LED驱动电源

LED驱动电源技术主讲人：袁臣虎2012年8月31日天津工业大学电气工程与自动化学院主要内容1.LED电气特性2.LED驱动电源3.线性电源与开关电源4.开关电源电路拓扑5.典型LED开关驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院1.LED电气特性1）.LED的PN结LED的内部结构与二极管一样，由PN结构成，具有单向导电性，当PN结两侧的电势差达到PN结的是势垒电压时，PN就会导电。但构成普通二极管硅材料并不适合用作LED材料，因为硅材料形成的PN结能量势垒太低（约0.7V)。PNPN单向导电普通二极管发光二极管天津工业大学电气工程与自动化学院红光LEDGaAsP磷砷化镓用作指示灯1.LED电气特性天津工业大学电气工程与自动化学院1.LED电气特性黄光LED绿光LED2）.LED的发光特点①.LED的发光光谱很窄，仅20nm宽，颜色很纯。②.LED的发光亮度和波长受电流影响，电流加倍可以使亮度加倍，可用PWM（脉宽调制）。天津工业大学电气工程与自动化学院1.LED电气特性3）.LED的等效电路LED可以看成是恒压负载。它的压降取决于内部光子发射所需跃过的能量势垒。但半导体并非完美的导体，其中存在与恒压负载串联的等效电阻(ESR)。PNLEDLED等效电路ESRESR大小可以用正导通压降的增加值除以流经电流的增加值来求取。天津工业大学电气工程与自动化学院1.LED电气特性ESR与LED的电流等级大致成反比。低功率20mA电流等级ESR约为20Ω。1W350mA电流等级ESR约为1~2Ω。LED驱动电源的早期测试阶段，考虑到成本，可用稳压二极管串联ESR来代替。如5W/3.9V的稳压二极管可用来代替白光LED作为负载天津工业大学电气工程与自动化学院1.LED电气特性4）.LED导通压降①颜色与LED导通压降的关系红色黄色绿色蓝色IfVfVf1红色Vf=2V蓝色Vf=3.5V天津工业大学电气工程与自动化学院②电流与LED导通压降的关系LED导通压降随着导通电流的增大而增大，但不能无限增大。③LED导通压降不具有一致性。LED导通压降的偏差很大。如单颗1W的LuxeonStar型白光的正向导通压降典型值为Vf,typ=3.42V,但实际值中最小的仅2.79V,最大的达3.99V。正向导通压降的偏差值高达15%以上。1.LED电气特性天津工业大学电气工程与自动化学院2.LED驱动电源1）.电压源驱动①电压源特性a.理想电压源特性IV输出电压恒定，输出电流由外电路负载决定，输出功率可以无穷大。但不允许短路，违背了基尔霍夫电压定律（KVL)。天津工业大学电气工程与自动化学院b.实际电压源特性输出电压在一定输出电流范围内恒定，输出电流由外电路负载决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。不允许短路，否则会烧坏！但是一般电压源均有限流和短路保护电路。IV稳定区超载区Ih2.LED驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院②LED电压源驱动用恒压电源来驱动恒压负载是非常困难的。因为电源输出电压和负载电压的差为ESR的压降，而ESR的值通常很小，所以ESR上的压降也很小。电源输出电压和负载电压的轻微变化就会导致ESR电流变化很大。IfVfVf1斜率dV/di=ESR__SOURCEMINFMAXMINVVIESR__SOURCEMAXFMINMAXVVIESR2.LED驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院a.电压源无源电流控制2.LED驱动电源IfVfVf1斜率dV/di=ESRdV/di=ESR+REXT__SOURCEMINLOADMAXMINEXTVVIESRR__SOURCEMAXLOADMINMAXEXTVVIESRR天津工业大学电气工程与自动化学院电压源无源电流控制常规方法是LED串中串联一个限流电阻，使其输出电流限制在一定范围内，使其稳定发光。在考虑环境温度和器件电压变化量的情况下，电阻上的实际电压降应该保证电流保持在设定范围内。但是效率低，热损耗大，同时也要求电压源稳定。a.电压源无源电流控制例.5V/1A电压源驱动一个350mA的LED,其Vf=3.5V,ESR=2Ω。+5VREXT53.522.280.35EXTR0.5W~1W功率电阻2.LED驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院b.电压源有源电流控制V+V-负载限流电路电流采样电流反馈2.LED驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院V+IDSGV0VVTHIdVgs耗尽型MOSFET的特性VTH=-2.5V2.LED驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院V+IDSG0VR耗尽型MOSFET的限流电路电阻上的电压随着流过电流增加而增加，所以MOSFET源极比栅极电压高。换句话说，相对于MOSFET的源极，栅极电压越来越负，当电压低到MOSFET的关断电压，MOSFET关断，可调节电流。缺点：栅极阈值电压（Vth）范围宽，限流电阻不好选择。优点：漏极到源极之间击穿电压高，可防止瞬时的短路。2.LED驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院V+V-负载LM317ADJOUT负载INLM317ADJOUTIN用线性调压电路构成限流电路2.LED驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院2）.电流源驱动a.理想电流源特性VI输出电流恒定，输出电压由外电路负载决定，输出功率可以无穷大。但不允许开路，违背了基尔霍夫电流定律（KCL)。2.LED驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院b.实际电流源特性输出电流在一定输出电压范围内恒定，输出电压由外电路负载决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。不允许开路，否则会烧坏！但是一般电流源均有限压和开路保护电路。VI稳定区超载区Vh2.LED驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院②LED电流源驱动用恒流电源来驱动LED是相对于电压源容易的。但是单独电流源不能限制电压。如果电流源产生的电流比LED所需的电流大，则需要均流电路。电流镜V+V-Q1Q2Qn2.LED驱动电源天津工业大学电气工程与自动化学院2.LED驱动电源当大量LED模块可以并联时，具有调压功能的LED驱动器是较好的选择，各个模块用各自的线性电流调节器。