大功率LED照明的恒流驱动技术电源网2011

大功率LED照明的恒流驱动技术上海大学自动化系刘廷章liutzh2011.07.09,汇报提纲,一、大功率LED照明概述二、LED特性与驱动要求三、LED恒流驱动技术四、LED驱动设计技巧五、我们的工作六、总结与展望,1。大功率LED早期的LED：功率几十mW，光效最高1Lm/W，只能用于显示领域大功率LED：单管功率超过1W，光效超过20Lm/W，可白光可彩色，进入照明领域成为可能目前水平：商用LED光效达160Lm/W(CREE，2011.1)，实验室已达231Lm/W（CREE，2011.5）,0.01W,0.5W,1W,3W,一、大功率LED照明概述,2。大功率LED照明的优点节能高光效：能耗较白炽灯减少80%稳定性：长寿命，高流明维持率安全：低电压带来更好的安全性环保：无有害金属汞小型化：LED芯片3-5mm正方形,可制成各种形状,易隐蔽响应时间：白炽灯响应时间为毫秒级，LED灯为纳秒级，且开关次数与寿命无关控制灵活：轻松控制颜色与亮度变化，实现多种控制模式全固态，抗振性能好冷光束，无紫外线（UV）辐射,一、大功率LED照明概述,3。LED照明技术的主要应用领域景观照明交通信息显示道路、桥梁照明室内照明大屏幕显示汽车照明LED背光源（手机、MP3、液晶电视）,一、大功率LED照明概述,4。国际形势各国大力推行LED照明产业促进计划日本：“21世纪照明计划”（1998年）2008年宣布：3年内停止产销白炽灯美国：“下一代照明计划”（2000年）2007.12CleanEnergyAct：2014.1禁止3102600Lm的白炽灯（40150W）欧盟：“彩虹计划”（2000年）白炽灯禁令：2009.9.1禁磨沙灯泡和100W以上，2010.9.1禁75W以上，2011.9.1禁60W以上，2012.9.1完全禁止韩国：“固态照明计划”（2004年）2015年LED满足30照明需求LED照明产业已经形成美、亚、欧三足鼎立局面,一、大功率LED照明概述,5。国内形势国家战略：国家节能减排大背景2003年启动“国家半导体照明工程”2009年“十城万盏”2010年战略性新兴产业（LED照明为节能环保中六类之一）我国照明产业：2009年2011亿元/出口143亿美元，世界第一大照明电器生产国和出口国，占全球18%市场份额未来10年LED将成为主流光源，是传统照明产业转型的方向奥运世博亚运大规模示范应用说明技术成熟度已满足工程应用需求，已到大面积推广阶段市场巨大：城市亮化、节能改造有巨大市场,一、大功率LED照明概述,6.上海形势国家7个半导体照明工程产业化基地之一（2003）21个“十城万盏”半导体照明应用工程试点城市之一（09）上海明确将LED定位为战略性新兴产业（2009）国家半导体照明应用系统工程技术研究中心（2011）连续多年实施光电子科技攻关专项、半导体照明重大科技攻关项目、世博科技专项通过政府投入实施半导体照明示范工程，以示范应用带动半导体照明产业的发展，如崇明前卫村、罗山路立交、东方明珠改造工程等,一、大功率LED照明概述,汇报提纲,一、大功率LED照明概述二、LED特性与驱动要求三、LED恒流驱动技术四、LED驱动设计技巧五、我们的工作六、总结与展望,以绿色5mmLED举例说明：电压3.5V时，LED电流为标准值20mA，正常工作当电压3.8V时，LED电流为50mA，已超过LED的正常使用标准，其寿命及光衰会大幅度恶化当电压4.2V时，LED电流为110mA，LED将很快损坏。电压增加10，电流增加100以上,1。LED驱动特性Vf-I非线性关系，VfVonIRd光通量与驱动电流成正比微小的电流波动也会对LED的寿命与光衰产生极大影响LED最好恒流驱动,二、LED特性与驱动要求,2。