(33-34)LED驱动电源的设计.pptVIP

LED驱动电源的设计 LED驱动电源的概念 原始电源有各种形式 但无论哪种电源 一般都不能直接给LED供电 因此 要用LED作照明光源就要解决电源变换问题 LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件 LED驱动应具有直流控制 高效率 PWM调光 过压保护 负载断开 小型尺寸以及简便易用等特点 开关电源 开关电源是利用现代电力电子技术 控制开关晶体管开通和关断的时间比率 维持稳定输出电压的一种电源 开关电源一般由脉冲宽度调制 PWM 控制IC和MOSFET构成 PWM控制IC MOSFET 开关电源的工作流程 当市电进入电源后 先经过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号 然后经过整流和滤波得到高压直流电 接着通过开关电路把直流电转为高频脉动直流电 再送高频开关变压器降压 然后滤除高频交流部分 这样最后输出供设备使用相对纯净的低压直流电 开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器 EMI 整流滤波电路 功率变换电路 PWM控制器电路 输出整流滤波电路组成 辅助电路有输入过欠压保护电路 输出过欠压保护电路 输出过流保护电路 输出短路保护电路等 开关电源的电路组成方框图如下 开关电源拓扑结构 串联型开关稳压电路 在主回路中开关器件 下图中所示的开关三极管T 与输入端 输出端 电感器L 负载RL四者成串联连接的关系 开关管T交替工作于通 断两种状态 当开关管T导通时 输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电 并同时对电感器L充电 当开关管T关断时 电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通 电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路 对负载R继续供电 从而保证了负载端获得连续的电流 联式结构 只能获得低于输入电压的输出电压 因此为降压式变换 并联型开关稳压电路 主回路中 相对于输入端而言 开关器件 下图中所示的开关三极管T 与输出端负载成并联连接的关系 开关管T交替工作于通 断两种状态 当开关管T导通时 输入端电源通过开关管T对电感器L充电 同时续流二极管D关断 负载R靠电容器存储的电能供电 当开关管T关断时 续流二极管D导通 输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后 通过续流二极管D对负载R供电 并同时对电容器C充电 此可见 并联式结构中 可以获得高于输入电压的输出电压 因此为升压式变换 并且为了获得连续的负载电流 并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求 极性反转型换能电路 输出电压与输入电压的极性相反 电路的基本结构特征是 在主回路中 相对于输入端而言 电感器L与负载成并联 关管T交替工作于通 断两种状态 工作过程与并联式结构相似 当开关管T导通时 输入端电源通过开关管T对电感器L充电 同时续流二极管D关断 负载RL靠电容器存储的电能供电 当开关管T关断时 续流二极管D导通 电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电 并同时对电容器C充电 由于续流二极管D的反向极性 使输出端获得相反极性的电压输出 单端正激式开关电源 单端 通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器 正激 脉冲变压器的原 付边相位关系 确保在开关管导通 驱动脉冲变压器原边时 变压器付边同时对负载供电 该电路的最大问题是 开关管T交替工作于通 断两种状态 当开关管关断时 脉冲变压器处于 空载 状态 其中储存的磁能将被积累到下一个周期 直至电感器饱和 使开关器件烧毁 图中的D3与N3构成的磁通复位电路 提供了泄放多余磁能的渠道 单端反激式开关电源 反激式电路与正激式电路相反 脉冲变压器的原 付边相位关系 确保当开关管导通 驱动脉冲变压器原边时 变压器付边不对负载供电 即原 付边交错通断 脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决 但是 由于变压器存在漏感 将在原边形成电压尖峰 可能击穿开关器件 需要设置电压钳位电路予以保护D3 N3构成的回路 从电路原理图上看 反激式与正激式很相象 