LED制造技术与应用3-1

1、第三篇大功率LED照明设备的驱动电路设计及器件封装 天津轻工职业技术学院天津轻工职业技术学院光伏发电技术及应用专业，电子信息与自动化学院LEDLED制造技术与应用制造技术与应用 大功率大功率LED照明设备的驱动电路设计及器件封装照明设备的驱动电路设计及器件封装 LED驱动器是指驱动LED发光或LED模块组件正常工作的电源调整电子器件。由于LED驱动器在LED应用产品上的独到重要性和广泛的用户需求，使得作为LED驱动器的心脏部件的LED驱动IC成了整个技术环节中的关键元素。促使很多生产商，其中不乏上市公司，以LED驱动作为其主营产品，向下游产业大量供应LED驱动IC。 1对输出功率和效率的要求，

2、这涉及到LED正向电压范围、电流及LED排列方式等。 2 对供电电源的要求。可分为三种方式：AC-DC电源、DC-DC电源和直接采用AC电源驱动。 3 对功能的要求，其中包括对调光的要求、对调光方式（模拟、数字或多级）的要求、对照明控制的要求等。 4 其他方面的要求：尺寸的大小，是否适合现代社会的发展方向，集成化小型化，外围元件少而小，使其占印刷电路板面积小，以便小尺寸封装；成本的控制、故障处理（保护特性）及是否有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护；要遵从的标准及可靠性等。 从LED器件的发光机理可以知道，当向LED器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光

3、。因此LED的驱动就是如何使它的州结处于正偏置，而是为了控制（调节）它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方法可以分为直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等。1直流驱动直流驱动 直流驱动是最简单的驱动方法，由电阻及与发光二极管MD串联后直接连接到电源比上。连接时令LED的阴极接电源的负极方向，阳极接正极方向。只要保证LED处于正偏置，发光；极管与电阻的位置是可以互换的。直流驱动时，LED的工作点由电源电压Vcc、串联电阻及和LED器件的伏安特性共同决定。对应于工作点的电压电流分别为Vf和If改变Vcc的值或R的值，可以调节JJ的值，从而调节LED的发先强度。1直流驱动直流驱动图

4、3.1.1 LED的直流驱动1直流驱动直流驱动图3.1.2 LED器件的并联与串联驱动(a) LED并联驱动(b) LED串联驱动1直流驱动直流驱动在串联情况下，有其中，n为串联的LED器件数量。在并联情况下，有 在并联连接时，应该注意各个LED器件需要有自己的串联（限流）电阻，而不要共用一个串联电阻因为共用同一电阻使得各个LED器件的正向电压相同，而器件的分散性将造成在相同的正向电压下其正向电流并不相同，导致各器件的发光强度不同。2恒流驱动恒流驱动 由于LED器件的正向特性比较陡，加上器件的分散性，使得在同样电源电压和同样的限流电阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，引起发光强度的差异。如果

5、能够对LED正向电流直接进行恒流驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近（同样存在着发光强度与正向电流之间各个器件的分散性，但是这种分散性没有伏安特性那么陡，所以影响也就小很多了）。我们知道，晶体管的输出特性具有恒流性质，所以可以用品体管驱动LED。2恒流驱动恒流驱动图3.1.3 使用晶体管恒流驱动LED器件2恒流驱动恒流驱动 可以将晶体管与比D器件串联在一起，这时LED的正向电流就等于晶体管的集电极电流，如图3.1.3所示。如果直接使用品体管基极电流控制其集电极电流的话，由于晶体管放大倍数的分散性，同样的基极电流，会产生不同的集电极电流。因此应该采用基极电压控制方式，即在发射极中串联电阻Re

6、，这时有 式中，Vb为外加基极电压，Vbe为基极发射极电压。由于晶体管Vbe的分散性比放大倍数点的分散性要小，所以各LED器件的正向电流在其Vb与Re相同的情况下，基本上是可以保证是一致的。此外电压控制方式比电流控制方式更方便。3脉冲驱动脉冲驱动 利用人眼的视觉惰性、采用向LED器件重复通断供电的方法点亮LED，就是通常所说的脉冲驱动方式。采用脉冲驱动方式时应该注意两个问题：脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度的话，脉冲驱动电流的平均值Ia就应该与直流驱动的电流值相同。如图3.1.4所示，平均电流Ia是瞬时电流i的时间积分对于矩形波来说，有3脉冲驱动脉

