大功率LED照明的恒流驱动技术电源网20110709

大功率LED照明的恒流驱动技术上海大学自动化系刘廷章[e-mail]2011.07.09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）0.01W0.5W1W3W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310－2600Lm的白炽灯（40－150W）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：1电压3.5V时，LED电流为标准值20mA，正常工作2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3当电压4.2V时，LED电流为110mA，LED将很快损坏。4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，Vf＝Von＋I×Rd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70－90％LED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1.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输入处理电路辅助电路DC-DC变换器输出处理电路控制电路反馈电路VINIO2.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：11OVINVMVD2222INonOLonOINLVtVRtPVVLRLDC+QLRsVLIoIoVLV1V+-DVCIsI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CPUDC12VD2+Q2L2Boost型DC/DC变换器C2LED阵列A/DPWMARM微处理器LED阵列端电压和工作电流采样驱动电路＋－三、LED恒流驱动技术恒流模块效率恒流模块输出电流值10.410.811.211.612.012.412.813.213.614.014.414.815.20102030405060708090100LED恒流驱动模块效率(%)恒流驱动模块输入电压(V)效率10.410.811.211.612.012.412.813.213.614.014.414.815.20.600.620.640.660.680.700.720.74LED恒流驱动模块输出电流(A)LED恒流驱动模块输入电压(V)输出电流输出电压输出电流（0.31欧采样）•恒流模块测试三、LED恒流驱动技术+-+-NPNS+-IPQVINVDCVO+-T+--NPNS+-UORQVINVDCVO+-T+USIS211OINVNDVND（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＋限流及热关断输入整流滤波电路箝位保护电路主变换器输出整流滤波电路TinySwitch-III光耦+TL431+比较器VINVO三、LED恒流驱动技术180-260VVACD1C1C2L1VR1F11.5AD2D3T1D4C3C4L2R10.22ΩR2R5VR2R3R4C5C6C7C8R6DSEN/UVBP/MU1TNY277U2PC817AU3LM358U4TL4313*3LED23841•TL341：阴极连参考极，阴、阳极之间2.5V•R1：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IRF640IRF3205生产公司InternationalRectifierInternationalRectifier静态漏-源导通电阻Ron0.15Ω8.0mΩ(超低导通电阻)封装形式TO-220AB/贴片/TO-262TO-220AB/贴片/TO-262最大漏极连续电流ID18A110A最大漏极脉冲电流IDM72A390A最大功率耗散PD150W200W最大漏极-源极电压(VDSS)200V55V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