表面上只是变压器同名端的区别 但电路的工作方式不同 D3 N3的作用也不同 推挽式换能电路 这种电路结构的特点是 对称性结构 脉冲变压器原边是两个对称线圈 两只开关管接成对称关系 轮流通断 工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器 主要优点 高频变压器磁芯利用率高 与单端电路相比 电源电压利用率高 与后面要叙述的半桥电路相比 输出功率大 两管基极均为低电平 驱动电路简单 主要缺点 变压器绕组利用率低 对开关管的耐压要求比较高 至少是电源电压的两倍 全桥式开关电源 这种电路结构的特点是 由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边 图中T1 T4为一对 由同一组信号驱动 同时导通 关端 T2 T3为另一对 由另一组信号驱动 同时导通 关端 两对开关管轮流通 断 在变压器原边线圈中形成正 负交变的脉冲电流 主要优点 与推挽结构相比 原边绕组减少了一半 开关管耐压降低一半 主要缺点 使用的开关管数量多 且要求参数一致性好 驱动电路复杂 实现同步比较困难 这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中 半桥式开关电源 电路的结构类似于全桥式 只是把其中的两只开关管 T3 T4 换成了两只等值大电容C1 C2 主要优点 具有一定的抗不平衡能力 对电路对称性要求不很严格 适应的功率范围较大 从几十瓦到千瓦都可以 开关管耐压要求较低 电路成本比全桥电路低等 这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC变换器 如电子荧光灯驱动电路中 LED照明驱动电源的工作原理 LED电源设计要点 高可靠性 特别是对LED路灯的驱动电源 安装在高空中 维修不方便成本也高 高效率 LED是节能产品 电源的效率要高 特别是对于安装在灯具内部的电源更为重要 因为LED的发光效率随LED温度的升高而降低 电源效率越高 损耗越少 在灯具内发热量小 可以降低灯具内温升 对延缓LED光衰有利 功率因数 功率因数是电网对于负载的要求 一般70W以下的电器没有功率因数的要求 小功率的低功率因数负载大量同时使用的话 会对电网造成较严重的污染 LED电源设计要点 驱动方式 主要有两种 一个是多路恒流 一个恒压源供多个恒流 每个恒流源给一路LED串供电 还有一个是直接恒流 LED串联或者并联运行 浪涌保护 浪涌电流是指电网中出现的短时间象 浪 一样的高电压引起的大电流 当某些大容量的电气设备接通或断开时间 由于电网中存在电感 将在电网产生 浪涌电压 从而引发浪涌电流 LED由于本身特性的原因 抗浪涌能力较差 特别是反向抗压能力 因此加入浪涌保护电路非常必要 保护电路 除常规的欠压保护 过压保护 过流保护外 最好加入温度反馈电路 因为LED温升对寿命及发光效率都有影响 防止LED温度过高对LED寿命及延长光衰有利 LED电源设计要点 符合安规及电磁兼容的要求安规就是安全规范 目前是指电子产品在设计中必须保持和遵守的规范 安规的特点是 安规强调对使用和维护人员的保护 是我们使用电子产品方便同时 不让电子产品给我们带来危险 同时允许设备部分或全部功能丧失 安规是使用安全规范来考虑电子产品 使产品更加安全 电磁兼容 ElectromagneticCompatibility 简称EMC 是在电学中研究意外电磁能量的产生 传播和接收 以及这种能量所引起的有害影响 电磁兼容的目标是在相同环境下 涉及电磁现象的不同设备都能够正常运转 而且不对此环境中的任何设备产生难以忍受的电磁干扰之能力 LED驱动电源基础知识 主要内容概括 1 LED驱动电源的重要性2 LED驱动的技术方案3 LED与LED驱动电源的匹配4 LED驱动电源使用中应注意的问题 1 LED驱动电源的重要性 接触过LED的人都知道 由于LED正向伏安特性非常陡图1 1 正向动态电阻非常小 要给LED正常供电就比较困难 不能像普通白炽灯一样 直接用电压源供电 否则电压波动稍增 电流就会增大到将LED烧毁的程度 为了稳定LED的工作电流 保证LED能正常可靠地工作 具有 镇流功能 的各种各样的LED驱动电路就应运而生 最简单的是串联一只镇流电阻 而比较复杂的是用许多电子元件构成的 恒流驱动器 图1 图1 1 2 LED驱动的技术方案 一镇流电阻方案此方案的原理电路图见图1 这是一种极其简单 自LED面世以来至今还一直在用的经典电路 LED工作电流I按下式计算 1 I与镇流电阻R成反比 当电源电压U上升时 R能限制I的过量增长 使I不超出LED的允许范围 此电路的优点是简单 成本低 