7、冲驱动图3.1.4 LED的脉冲驱动3脉冲驱动脉冲驱动 其中tonT就是占空比的一种描述，严格意义上的占空比应该是tontoff，但因toffT-ton，所以tonT也就间接表示了tontoff。为了使脉冲驱动方式下的平均电流Ia与直流驱动电流Io相同，就需要使它的脉冲电流幅值满足 可见脉冲驱动时、脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大tontoff倍。所幸的是脉冲驱动下的最大允许电流幅值比直流驱动的电流最大允许值高得多。4扫描驱动扫描驱动 扫描驱动通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。图3.1.5 扫描驱动电路4扫描驱动扫描驱动 上图所示为用于对n个LED器件进行扫描

8、驱动的电路。假定切换电路在切换过程中没有时间延迟，且每个LED的导通时间ton是相等的。则占空比ton/T=1/n。此时的驱动电流幅值IF应该等于相当直流驱动电流Io的n倍，才能达到与相当直流驱动一样的效果。 当然If之值必须小于该器件的最大允许脉冲幅值电流。这样，n的值就不可能取得太大，否则不是显示亮度不够，就是电流超过极限位。一般n最大取为16，这时的显示亮度大约是直流驱动下能够显示的最大亮度的l4。这个亮度对于室内应用，一般是能够满足要求的，但对于室外应用就不行了。室外应用时，n可选择为4。 在实际应用大功率 LED 灯时，首先应当了解其关键参数和重要特性，比较常关注的参数如下： 1最大

9、功耗Pm：是指允许加在 LED 两端正向电压与正向电流之积的最大值。如果超过此值，LED 将发热烧毁。 2正向最大电流IFm：指允许正向加在 LED 两端的最大直流电流。 3正向额定电流IF：指 LED 额定功率工作时的电流，一般情况下IF0.6IFm。指示灯 LED 一般IF10mA，大功率 LED 一般IF350mA。 4正向压降VF ：LED 额定电流工作时的压降，一般在IF350mA 测得。 5反向最大耐压VRm ：指允许反向加在 LED 两端的最大电压。若超过该值，发光二极管可能被击穿损坏。 6工作环境温度范围topm ：LED 可正常工作的环境温度范围。若不在此温度范围内工作，LE

10、D 的发光效率会大大降低。 除此之外，还有结温、发光强度、光谱宽度、焊接时间等参数。 1电学特性具有离散性电学特性具有离散性 现在市场上的主流大功率 LED 产品中，有白光、红光和蓝光三种 LED，由于其制作工艺和原理的不同，三种光色的大功率 LED 额定工作时正向压降都不一样，其中白光 LED 的正向压降VF比一般的有色 LED 都要高，大约在 3V4V 之间，而红光 LED 的正向压降一般只要 1V2V 左右。另外，即使同为白光 LED，由于元件不可能一模一样，不相同的 LED 在相同正向电压下，流过它们的电流也具有很大的离散性。图 3.2.1 所示曲线是从两个不同的白光 LED 生产厂家

11、的产品中各取三个样品进行测试所得的 I-V 特性曲线，从图中可以看出，这样的六颗不同 LED在一相同电压的驱动下，正向电流差异可从 10mA 到 43mA（3.4V 电压下）不同。1电学特性具有离散性电学特性具有离散性图3.2.1 不同白光 LED 的正向 I-V 曲线 2发光特性发光特性 LED 的发光亮度体现在其输出光通量的大小，因此控制 LED 的输出光通量，就可以控制其发光亮度。图 3.2.2 所示曲线为美国 Lumileds Lighting 公司 1 瓦大功率LED 在 25时输出光通量 与其正向工作电流IF的关系曲线。从图中可知，LED的输出光通量与其正向工作电流大小近似成正比关

12、系，因此通过控制 LED 的正向电流IF可控制其输出光通量，也就是控制其发光亮度。 2发光特性发光特性图 3.2.2 LED 输出光通量与其正向电流IF的关系曲线 电阻限流驱动电路的思想来源于LED的伏安特性，选择LED合适的工作电流，然后根据 LED 的 V-I 特性曲线计算出该电流值下的正向导通压降，最后用输入电压减去 LED 工作压降的差值除以工作电流，即可得到所需限流电阻值的大小。电路连接如图 3.3.1 所示，改变限流电阻值的大小即可改变工作电流，从而改变 LED的发光强度。图 3.3.1 电阻限流电路 电阻限流驱动方式的主要特点是电路比较简单，正是这个原因，因此这种驱动方式存在不少