LED驱动电源的重要性驱动电源是大功率LED灯具工作的必需部件LED需要恒流驱动，如果驱动精度不高、性能不稳定LED灯光衰、失效、损坏目前LED灯具故障80源于驱动可靠性问题，使整灯寿命远低于LED器件本身的10万小时寿命光效是LED最主要指标，驱动环节效率不高影响整体光效，目前驱动环节的效率一般在7090LED驱动目前主流采用高频开关方式，引发电磁兼容EMC问题,二、LED特性与驱动要求,3。LED驱动电源主要要求恒流（或至少恒压）高效率高可靠性良好电磁兼容EMC电气安全性好,二、LED特性与驱动要求,汇报提纲,一、大功率LED照明概述二、LED特性与驱动要求三、LED恒流驱动技术四、LED驱动设计技巧五、我们的工作六、总结与展望,三、LED恒流驱动技术,LED驱动电源的基本功能首要功能：输入电压电流要求的电压电流辅助功能：保护、安全、电磁兼容等,外部供电输入,要求的电流电压功率,2.LED驱动电源的主要架构输入处理：各种输入的归一化（交流整流，幅值调整）、隔离、滤波等辅助电路：冲击吸收、EMC、异常保护、PFC等DC-DC变换：电路调节输出调节恒流输出输出处理：滤波等反馈：输出变量采样，如负载电流、电压等控制：反馈比较电路调节指令，保护策略等,三、LED恒流驱动技术,3.LED驱动电源的基本分类（1）按输入分标准交流输入型：市电直流输入型：太阳能，电池等特殊输入型：作为替代灯具需兼容的已有输入接口（2）按控制分全电路型专用管理芯片型CPU型（3）按主电路结构分镇流电阻型线性电源型电荷泵型高频开关型（非隔离/隔离型),三、LED恒流驱动技术,4。Boost型非隔离DC/DC恒流驱动电路（1）基本拓扑基本功能：DC-DC升压恒流原理：,三、LED恒流驱动技术,（2）一个Boost恒流驱动案例：12VDC输入，负载10个1W/3.4VLED5串2并采用BoostDC-DC升压电路,CPU根据检测的LED电流，对比设定值，根据误差调整PWM占空比，调节输出使电流恒定，实现恒流驱动也可用恒流芯片如XL6004代替CPU,三、LED恒流驱动技术,恒流模块效率,恒流模块输出电流值,输出电压,输出电流（0.31欧采样）,恒流模块测试,三、LED恒流驱动技术,（1）基本拓扑基本功能：DC/DC、AC/DC宽范围升降压，连续模式时工作原理：Q导通时：变压器一次侧储能，二极管VD截止，由电容C向负载供电Q截止时：二极管VD导通，变压器二次侧NS向负载放电以及向电容充电,5。Flyback型隔离AC/DC恒流驱动电路,三、LED恒流驱动技术,（2）Flyback型恒流驱动案例输入电压220VAC(20%)、输出电压10.20V、输出电流1.100A、负载为3并3串LED阵列（1W/350mA/3.4V）采用TinySwitch-III为核心的反激式LED恒流驱动电路TinySwitchTNY277：PI公司电源芯片，集成了700VMOSFET振荡器高压开关电流源限流及热关断,三、LED恒流驱动技术,TL341：阴极连参考极，阴、阳极之间2.5VR1：将负载电流转为电压，线性变换后输入运放运放LM358：R1检测值与设定电流比较光耦PC817：检测值超过设定时，运放输出增大驱动光耦，从U1的EN/UV脚拉出电流超阈值，MOSFET关多个周期减电流；检测值未超过设定时，MOSFET正常,三、LED恒流驱动技术,实验结果：输入电压波动20%，输出电流最大只有0.001A变化平均转换效率约为78%左右,三、LED恒流驱动技术,汇报提纲,一、大功率LED照明概述二、LED特性与驱动要求三、LED恒流驱动技术四、LED驱动设计技巧五、我们的工作六、总结与展望,1.