LED与LED电源报告人:窦亮亮中国计量学院目录一、LED及其特点二、LED电源技术三、LED电源设计要点LED及其特点LED是一种固体光源,当它两端加上正向电压,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什么是LEDLED及其特点LED是一种可发光的二极管,除了具有发光特性外,还具有普通半导体整流二极管的特性。LED的伏安特性曲线可以划分为正向特性区、反向特性区和反向击穿区LED的伏安特性LED伏安特性曲线LED及其特点OA段:正向死区VA为开启LED发光的电压。比如红色(黄色)LED的开启电压一般为0.2~0.25V。AB段:工作区在这一区段,一般是随着电压增加电流也跟着增加,发光亮度也跟着增大。但在这个区段内要特别注意,如果不加任何保护,当正向电压增加到一定值后,那么LED的正向电压会减小,而正向电流会加大。如果没有保护电路,会因电流增大而烧坏发光二极管。OC段:反向死区LED加反向电压是不发光的(不工作),但有反向电流。这个反向电流很小,一般在几μA之内CD段:反向击穿区LED的反向电压一般不要超过10V,最大不得超过15V,否则就会出现反向击穿,导致LED报废。LED的伏安特性LED伏安特性曲线LED及其特点(1)单向导电;(2)LED有门限电压。LED的门限电压和正常工作时的正向压降与LED的光色有关;(3)具有非线性的伏安特性曲线,电流与电压不成正比;(4)LED光通量随电流增大而增加,但不成正比;(5)对温度敏感,结温升高时,光输出减少,正向电压降低;(6)离散性较大LED的基本特性LED及其特点(1)输入直流电压不低于LED正向压降;(2)采用直流电流或单向脉冲电流驱动;(3)对LED电流加以限制,以防止LED损坏;(4)由于LED电流与其光通量之间的非线性关系,LED应该在光效比较高的电流值下工作;(5)优良的散热设计。LED的基本工作条件LED及其特点LED的伏安特性并不是固定的,是随着温度而变化的,所以在恒压供电时,LED电流随温度变化而变化,因为LED的伏安特性具有负温度系数的特点。为什么LED要使用恒流源?LED伏安特性的温度系数LED电源技术LED的配置形势取决于多方面的因素,如应用要求、LED的参数与数量、输入电压、散热管理、尺寸与布局限制等。在实际应用中,往往需要将多个LED按照需求排列组合起来。LED在应用中的配置形势及特点LED电源技术1串联常见的连接形式简单串联带并联稳压管的串联LED电源技术2并联常见的连接形式简单并联独立匹配并联LED电源技术3混联常见的连接形式先串后并先并后串LED电源技术常见的连接形式连接形式优点缺点串联简单串联电路简单,LED电流相同,亮度一致可靠性不高,驱动器输出电压高带旁路串联电路简单,可靠性高,LED电流相同,亮度一致元器件数量增加,体积大,成本高并联简单并联电路简单,驱动电压低均流问题独立匹配并联可靠性好,单个LED保护完善电路复杂,体积大,成本高,不适应LED多的场合混联先并后串可靠性较高,总体效果较高,适用范围较广电路复杂,并联的单个LED或LED串需解决均流问题先串后并LED电源技术LED的原始电源不外乎两种:一是电池,二是市电。但提供给用户或者产品的供电模式有五种;低压直流:电池、低压电源;高压直流:高压电源;低压高频交流:电子变压器等;高压低频交流:市电;低压低频交流:LED电源输入LED电源技术直流输入方式下的LED驱动技术一、线性稳压器传统线性稳压器LDO稳压器二、开关型DC/DC变换器降压(Buck)变换器升压(Boost)变换器降压-升压(Buck-Boost)变换器LED电源技术•线性稳压器普通线性稳压器特点:输入输出电压之差一般要求为4-6V,导致电源效率底下。如右图,Pic=(17-9)V*350mA=2.8WPR1=0.35*0.35*5.7=0.7W效率=Pled/(Pic+PR1+Pled)=0.43直流输入线性稳压器LED电源技术•线性稳压器LDO稳压器针对传统线性稳压器存在的问题,低压差降落(LowDropOut)集成稳压器发展迅速,所谓低压差是指输入输出电压之差比传统线性稳压器要小得多,所以效率远远优于传统线性稳压器,因此在便携式电子产品和电池供电的电源系统中大量使用。直流输入线性稳压器LED电源技术•开关型DC/DC变换器开关型DC/DC变换器按照输入输出电压的不同分为三种:降压(Buck)变换器升压(Boost)变换器降压-升压(Buck-Boost)变换器直流输入开关型DC/DC变换器LED电源技术•升压变换器原理当控制器驱动S导通时,D截止,L中的电流不能突变,只能从零开始缓慢线性增加,并且电源在L中储存能量夕咆流通过L和S返回到电源负端。在此过程中,输出电容C给负载供电S截止时,L上的感应电动势(左负右正)使D正向偏置而导通,L释放所储存的能量,电流逐渐减小。在此过程中,电感器L中的储能与顺极性的输入电压共同给负载供电,同时对C1进行充电.直流输入开关型DC/DC变换器LED电源技术•升压型LED驱动器直流输入开关型DC/DC变换器LED电源技术市电供电下的LED驱动目前LED在应用中大多利用交流市电电源供电。由于LED要求在直流低电压下工作,采用市电电源供电,则需要通过适当的电路拓扑将其转换为符合LED工作要求的直流电源。