LED灯驱动电源设计

LED灯驱动电源2010年6月-世纪电源网-上海©Copyright2010PowerIntegrations‹#›议程ƒLED照明的重要性ƒ恒流驱动器的优势所在•LED的特性•恒流电路ƒLED照明的PFC技术ƒLED照明需克服的问题•相位角调光•闪烁ƒ下一代LED照明解决方案•用于LED控制的新型IC•不同的LED电源设计©Copyright2010PowerIntegrations‹#›固态照明-增长速度惊人ƒLED市场的增长非常快数据来源：DatapointResearch2008010020030040050060020052006200720082009201020112012201320142015LED驱动器（百万为单位）©Copyright2010PowerIntegrations‹#›全球许多机构都大力推动LED照明的应用ƒ美国•《2005年能源政策法》第912条–推动固态照明(SSL)的商业化•美国能源部–固态照明商业化五年计划ƒ中国•投资100亿人民币的“五十城半导体照明计划”–如果1/3的照明采用LED，每年可节省1亿度电–CO2排放量减少2900万吨•2008年1月，财政部宣布出台推动高效率照明的政策ƒ日本•“21世纪照明计划”ƒ中国台湾•“下一代照明计划”ƒ韩国•外交通商部2015年计划–将LED照明的普及率提高到30%LED为什么需要使用恒流驱动器©Copyright2010PowerIntegrations‹#›LED灯的功率要求ƒLED串联起来即构成一盏灯•每个LED的功率各不相同(10mW–5W)•存在许多不同的配置方式（灯串）ƒLED负载需要恒流(CC)•电流控制灯的亮度和颜色•必须对电流进行严格控制ƒLED上的电压并非恒定不变•随温度和LED批次的不同而发生变化–电源必须在输出电压范围内提供恒流©Copyright2010PowerIntegrations‹#›LED驱动器需要恒流工作ƒ恒压驱动器是不可接受的•即使是“完全相同”的LED之间也存在极大的光输出差异00.20.40.60.811.20.0001.0002.0003.0004.0005.0006.000If[A]MinMaxIF（安培）VF（伏特）0.01.02.03.04.05.06.0昀小正向电压降昀大正向电压降大号LED中正向电压降相对于正向电流(IF)的典型变化©Copyright2010PowerIntegrations‹#›分组电流还决定IFƒLED的亮度由平均“分组电流”决定ƒ增大电流将使亮度发生较大范围的变化ƒ使LED在会集点进行工作可缩小变化范围•需要精确恒流–通常+/-5%光强度随正向电流的变化IF(mA)0102030IV(mcd)“理论”LED恒定亮度的昀佳IF范围真实LED真实LED©Copyright2010PowerIntegrations‹#›颜色波长随驱动电流(IF)的变化ƒLED发出的光波波长取决于IFƒIF必须保持恒定，以确保临近的LED灯保持良好的颜色匹配度•必须在制造过程中保持精确（一致）的电源恒流值01020304050IF(mA)520524528532536λdom(ηm)主要光波长随正向电流的变化简单的恒流解决方案©Copyright2010PowerIntegrations‹#›简单的恒流反馈电路ƒ优点•反馈电路使用的元件减少ƒ缺点•无温度补偿•因使用电流检测电阻而使功耗增大WR2LEDsOptoZenerR3R1CurrentSenseWR2LEDsOptoZenerR3R1CurrentSense©Copyright2010PowerIntegrations‹#›温度补偿电路ƒ优点•肖特基和BJT元件互相进行温度补偿•电流检测电阻的功耗降低ƒ缺点•R3由灯串中的LED数量决定WR1CurrentSenseR2LEDsZenerSchottkyR3OptoQ1©Copyright2010PowerIntegrations‹#›较复杂的恒流反馈电路ƒ优点•提供良好的温度补偿Q1/Q2•电流检测电阻的功耗降低•短路保护ƒ缺点•使用大量分立元件WR2LEDsZenerOptoR3R1CurrentSenseR4Q1Q2Q3R5R6C1©Copyright2010PowerIntegrations‹#›低损耗恒流反馈电路ƒ优点•电流检测电阻的损耗达到昀低•提供温度补偿ƒ缺点•成本较高•无短路保护ƒ电路成本高且复杂，功能有限•需要改进WR2ZenerOptoR3R10.1OhmCurrentSenseR4+v+LM321R3-vC1C2©Copyright2010PowerIntegrations‹#›降低成本：集成设计，省去冗余元件ƒ上述各方案都是通过修改电源的恒压输出来实现的•昀佳解决方案是将电源用作恒流源IFVFB功能完整的功率因数校正电源LinkSwitch®-PH恒流反馈电路驱动转换过程（IFB与IF成正比）©Copyright2010PowerIntegrations‹#›PI器件可提供严格调节的恒流ƒLinkSwitch-PH专为恒流应用设计•控制容许+/-25%的电压摆动•输出电流不受变压器电感的影响ƒLinkSwitch-PH100%精密制造•恒流性能非常一致、稳定+/-3%在41个以上的生产单位测量得出的LinkSwitch-PH输出电流(115VAC)数据*频率4812485525500输出电流(mA)*参考设计套件RDK-194LED照明中的PFC技术©Copyright2010PowerIntegrations‹#›LED照明中的PFC技术ƒ要求ƒ技术类型•被动•填谷式•单级校正•双级校正©Copyright2010PowerIntegrations‹#›PFC具有巨大的经济效益–可节省大量金钱和能源DallasMetroplex©Copyright2010PowerIntegrations‹#›全球主要标准都对LED照明的功率因数(PF)作出了严格规定ƒ欧洲-IEC61000-3-2•EN61000-3-2（欧洲）•BSEN61000-3-2（英国）ƒ日本-JIC-C-61000-3-2ƒ中国-GB17625.1ƒ美国-EnergyStar09/12/07forSSLƒ韩国-LEDLight©Copyright2010PowerIntegrations‹#›总谐波失真(THD)ƒTHD用来描述输入电流波形的形状•正弦波(THD=0%)-所有能量都以同一频率传输ƒ失真电流波形具有更高的频率谐波•谐波会增加电网的损耗ƒ高PF并不总是意味着低THD谐波次数EN61000-3-2规定谐波含量并非PF（A、B、C、D类）D类符合性限值电流与基频的比值电压，60Hz基本频率电流PFC解决方案©Copyright2010PowerIntegrations‹#›填谷电路可提高功率因数(PF)©Copyright2010PowerIntegrations‹#›输入电流比较-填谷式填谷电路电阻R=620OhmVin=220VACRL=2500Ohm无填谷电路Vin=220VACRL=2500Ohm©Copyright2010PowerIntegrations‹#›较高的RVALLEY值可提高PF-存在缺点ƒ降低效率•RVALLEY损耗增大ƒ增大负载电压纹波电压纹波（负载）RVALLEY中的电流©Copyright2010PowerIntegrations‹#›填谷电路影响效率ƒ测得620Ohm电阻的功耗=0.5W•10W电路的效率降低5%ƒ较高的RVALLEY值还可增大输入纹波•额外的降低效率PFvsRValley0.780.800.820.840.860.880.900.920100200300400500600700Rvalley[Ohm]PF©Copyright2010PowerIntegrations‹#›带功率因数校正(PF0.9)的75W隔离式驱动器(DI-136)ƒ效率为85%的单级PFCƒ自动重启动意味着电源可无限耐受输出发生硬短路C4限制浪涌期间的峰值总线电压CC/CV电路©Copyright2010PowerIntegrations‹#›功率因数与谐波(DI-136)PF0.99208VACPF0.97265VACVIN(200V/div)IIN(0.5A/div)HarmonicsContent.FullLoad,Vin=230VAC05010015020025030035040012345678910HarmonicInputCurrent(mA)HarmonicIin(mA)At230VAC%ofFundamentalMaximum%AllowedByIEC61000-3-2.ClassC138522.40.622.0315.64.0529.742.30.60510.52.7310.0610.2678.62.237.080.50.1396.51.695.0100.40.10PF与谐波（测量条件：3.2A，24V输出）集成PFC-单级转换©Copyright2010PowerIntegrations‹#›单级PF与恒流控制具有多项保护功能PWMPFCPWMCC©Copyright2010PowerIntegrations‹#›无大容量电容-峰值检测器控制PFƒ经整流的输入电压的变化率率与输入电压相同•峰值检测器允许IC为输入电压变化提供补偿–控制输出电流IVα1/IO)ƒ较小的CPK值可降低PF•V引脚上的线电压频率电流纹波增加•可使用陶瓷峰值检测器实现无电解电容设计*CPK=0.1μFPF=0.910115VACVPK(50V/div)CPK=4.7μFPF=0.985115VAC*注意：峰值检测器的电解电容不会携带任何纹波电流（低应力–没有使用寿命问题）CPK输入电流(200mA/div)输入电流(200mA/div)VPKVPK(50V/div)IV©Copyright2010PowerIntegrations‹#›LinkSwitch-PH的功率因数控制ƒ连续导通模式(CCM)、可变占空比、恒频率PFC控制器•占空比随输入电压和负载的变化而变化时间（秒）输入电压占空比(DC)()tVinVORVORDCpk⋅+=ωsin漏极电流波形输入电压波形漏极电流波形输入电压VGND150VD=t1/T=12.9=0.34t1T30VD=t1/T=2.23.1=0.70t1T©Copyright2010PowerIntegrations‹#›高功率因数：满足能源之星固态照明(SSL)和EN61000要求，并达到高效率PF0.98Vin110VPF0.91Vin=230V14WInputHarmonicat230VAC0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.003579111315171921232527293133353739HarmonicOrderHarmoniccurrent(mA)ClassClimitHarmonics(mA)14WInputHarmonicat115VAC0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.003579111315171921232527293133353739HarmonicOrderHarmoniccurrent(mA)ClassClimitHarmonics(mA)©Copyright2010PowerIntegrations‹#›PI单级PFC设计方法的优点ƒ连续导通模式(CCM)PFC•降低EMI–降低滤波电路成本–更低成本的阻尼电路，实现相位角调光•降低导通损耗–使用更小的MOSFET即可实现高效率»更低成本的解决方案ƒ功率因数0.9•使用电感式填谷电路无法实现ƒ尺寸小–非常适合设计LED照明灯具LinkSwitch-PH简介支持可控硅调光的下一代LED驱动器©Copyright2010PowerIntegrations‹#›什么是Li