LED路灯驱动器设计.ppt

1、LED路灯驱动器设计,Diagram Contents,LED驱动器相关标准,1,LED驱动器的分类及特性,2,LED驱动器设计,3,PAM2842简介,4,LED驱动器相关,2010年末，国家半导体照明工程研发及产业联盟公布推荐性技术规范照明用LED驱动电源通用规范（征求意见稿），目的是对室内外照明用LED驱动器的外观结构、性能要求、安全规范、电磁兼容等方面作了详细描述和规定，规范和引导LED驱动器的应用与发展。,电器性能要求,爬电距离和电气间隙要求,爬电距离是指沿绝缘材料的外表面测量的空间距离。爬电距离和电气间隙要求见表4-2所示。 表4-2 LED驱动器爬电距离和电气间隙要求,注：耐漏电

2、起痕指数 Proof Tracking Index( PTI )：材料表面能经受住50滴电解液而没有形成漏电痕迹的耐电压值，以V表示。,非正弦脉冲电压下的最小距离,LED驱动器的分类及特性,1、恒流式: （1）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。 （2）恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。 （3）恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。 （4）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： （1）当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的

3、电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化。 （2）稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。 （3）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。 （4）亮度会受整流而来的电压变化影响。,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：电源体积大、重量偏重、电源效

4、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180240V，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。,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

5、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。,LED驱动器设计要求,根据LED驱动电源的特性要求，在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点： 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LED驱动电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就

6、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，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对电网产生较严重的污染。,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，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

7、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。 7、防护方面：灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。 8、驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。 9、要符合安规和电磁兼容的要求。,太阳能LED路灯采用恒流

8、驱动的原因,1、太阳能LED路灯所用的蓄电池输出电压不恒定 在太阳能路灯中通常是采用铅蓄电池作为能量储存单元的，而铅蓄电池的输出电压从满充到满放，其电压变化是会接近20%的（图2）。所以它所引起的LED电流变化就有可能超过4倍以上。,图4-2 铅蓄电池的放电曲线,图4-3 某公司白光LED特性曲线,图4-4 相对光强和正向电流的关系,由图4-2、4-3、4-4三个曲线图分析，可以得知，蓄电池的电压波动影响到LED的驱动电流大范围波动，进而严重影响LED的发光强度。如正向电流从350mA降低8.75倍到40mA，其相对发光强度将从100降低到20。降低将近5倍。显然这是完全不能允许的。所以一定要

9、把电流恒定。,LED发光的温度不稳定,LED路灯通常在露天工作，其环境温度的变化是很大的。 而LED的正向电流还和结温有关，如图4-5所示，就表明LED在不同结温时的伏安特性。,LED的温度系数通常为负的，也就是当温度升高时（T1T2），伏安特性向左移动。其值大约是-2mV/，那么当其结温增加50度时，其正向电压就会降低0.1V，假如用恒压电源供电时，其正向电流就会增加。比如，常温25时LED最佳工作电流20mA，当环境温度升高到85时，PN结电压VF下降，工作电流急剧增加到35mA37mA，但此时电流的增加并不会产生亮度的增加，称为亮度饱和。同样，当环境温度下降至-40时，结电压VF上升，最

10、佳工作电流将从20mA减小到8mA10mA，发光亮度也随电流的减少而降低，达不到应用场所所需的照度。,而且当温度变化时，LED的发光光谱也会发生变化。通常温度增加时光谱的最大值是向波长长的方向漂移。大约是每升高10oC时漂移1nm，升高50度会产生5nm的变化（见图4-6）。 实际上，LED的光谱也是随其正向电流改变而改变。这也是不希望的，所以一定要保持其正向电流恒定。采用恒流源供电以后，这种温度变化所引起的电流变化就会转化为其正向电压的变化，从而不会引起亮度和光谱的变化。,图4-6 LED发光的峰值波长随环境温度而变化,LED的PWM调光应用,LED的不一致性,即使是同一型号的LED其伏安特

11、性在各个个别的器件之间也是不同的，更何况在不同生产厂家之间就更是不同了(如图4-3所示)。 从图中可以看出,假如采用恒压电源供电，它们之间的正向电流就会有很大的差异。而过大的正向电流也会导致光衰的加速，所以一定要用恒流源供电。,各种恒流源的选用,用在太阳能LED路灯中的恒流源，可以分为升压型、降压型、升降压型三种：所谓升压型就是它的输出电压比输入电压高。降压型就是输出电压比输入电压低。而升降压型则是可以根据输入电压低于或高于输出电压的情况自动地调节其工作模式为升压或降压,多个LED也可以采用串并联的结构，通常我们称之为几串几并。例如10串3并如下图所示。这时候虽然也可以采用一个恒流源供电，但是

12、这时候的恒流源就只能够恒定3串的总电流。,PAM2842简介,PAM2842是一个大功率LED驱动控制器，能够驱动10个串联的3W大功率LED。PAM2842可以支持升压、降压及升降压的拓扑结构。 PAM2842是专为照明系统设计，是一个恒流控制器，其输出电压会随着LED负载的数目自动适应。,PAM2842的特性： 1、可输出30W功率。 2、软启动。 3、模拟和PWM调光。 4、峰值效率可达95%。 5、极低静态电流。 6、频率可调。 7、支持升压、降压、升降压拓扑结构。 8、过流保护、过压保护、过温保护、欠压保护。 9、小型TSSOP-20 和 QFN6*6-40 封装。,图4-8 PAM