非隔离:是指在负载端和输入端有直接连接,触摸负载有触电的危险电容降压高压芯片恒流隔离:隔离是指在输出端和输入端有隔离变压器,安全性大大好于非隔离变压器降压PWM式恒流LED电源技术电容降压简易电源的基本电路如图。C1为降压电容器,同时具有限流作用,D3是稳压二极管,R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。112/CPIfVIACACC通过C1的电流IC1为:220V,50Hz条件下,1169CIC市电输入非隔离电容降压LED电源技术电容降压简单应用电路市电输入非隔离电容降压LED电源技术电容降压LED驱动电路的特点电容降压电路的优点是体积小、成本低,缺点是带负载能力有限,效率不高,输出电压随电网波动而变化,使LED亮度不稳定,所以只能应用于对LED亮度及精度要求不高的场合。市电输入非隔离电容降压LED电源技术原理分析:以9910为例,就是在电源工作的原边回路,设定一个电流阀值,当原边MOS导通,此时电感的电流是线性上升的,当上升到一定值的时候,达到这个阀值,就关断电流,下一周期再由触发电路触发MOS导通.市电输入非隔离高压芯片恒流LED电源技术高压芯片恒流电路特点电路简单,所需元器件少,但恒流精度不高,一旦失控,会烧毁LED灯串。市电输入非隔离高压芯片恒流LED电源技术变压器降压LED驱动电路1、变压器降压整流滤波2、采用线性稳压器的变压器降压3、采用集成电流源的LED驱动电路变压器降压和全波整流、电容滤波LED驱动电路市电输入隔离变压器降压LED电源技术变压器降压LED驱动电路特点采用工频变压器,转换效率低,另外限流电阻上消耗功率较大,电源效率很低。市电输入隔离变压器降压LED电源技术PWM控制方式开关电源主要有四个部分组成,输入整流滤波、输出整流滤波、PWM控制单元,开关能量转换。市电输入隔离PWM控制方式开关电源LED电源技术PWM控制方式开关电源特点:效率高,一般可达80-90%,输出电压、电流稳定,可加入各种保护,属于可靠性电源。是比较理想的LED电源市电输入隔离PWM控制方式开关电源LED电源设计要点根据电网的用电规则和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•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;LED电源设计要点•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;•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。LED电源设计要点•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(英文: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电源设计要点在设计LED日光灯电源以前,应了解LED本身结构及日光灯结构特点:1、LED的工作电流:一般LED的额定工作电流20毫安,设计20毫安时,实际上工作发热很严重,经多次对比试验,设计成16-18毫安是比较理想的。N路并联的总电流=17*N2、LED的工作电压:一般LED的推荐工作电压是3.0-3.5V,在估计LED灯串电压时,一般取单颗为3.125V。M个灯珠串联的总电压=3.125*M3、LED日光灯电源与灯板的匹配:首先考虑设计电源,再设计灯板,使灯板能够最大限度的发挥电源的效率。LED日光灯电源设计要点LED日光灯电源设计要点4、LED灯板的串并联与宽电压的关系:要使LED日光灯工作在输入电压范围比较宽的范围AC85-265V,则灯板的LED串并联方式很重要。对非隔离的降压式电源,在要求宽电压时,输出电压不要超过72V,输入电压范围是可以到达85-265V的。也就是说,串联数不超过24串。并联数不要太多,否则工作电流太大,发热严重,推荐为6并/8并/12并。总电流不超过240毫安为好LED日光灯电源设计要点LED日光灯电源设计要点5、LED日光灯电源的功率因数校正电路(PFC电路)功率因数:又称为功率因子,英文缩写PF(PowerFactor),是有功功率与视在功率的比值。功率因数在一定程度上反映了发电机容量得以利用的比例,是合理用电的重要指标。目前LED日光灯电源PFC电路主要有三种:一无PFC电路,PF值一般为0.65左右;二无源PFC(填谷式),与灯管匹配的好的话,一般可以达到0.92三有源PFC,采用专用芯片,PF值可达0.99,但价格翻一倍,所以采用第二种方案的比较多。LED日光灯电源设计要点LED日光灯电源设计要点C1和D1组成半桥的一臂,C2和D3组成半桥的另一臂,D2和R1组成充电连接通路,利用填谷原理进行补偿。滤波电容C1和C2相串联,电容上的电压最高充到输入电压的一半(VAC/2),一旦线电压降到VAC/2以下,二极管D1和D3就会被正向偏置,这样使C1和C2开始并联放电。采用这个电路后,系统的功率因数从0.6提高到0.88~0.9,但很难超过0.92,因为输入电压和电流之间还存在大约60度的死区。LED日光灯电源设计要点无源PFC(填谷式)LED日光灯电源设计要点6、LED灯板的串并联与宽电压及功率因数的关系:对