13、的缺点：首先，若输入电压出现微小的波动，就会直接导致驱动电流的波动，从而影响光通量输出、发光亮度的变化；其次，串接的限流电阻上会消耗大量的功率，特别是在大功率 LED 驱动时，表现尤为突出，这样整个系统效率将是一个严重的问题；最后，倘若用调节 R 值大小的方式对 LED 进行亮度调节时，R 值的变化导致流过 LED 的电流发生了变化，这样会使 LED 发出的白光颜色发生偏移，所以这种驱动方式多用在指示灯等简单应用场合。 线性调节器是在电阻限流驱动电路基础上发展而来的，其主要思想是采用工作在线性区的功率管作为一个能动态调整的电阻，然后引入负反馈来控制该动态电阻的阻值，从而控制输出电流，实现对 L

14、ED 的恒流驱动。线性调节器又可以分为并联型线性调节器和串联型线性调节器。 开关调节方式即开关电源是能量转换方式中效率最高的一种，特别适用于大功率 LED 的照明驱动。最主要、最常用的开关调节器是 Buck、Boost 型开关调节器，与传统的电压反馈型 Buck、Boost 变换器不同的是：作为大功率 LED 驱动电路应用的开关调节器，其反馈信号是流过 LED 灯中的电流信号，而不像电压型调节器中的反馈信号是输出电压信号，这样的好处是可直接控制输出电流，从而控制对 LED 灯的恒流驱动。1Buck 型开关调节器型开关调节器图 3.3.3 电压型 Buck 变换器和 Buck 型大功率 LED

15、驱动器电路图 1Buck 型开关调节器型开关调节器 图（a）所示电路结构为传统的电压反馈型 Buck 开关调节器，利用此基本结构，通过更改反馈类型即可得到电流反馈型的 Buck 大功率 LED 驱动变换器。 图（b）所示，把主功率管开关放在电感后面，其源极通过电流采样电阻 Rs连接到地，这样也可实现低端功率管驱动，实际应用中可以省去电平移位电路，更有利于功率管 Q 的开关。LED 负载直接与储能电感串联，二极管 D 为续流二极管。电流型 Buck 开关调节器用于大功率 LED 驱动时，无需滤波电容，所以其结构变得比电压型 Buck 调节器还简单。 Buck 型大功率 LED 驱动器通过采样电阻

16、 Rs 引入电流负反馈直接控制电流，所以才能用于对 LED 的驱动；电压型 Buck 变换器的反馈量是电压，不能实现电流控制，故不能用于 LED 驱动，这两种模式的被控制量不同。 1Buck 型开关调节器型开关调节器 对于图3.3.3（b）所示电路，假设开关器件、二极管、电感均为理想元件。设开关周期为 T，开关开通时间为DT，其中 D 为开通时间占空比。在输入电压不变的情况下，当主功率管开通时，电感电流上升，由于采样电阻 Rs 较小，忽略 Rs 上的压降，由 KVL 定理及电感的电流电压关系有： 当t=0时刻Q开始开通，一直保持到ton=DT，电感电流增加（记为 ） 2Boost 型开关调节器

17、型开关调节器 图3.3.4（a）所示电路结构为传统的电压反馈型 Boost 开关调节器，同理，利用此基本结构，通过在 LED 电流通路中串联一个小的采样电阻 Rs，更改反馈类型，反馈 LED 中的电流，即可得到电流反馈型的 Boost 大功率 LED 驱动变换器。图3.3.4 电压型 Boost 变换器和 Boost 型大功率 LED 驱动器电路图 图3.4.1 电流型 PWM 控制原理图 这便是电流 PWM 控制里的峰值电流模式，这种模式有如下好处：1此模式有潜在的前馈作用，因为电感电流斜坡是输入电压的函数，输入电压的变化将立即引起电感电流斜坡斜率的变化，其结果就能立即产生占空比的校正，使得

18、对输入电压变化的响应速度加快。2由于误差放大器现在只用于控制输出电流（Vc14控制 Rs 上的电流）而不是输出电压，因此输出电感的影响可以最小化，仅由滤波电容提供一个极点引入环路中，这样便简化了补偿设计。另外，这种模式也有不少缺点如：1前沿电流尖峰是一个特别麻烦的电流噪声源，需要加入前沿消隐电路。2如果没有斜坡补偿，当占空比大于 50%时会产生次谐波振荡。3电路中存在两个反馈环，使得电路分析复杂。 要将图3.4.1中的电流模式 PWM 变换器用于大功率 LED 恒流驱动，只需将一个电流采样电阻 Rsense 与 LED 串串联，取 Rsense 上的电压降作为反馈电压与基准电压进行误差放大即可