驱动效率选择合适的主电路结构计算、选取合理的电路器件参数选择导通电阻小的开关管高频开关采用软开关技术,四、LED驱动设计技巧,金属氧化物N沟道功率MOSFETIRF640与3205比较,软开关、硬开关波形比较,硬开关损耗,四、LED驱动设计技巧,2.结温测量结温直接关系LED芯片寿命过温保护、热降额补偿等功能都需要结温测量结温测量目前有很多难点,四、LED驱动设计技巧,一种新的结温测量方法：测量正向电压计算结温,1W白光LED在典型工作温度范围内6个结温下的I-V特性,四、LED驱动设计技巧,1W白光LED在不同驱动电流下的V-结温T特性,限制：高质量InGaNLED；正向电流在中间段100uA-10mA,实际测量方法：工作模式正常驱动电流，10s；测量模式驱动电流100uA左右，0.01s。,四、LED驱动设计技巧,3.可靠性设计（1）可靠性均衡设计技术要在设计中贯穿可靠性因素，建立LED产品的可靠性设计准则根据使用要求、目前技术条件及技术经济分析，评估LED产品中各部件的可靠性水平，制定合理的整体可靠性目标值根据整体可靠性目标值，在零部件间进行可靠性平衡设计通过可靠性试验获取试验数据，进行整体可靠性验证及设计改进，形成闭环反馈体系针对已有LED产品，采集各关键部件的可靠性设计指标，进行可靠性均衡分析，建立可靠性均衡分析模型,四、LED驱动设计技巧,（2）冲击吸收电路LED电源开机输出有过冲电流和过冲电压，会对LED的寿命造成影响,需设计限流吸收机制。,故障电源,四、LED驱动设计技巧,（3）电解电容电解电容是电源可靠性瓶颈，一般产品标称寿命1000H在实际应用中，使用寿命计算一般简化为“十度法则”，也就是从室温算起，温度每升高10度，元器件的寿命减半如果电解电容寿命为105时寿命5000h（标称值），工作温度在85内时寿命为20000h，可满足一般要求解决电解电容可靠性瓶颈的方法：采用高性能电容；控制工作温度；通过电路设计减小电容容值规格,四、LED驱动设计技巧,汇报提纲,一、大功率LED照明概述二、LED特性与驱动要求三、LED恒流驱动技术四、LED驱动设计技巧五、我们的工作六、总结与展望,五、我们的工作,1.LED照明恒流驱动技术*台达基金市教委基金企业委托AC输入型恒流驱动电子变压器输入型恒流驱动调光型恒流驱动太阳能供电型恒流驱动,2。照明网络监控技术,*科委课题临港新城LED光电照明应用技术及示范三层控制模型两级B/S模式B/S和C/S结合J2EE平台Java/JSP技术,五、我们的工作,3.LED照明驱动测试技术*09市科委课题LED照明驱动模块质量检测方法研究（1）LED驱动模块质量检测指标体系LED电源输入特性指标LED电源输出特性指标电源暂态特性指标电源保护特性指标电源EMC特性指标电源环境适应性指标电气安全特性指标可靠性及其他指标（2）LED驱动模块专用指标检测方法,五、我们的工作,(3)LED电源工程测试应用,五、我们的工作,延安路高架LED护栏管电源测试,内环漕溪路立交LED灯具电源测试,4.LED照明工程跟踪评价*10市科委课题世博场馆LED技术与工程评估研究场馆LED照明工程的技术分析场馆LED照明工程的评价体系场馆LED照明工程的运行监控与维护技术场馆LED照明工程的跟踪测评,五、我们的工作,2010年上海世博会成为全球最大的LED照明示范区世博园区LED芯片用量约10.3亿个，LED灯具20多万盏160个建筑98.2%使用LED，80%以上夜景照明光源用LED综合节能效率达30%以上,五、我们的工作,6。LED照明标准制定（1）上海市地方标准DB31/T468.1-2009：采用LED技术的照明工程