 2 4 LED 驱动电源的分类 2 4 1 按驱动方式分类 1 恒流式 a 恒流驱动电路输出的电流是恒定的 而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围 内变化 负载阻值小 输出电压就低 负载阻值越大 输出电压也就越高 b 恒流电路不怕负载短路 但严禁负载完全开路 c 恒流驱动电路驱动 LED 是较为理想的 但相对而言价格较高 d 应注意所使用最大承受电流及电压值 它限制了 LED 的使用数量 2 稳压式 7 a 当稳压电路中的各项参数确定以后 输出的电压是固定的 而输出的电流却随着负载的增减而 变化 b 稳压电路不怕负载开路 但严禁负载完全短路 c 以稳压驱动电路驱动 LED 每串需要加上合适的电阻方可使每串 LED 显示亮度平均 d 亮度会受整流而来的电压变化影响 2 4 2 按电路结构方式分类 1 电阻 电容降压方式 通过电容降压 在闪动使用时 由于充放电的作用 通过 LED 的瞬间电 流极大 容易损坏芯片 易受电网电压波动的影响 电源效率低 可靠性低 2 电阻降压方式 通过电阻降压 受电网电压变化的干扰较大 不容易做成稳压电源 降压电阻 要消耗很大部分的能量 所以这种供电方式电源效率很低 而且系统的可靠也较低 3 常规变压器降压方式 电源体积小 重量偏重 电源效率也很低 一般只有 45 60 所以 一般很少用 可靠性不高 4 电子变压器降压方式 电源效率较低 电压范围也不宽 一般 180 240V 波纹干扰大 5 RCC 降压方式开关电源 稳压范围比较宽 电源效率比较高 一般可以做到 70 80 应用也 较广 由于这种控制方式的振荡频率是不连续 开关频率不容易控制 负载电压波纹系数也比较大 异常负载适应性差 6 PWM 控制方式开关电源 主要由四部分组成 输入整流滤波部分 输出整流滤波部分 PWM 稳 压控制部分 开关能量转换部分 PWM 开关稳压的基本工作原理就是在输入电压 内部参数及外接负 载变化的情况下 控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈 调节主电路开关器件导 通的脉冲宽度 使得开关电源的输出电压或电流稳定 即相应稳压电源或恒流电源 电源效率极高 一般可以做到 80 90 输出电压 电流稳定 一般这种电路都有完善的保护措施 属高可靠性电源 1 2 5 LED 电源的不足 LED 驱动电源目前存在不足的原因 1 生产 LED 照明及相关产品的公司的技术人员对开关电源的了解不够 做出的电源是可以正常工 作 但一些关键性的评估及电磁兼容的考虑不够 还是有一定得隐患 2 大部分 LED 电源生产企业都是从普通的开关电源转型过来做 LED 电源 对 LED 的特点及使用认 识还不够 3 目前关于 LED 的标准几乎没有 大部分都是参考开关电源和电子整流器的标准 现在大部分 LED 电源没有统一 所以量大部分都比较小 采购量小 价格就偏高 而且元器件供应商也不太配合 4 LED 电源的稳定性 宽电压输入 高温和低温工作 过温 过压保护等问题都没有一一解决 首先是驱动电路整体寿命 尤其是关键器件如 电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命 是 LED 驱动器应挑战更高的转换效率 尤其是在驱动大功率 LED 时更是如此 因为所有未作为光输出的 功率都作为热量耗散 电源转换效率的过低 影响了 LED 节能效果的发挥 目前在功率较小 1 5W 的 应用场合 恒流驱动电源成本所占的比重已经接近 1 3 已经接近了光源的成本 一定程度上影响了 市场推广 4 3 LED 调光驱动的