19、。如图3.4.2所示的 National Semiconductor 公司的 PWM 控制型的 LED 驱动电路 LM3405 。 图3.4.2 基于 PWM 控制的 LED 驱动电路（LM3405） 迟滞模式控制原理如图3.4.3所示，调制器是由一个简单的带有固定迟滞量的比较器构成，用于对反馈电压和参考电压作比较，比较器输出去控制功率管的开关。当反馈电压超过参考电压 Vref 加上一个固定的迟滞总量时，迟滞比较器翻转，输出低，关断功率管，从而反馈电压开始降低，又当反馈电压低于参考电压 Vref 时，比较器输出高，再把功率管打开，完成一个周期的控制。其工作波形如图3.4.4所示。图3.4.3

20、迟滞控制模式原理图 图3.4.4 迟滞控制波形 迟滞控制模式的 LED 驱动电路就是把采样电阻 Rsense 与 LED 串串联，然后用采样电阻Rsense上的电压作反馈电压信号，这样便可直接控制LED中的电流了，如下图所示，当然这只是一个迟滞控制模式 LED 驱动电路的核心部分，实际中还需要很多辅助电路如过流保护、过温保护等。虽然迟滞模式控制纹波会稍大，但在大功率白光 LED 照明应用中，定的纹波和频率变化对 LED 照明不会产生影响，所以这是一种最简单经济的照明驱动电路。 恒定导通时间控制（COT：Constant On Time）也叫做可控导通时间控制，是对传统迟滞控制模式的一种改进。下

21、图所示为恒定导通时间控制原理框图，和迟滞模式不同的是，这里的调制器不是仅仅用一个双电平比较器实现，而是用一个单电平比较器加上一个可控制开关管导通时间（Ton）与输入电压 Vin 成反比例的单稳态触发器实现，如图中虚线框内部分。整个环路工作过程是这样的：比较器监控输出电压，当输出电压低于比较器参考电压 Vref 时，比较器输出触发单稳态触发器，一旦触发，单稳态触发器（这儿也可称为开通定时器）产生一个与输入电压 Vin 成反比的稳态时间，控制功率管在这段固定的时间内导通；输入电压越高，稳态时间（导通时间）越小；当这段单稳态定时到了之后，功率管就关断，完成一个周期的工作。其工作波形如下图所示。 虽然

22、大功率LED现在还不能大规模取代传统的照明灯具，但它们在室内外装饰、特种照明方面有着越来越广泛的应用，因此掌握大功率LED恒流驱动器的设计技术，对于开拓大功率LED的新应用至关重要。LED按照功率和发光亮度可以划分为大功率LED、高亮度LED及普通LED。一般来说，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比较常见的有1W、3W、5W、8W和10W。已大批量应用的有1W和3W LED，而5W、8W和10W LED的应用相对较少。预计大功率LED灯会在2010年上海世博会上大量应用，因此电子和照明行业都非常关注LED照明新技术的发展应用。 恒流驱动和提高LED的光学效率是LED 应用设计的两个关键问

23、题，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，然后以美国国家半导体(NS)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。 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。 1. AC/DC转换器转换器 AC/DC分为220V交流输入和12V交流输入。12

24、V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：(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

25、市场。 2. DC/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

26、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。基于LM2734的恒流驱动电路 恒压供电的基本电路采

27、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：V0=(VFB*(RFB1+RFB2)/RFB1 (1) 在图右边电路中，DC/DC稳压器的FB是高阻输入端，流经LED的电流IF为：IF=VFB/RFB (2) 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

28、/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。 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。 IF=VTAP/RFB=(VFB/RFB)*(1+RF/RI) (3) 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RF

29、B的功耗为：PRFB=I2*R=0.352*1=0.12W (4) 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。从采样电阻直接获取反馈电压的设计 LM2734是1A降压型稳压器。基于LM2734的恒流驱动电路利用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

30、路可以直接从采样电阻获取反馈电压，如图所示。 图中采样电阻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。图中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。 一般来说，LED照明系统的热源基本就是LED灯本身

31、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。大功率LED在寿命上具有很大优势 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，所以发展前景非常广阔。 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