当大量LED串联连接时，调节电流功能的LED驱动器是较好的选择。串联连接保证流过所有的LED电流相等，并且各个LED发光亮度也基本相同。考虑到效率，当驱动大功率LED时，具有恒流输出的开关驱动器较受青睐。效率可以达到75%~90%。如果使用了恒压源，还需要在LED上串联线性大电流电路，这样会导致电路效率降低。并增加电路的散热问题。天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源1）.线性电源优点：无任何EMI辐射，输出电压纹波小，成本低。缺点：体积大，重量大，效率低。工频变压器市电整流器稳压电路负载U2Cut/sut/sut/sut/s①.线性电源基本原理天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源②.电源性能指标参数a)稳压系数/==/LLOOOIrIIOIRRUUUUSUUUU常数常数定义为负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量之比Sr表明电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时输出电压的变化愈小。天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源c)电流调整率（负载调整率）b)电压调整率在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量△Uo，称为电压调整率。在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量△Uo，称为电流调整率，也称为负载调整率。d)电源效率η=100%OOIIUIUI天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源③.稳压电路及其工作原理A-+R1R2R3R+-UCEUBUO+-+-UITDZT为调整管DZ为稳压管A为线性放大器串联稳压电路OICEUUU天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源A-+R1R2R3R+-UCEUBUO+-+-UITDZUNUZONBCEOUUUUUONBCEOUUUUU天津工业大学电气工程与自动化学院3.线性电源与开关电源A-+R1R2R3R+-UCEUBUO+-+-UITDZUNUZ123min23OZRRRUURR+++123max3OZRRRUUR++天津工业大学电气工程与自动化学院T为大功率调整管，工作于线性放大状态，输入电压和输出电压相差越大功耗越大，效率很低。调整管极限参数的确定必须考虑输入电压由于电网波动而产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的影响。④.线性电压调节器R2UO+-+-UIA-+R1ADJINOUTLM317调压器2211.251++OADJRUIRR（）IADJ很小可以忽略不记。211.251+ORUR（）3.线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院LM317调压器的派生器件包括正电压输出模块(LM78XX)和负电压输出模块(LM79XX)。78xx79xxINGNDOUTINOUTGND要求输入电压和输出电压之间由电压差，且输出电流需要的电压差越大，其典型值为1-3V。线性LED驱动电路一个缺点是效率低，效率规定为LED电压与输出电压的比，如果输入电压高于LED电压，则其效率就低，引起发热，加散热片，体积和成本增加。注：当输入电压仅比LED电压高一点时，线性电源效率也可以很高，甚至比开关电压调节效率高。3.线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院V+V-负载LM317ADJOUT负载INLM317ADJOUTIN电流陷电流源R1R1LM317调压器构成的恒流电路11.25IR3.线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院A-+IN运算放大器构成的恒流电路线性电源局限性在于，LED电压必须低于电源电压，因为线性电源不能提高其输出电压高于输入电压。3.线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院2）.开关电源优点：效率高、体积小、重量轻缺点：EMI、成本高EMIPFC市电整流器负载C功率变换器高频变压器整流滤波控制电路ACDCACDC3.线性电源与开关电源天津工业大学电气工程与自动化学院4.开关电源电路拓扑1）.开关电源电路分析方法①各功率开关管（三极管或二极管）换流时刻作为各开关模态的转换时刻。②假设条件充分合理。a.开关管均为理想开关，导通压降为零，关断电阻为无穷大。b.大电容等效为恒压源，大电感等效为恒流源。。。。。。。。天津工业大学电气工程与自动化学院2）.开关电源基本电路拓扑a.降压型BUCK变换器ELCRQDQ、D为理想开关管C充分大，输出电压基本不变。假设条件：4.开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院开关模态1ELQDUOLitOLEUiL4.开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院开关模态2EQDUOLion(t-T)OLUiLTTonToff根据伏秒积平衡原理，可推得()OOonononOEUUTTTTUEDELLTD=Ton/T占空比4.开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院ELCRQD1RfRprampucomurefUouCv1CCv电压控制型BUCK变换器p0rampuHULUcomutt10T2T3T4T电压控制PWM波形4.开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院ELCRQD1RfRrefirefUououA1CpLiRSQCLK()st0refiLitt0T2T3T4T1电流控制型BUCK变换器电流控制PWM波形4.开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院b.升压型BOOST变换器ECRQouLDQ、D为理想开关管C充分大，输出电压基本不变。假设条件：4.开关电源电路拓扑天津工业大学电气工程与自动化学院ECQOULDLi开关模态1tLEiL开关模态2ECQOULDLion(t-TOLEUiL）根据伏秒积平衡原理，可推得1()1OononOonEUETTTTUEELLTT