13、2842封装,基于PAM2842 恒流驱动器设计,1、设计参数要求 （1）充电蓄电池额定电压12V。 （2）灯头负载总功率28W，由28个1W LED灯珠构成，排列形式7串4并，如图4-9所示（实物照片见图3-17）。 （3）电气性能符合照明用LED驱动电源通用规范的要求。,（1）根据输入输出电压确定PAM2842的工作模式,输入电源为12V太阳能蓄电电池（胶体蓄电池），根据密封性铅酸蓄电池的欠压断开(LVD)电压10.5V11.1V；充满断开电压HVD为14.1V14.5V，推断该电池在正常工作时的电压范围为10.5V14.5V ，该电压。 1W白光LED的正向额定电压为通常为3.1V3.6

14、V ，阵列中每串LED灯珠的正常工作电压范围为3.17V3.67V即21.7V25.2V，所以驱动器输出端的电压范围应为21.7V25.2V，远高于驱动器输入电压范围。选择PAM2842升压拓扑结构进行设计，此种情况下驱动器的效率可以达到95，符合设计要求。,（2）根据输出电流选择合适的驱动方案,PAM2842允许的最大额定输出电流为1A。对于大多数1W的白光LED，标准的正向电流值IF350 mA。本项目使用的灯头为7串4并，则总电流I1.4A，超过了单片PAM2842芯片的额定输出电流（1A）。因此，对于这一种阵列结构的灯头，可采用2片PAM2842设计驱动电路。每片PAM2842驱动7串

15、2并，则单片PAM2842的驱动电流为ILED2350 mA700 mA，小于PAM2842额定输出电流，符合设计要求及安全要求。,电路设计及元器件参数计算,如图4-10所示为PAM2842驱动器电路原理图。其中，SW用于输出驱动电流。 R3、R4决定电压保护的输出限制值。COMP用于输入PWM控制波形，R2、C5构成PWM 信号端的保护电路，抑制电源接通时的冲击噪声，避免内部逻辑电路的误判断和误操作。SENSE用于输出电流检测，R5（Rsense）为电流实时检测电阻。C1、C2、C3为电源旁路电容，减小纹波电流与噪声来保证处于合适的工作状态。L1为升压电路专用的储能电感。C6为L1 的放电电

16、容。D1为高速整流开关二极管、防止电流逆流及电容向地放电。,图4-10 升压式恒流驱动电路,（1）电阻串联式电流检测电路的设计,电流检测电阻Rsense（R5）是用于检测当前LED灯珠负载的总电流。一般取值很小，不会对电路总功率造成大的影响。其上形成的压降被芯片内部放大器放大后作为一个正比于电流的信号。电路中由于供电不足、LED短路、LED断路或过热等情况所引起的电流变化都会反映在这个电阻上，内部比较控制单元通过它对输出电流进行更新和调整。,在低端电流检测电路中，连接在芯片sense+和sense- 引脚之间的电阻R5与LED额定电流之间关系如下： ILEDVs/ Rsense,由已知ILED

17、700mA0.7A得：Rsense0.1/0.70.142857该精密电阻无法在市场上购得，因其为采样电阻，临近的标准系列阻值对电流值影响较大，所以比较合适的办法是采用康铜电阻丝自行制作或定制。,（2）升压电路中电感的作用和选取,电感L1用于提高输出电压使之高于输入电压。当芯片工作于某一振荡频率下，SW输出相应的频率振荡波形。这一过程中，L1不断地积累电能并释放给C6，电容两端电压随之升高，使输出电压高于输入电压。因此，最大输出电流、输入电压、输出电压以及工作频率决定了电感量的大小。工作频率越高，开关损耗也会越大，因此设计中选择最小频率500KHZ。,（3）输入端滤波电容的作用和选取,PAM2

18、842工作时需要在输入端对地接一个滤波电容，目的是减小纹波电流与噪声，保证系统处于正常的工作状态。在大多数的应用中推荐使用至少10uF的电容。 靠近IC的电源引脚要加个旁路电容，通常使用1uF的电容。 输出端建议使用不少于10uF的电容，22uF或者更大的容量在输出需要更大电流时尤为有效。,（4）放电电容的作用和选取,电容C6是L1的放电电容，同时起到滤波降噪的作用，保证输出波形的平滑稳定。该电容的容量主要取决于负载输出LED灯珠的电流大小。,（5）保护二极管参数计算,二极管D1的主要作用是防止电流反向及电容对地放电。PAM2842是一个高工作频率的转换器，因此要使用一个高速度的二极管。二极管必须采用低压降、大电流的肖特基二极管，以减小功耗，一般选择3A/40V的肖特基二极管。,（6）PWM调光设计,如果用户要求节能运行时（分时段改变路灯的照度），就需要用到PAM2842的调光接口。在Comp引脚输入外界送来的PWM调光信号，如图4-11所示。PWM调光电流与PWM的低电平时间成正比，LED的平均电流大致为：,（7）过压保护设计,PAM2842允许最大工作电压40V，但当LED负载空载或者开路时，输出回路会没有反馈