缺点是电流稳定度不高 电阻发热消耗功率 导致用电效率低 仅适用于小功率LED范围 一般资料提供的镇流电阻R的计算公式是 2 按此公式计算出的R值仅满足了一个条件 工作电流I 而对驱动电路另两个重要的性能指标 电流稳定度和用电效率 则全然没有顾及 因此用它设计出的电路 性能没有保证 二镇流电容方案 电路的工作是基于在交流电路中 电容存在容抗XC也有 镇流作用 的原理 另外电容消耗无功功率 不发热 而电阻则消耗有功功率 会转化为热能耗散掉 所以镇流电容比镇流电阻 能节省一部分电能 并能设计成将LED灯直接接到市电 220V上 使用更为方便 此方案的优点是简单 成本低 供电方便 缺点是电流稳定度不高 效率也不高 仅适用于小功率LED范围 当LED的数量较多 串联后LED支路电压较高的场合更为适用 三线性恒流驱动电路 上面已经提到电阻 电容镇流电路的缺点是电流稳定度低 I I达 20 50 用电效率也低 约50 70 仅适用于小功率LED灯 为满足中 大功率LED灯的供电需要 利用电子技术常见的电流负反馈原理 设计出恒流驱动电路 和直流恒压电源一样 按其调整管是工作在线性 还是开关状态 恒流驱动电路也分成两类 线性恒流驱动电路和开关恒流驱动电路 图4是最简单的两端线性恒流驱动电路 它借用三端集成稳压器LM337组成恒流电路 外围仅用两个元件 电流取样电阻R和抗干扰消振电容C 四开关电源驱动电路 上述线性恒流驱动电路虽具有电路简单 元件少 成本低 恒流精度高 工作可靠等优点 但使用中也发现几点不足 a 调整管工作在线性状态 工作时功耗高发热大 特别是工作压差过大时 不仅要求较大尺寸的散热器 而且降低了用电效率 b 电源电压要求按公式 13 与LED工作电压严格匹配 不允许大范围改变 也就是说它对电源电压及LED负载变化的适应性差 c 它仅能工作在降压状态 不能工作在升压状态 即电源电压必须高于LED工作电压 d 供电不太方便 一般要配开关稳压电源 不能直接用 220V供电 输入整流 将正负变化的交流电变成单向变化的直流电滤波 将变化的电压波形平滑成波动较小的直流电压波形变压器 储存能量 产生需要的输出电压 原 副边隔离 输出稳压 稳定输出电压取样反馈 将输出电压的变化反映到控制电路 以便采取相应的措施保证输出电压在规定的范围内PWM 开关 控制电路 根据反馈回来的信号控制变压器储存能量的多少 从而保证输出的稳定 1 恒压式 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 恒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 采用开关电源驱动的优点 效率高 一般可以做到80 90 输出电压 电流稳定 输出纹波小 且这种电路都有完善的保护措施 属高可靠性电源 LED驱动电源主要有恒压式和恒流式 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 开关恒流驱动电路恒流源和恒压源不同之处就是恒流的那部分电路 恒流部分 它主要由T1 R8 R9 R5组成 三级管的导通电压0 7V是已知量 R8阻值也是已知量 当电路开始工作后 只要R8和流过R8的电流乘积大于0 7V 三极管开始工作 电路就进入恒流工作 LED与LED驱动电源的匹配 我们已经很清楚的知道LED驱动电源只有两种方式 恒流式 电流不变电压在一定范围内变化 随负载变化 恒压式 电压不变电流在一定范围内变化 随负载变化 而LED灯配合的方式有三种 串联式 并联式 串并混联式 串联式 要求LED驱动器输出较高的电压 当LED的一致性差别较大时 分配在不同的LED两端电压不同 通过每颗LED的电流相同 LED的亮度一致 当某一颗LED品质不良短路时 如果采用稳压式驱动 由于驱动器输出电压不变 那么分配在剩余的LED两端电压将升高 驱动器输出电流将增大 导致容易损坏余下所有LED 如采用恒流式LED驱动 当某一颗LED品质不良短路时 由于驱动器输出电流保持不变 不影响余下所有LED正常工作 当某一颗LED品质不良断开后 串联在一起的LED将全部不亮 解决的办法是在每个LED两端并联一个齐纳管 当然齐纳管的导通电压需要比LED的导通电压高 否则LED就不亮了 并联式 要求LED驱动器输出较大的电流 负载电压较低 分配在所有LED两端电压相同 当LED的一致性差别较大时 而通过每颗LED的电流不一致 LED的亮度也不同 可挑选一致性较好的LED 适合用于电源电压较低的产品当某一个颗LED品质不良断开时 如果采用恒压式LED驱动 驱动器输出电流将减小 而不影响余下所有LED正常工作 如果是采用恒流式LED驱动 由于驱动器输出电流保持不变 分配在余下LED电流将增大 导致容易损坏所有LED 解决办法是尽量多并联LED 当断开某一颗LED时 分配在余下LED电流不大 不至于影响余下LED正常工作 所以功率型LED做并联负载时 不宜选用恒流式驱动器 当某一颗LED品质不良短路时 那么所有的LED将不亮 但如果并联LED数量较多 通过短路的LED电流较大 足以将短路的LED烧成断路 串并混联方式 在需要使用比较多LED的产品中 如果将所有LED串联 将需要LED驱动器输出较高的电压 如果将所有LED并联 则需要LED驱动器输出较大的电流 将所有LED串联或并联 不但限制着LED的使用量 而且并联LED负载电流较大 驱动器的成本也会大增 解决办法是采用混联方式 串并联的LED数量平均分配 分配在一串LED上的电压相同 通过同一串每颗LED上的电流也基本相同 LED亮度一致 同时通过每串LED的电流也相近 当某一串联LED上有一颗品质不良短路时 不管采用恒压式驱动还是恒流式驱动 这串LED相当于少了一颗LED 通过这串LED的电流将大增 很容易就会损坏这串LED 大电流通过损坏的这串LED后 由于通过的电流较大 多表现为断路 断开一串LED后 如果采用恒压式驱动 驱动器输出电流将减小 而不影响余下所有LED正常工作 如果是采用恒流式LED驱动 由于驱动器输出电流保持不变 分配在余下LED电流将增大 导致容易损坏所有LED 解决办法是尽量多并联LED 当断开某一颗LED时 分配在余下LED电流不大 不至于影响余下LED正常工作 混联方式还有另一种接法 即是将LED平均分配后 分组并联 再将每组串联一起 当有一颗LED品质不良短路时 不管采用恒压式驱动还是恒流式驱动 并联在这一路的LED将全部不亮 如果是采用恒流式LED驱动 由于驱动器输出电流保持不变 除了并联在短路LED的这一并联支路外 其余的LED正常工作 假设并联的LED数量较多 驱动器的驱动电流较大 通过这颗短路的LED电流将增大 大电流通过这颗短路的LED后 很容易就变成断路 由于并联的LED较多 断开一颗LED的这一并联支路 平均分配电流不大 依然可以正常工作 哪么整个LED灯 仅有一颗LED不亮 如果采用恒压式驱动 LED品质不良短路瞬间 负载相当少并联一路LED 加在其余LED上的电压增高 驱动器输出电流将大增 极有可能立刻损坏所有LED 幸运的话 只将这颗短路的LED烧成断路 驱动器输出电流将恢复正常 由于并联的LED较多 断开一颗LED的这一并联支路 平均分配电流不大 依然可以正常工作 哪么整个LED灯 也仅有一颗LED不亮 通过对以上分析可知 驱动器与负载LED串并联方式搭配选择是非常重要的 恒流式驱动功率型LED是不适合采用并联负载的 同样的 恒压式LED驱动器不适合选用串联负载 LED驱动电源恒压源系列产品 工程中的简易计算方法 例 SLT5 12VC额定输出功率为5W电源 输出电压12V 白光LED额定正向电压3 3V 耗散功率为65mW 可配置多少个LED 1 计算每条支路的LED个数 3 3V 3 9 9V65mW 3 3V 20mA 12V 9 9V 20mA 105 2 计算并联支路数 5W 65mW 3 20mA 20mA 105 21 3 总共可以接多少个LED 21 3 63个 串并混联 例 SLT10 350IF一个额定输出电流为DC0 35A 额定功率为10W电源 耗散功率为65mW 正向电为0 02A的白光LED 可怎样配置 1 计算每条支路的LED个数 10W 0 35A 28 6V65mW 0 02A 3 25V28 6V 3 25V 8 2 计算并联支路数 0 35A 0 02 18 3 总共可以接多少个LED 8 18 144个 串并混联 4 LED驱动电源使用中应注意的问题A LED降额使用 B 使用线性恒流驱动器 特别注意其工作压差 C 隔离式开关恒流驱动器次级输出电源不宜悬空 负极应接地 D 对开关恒流驱动器 要严格遵守 先接好LED灯 再接通驱动器电源的操作顺序 如果相反操作 在接通LED灯瞬间 将会有极大的冲击电流通LED灯 威胁LED灯的使用安全 现以图10电路为例 对此冲击电流值作一下计算 并对其产生原因作一次分析 我们公司针对瞬间电流冲击问题研究了新型的解决方案 在输出端加入限流电路 主要有两种实现方案 a 串联连接方式 将多余部分的能量消耗在限流电路内部 通过将多余的能量堵在负载之前 保证在连接开关闭合的瞬间流过LED灯负载上的电流在LED灯所允许的电流范围之内 b 并联连接方式 同样也是将多余部分的能量消耗在限流电路内部 通过将多余的能量引到限流电路上 保证流过LED灯上的电流在LED灯的安全电流范围之内 a 串联连接电路 串联限流电路 配置在高频滤波电容 C3 和恒流回路