LED电源设计

LED电源设计ContentLED应用简介LED电源设计方法恒流供电设计原理分析分比式架构分析典型电路分析设计实例LED应用简介V•I芯片元件高效率LED的应用LED的技术走向–更高效Cree,APEC2007光源效率趋势实验室最佳量产最佳光度(流明/瓦)LED的优势相比于现有照明技术，例如灯泡，光管，高强度放电(HID)等等，LED有以下优势:省电细小高可靠性、耐用(50,000小时，一般灯泡只有约1,000小时)适合恶劣环境应用快速起动，可高速调节光暗颜色纯度高不含有害物质LED电源设计方法介绍V•I芯片元件LED普及要解决的问题LED全面应用于所有照明方案，还需要解决以下问题:成本用RGB组成白光时，温度和老化而形成的色彩偏差电源驱动设计方案本课程内容LED的工作原理正向偏压使电流通过而发光LED的主要电气参数为VF及IF不同材料(颜色)构成的LED有不同VF值光度则与IF成正比，但各型号均有最大值其他参数为亮度、波长、发光角度、效率及功耗等LED本身为发光二极管，有P-N结的电气特性LED伏安特性LED伏安特性是非线性的，很小的电压变化就会引起很大的电流变化。可以看出，电源电压的10%的变化（3.4V-3.1V），就会引起正向电流的3.5倍的变化（从350mA变到100mA）。电源电压在3.3V时正向电流为20mA的LED，如果用3节干电池供电，新的电池电压超过1.5V，3节就是4.5V，LED的电流就会超过100mA，很快就会烧坏。LED伏安特性的温度特性伏安特性--负温度系数温度系数通常是-2mV/℃。即随温度的升高，其伏安特性左移。大功率LED芯片，由于功率大，散热不容易，温升问题严重。假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA，而温度升高到85℃时，电流就会增加到35～37mA，但其亮度并不增加。电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。LED电源驱动方案（1）恒压供电:电源的输出电压需高于LED的总压降，并能提供足够的电流(功率)优点是简单，设计容易由于LED的IF对VF的变化极敏感，必须要以电阻设定工作电流但电阻将限制LED串列的数量，及做成不必要功耗LED电源驱动方案（2）恒流电源:最理想的驱动方式，恒定电流亦使光度稳定没有串联电阻引致的功耗成本相对较高，需建另外设计恒流控制电路电源的恒流输出电压需高于LED的总压降恒压源加电阻负载线，斜率=1/R恒流源负载线，斜率=1/R=０思考用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流？几个LED并联，能不能用恒压电源？多个LED并联后，采用恒压电源供电，能不能用不同的串联电阻来使电流平衡？N个LED串联后，假如用恒压电源供电，其温度效应（由温升而引起的电流增加）将会扩大N倍，这是因为所有LED串联以后相当于各个LED的伏安特性沿电压轴串联综上所述，给LED供电，要采用恒流电源供电，电流恒定以后，不管温度怎么变化，伏安特性如何左移，电流都不变！结温也就不会恶性循环了！恒流供电设计原理分析V•I芯片元件恒流供电LED电源设计应考虑的问题高可靠性高效率高功率因素浪涌保护保护功能（在恒流输出增加温度负反馈）防护方面(物理部分）驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配EMI/EMC目前LED均采用恒流供电，因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源。它的功能是把交流市电转换成合适LED的直流电。根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求，在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点：LED电源驱动方案除传统DC-DC砖式及配置式电产品外，现有的趋势是利用新型集成电路芯片设计高效及高功率密度的LED电源方案。传统DC-DC「砖式」转换器架构Regulation=稳压稳定这两点的输出电压Transformation=转换把电压从一形式转为另一形式(在这里，是把DC转变为AC)Isolation=电气隔离IsolationTransformationRegulationDC-DC方块图现在主流的电源设计架构RegulationLPRMVTMIsolation&TransformationNPNSK=NS/NPPRM=预稳压模块只负责稳压工作(Regulation)VTM=电压转换模块只负责转换及隔离(Isolation&Transformation)Regulation=稳定这两点的输出电压Transformation=转换即把一电压转为另一电压(简单的说，可视为升压或降压，但实际上还把DC转变为AC及后又还原为DC)Isolation=电气隔离相应的LED电源设计方案把传统的DC-DC功能分为2个部分，从而对每一功能作出优化，达至以下的优点:分开功率转换级别:稳压及电压转变•降低系统分布损耗•减少DC-DC转换路径上重复的功能•降低负载点功耗而增加系统效率并非折衷的改良而是全新的功率分布调配灵活的部件•适合DC-DC转换的细小高效能组件•提供重要优势–高功率密度(体积及重量)–效率高–设计上灵活–速度(快速响应)66分比式架构分析V•I芯片元件预稳压模块(PRM)零电压开关升/降压拓朴及控制技术高频开关(1MHz)采用零电压开关升/降压拓朴初级升/降压控制预稳压模块(PRM)-典型参数（Vicor）特点–功率达320W–面积只有7.1cm2或1.1in2–功率密度60W/cm3(1,100W/in3)–效率达97%(于300W负载时)输入:24V(18-36V):30V(18-60V):48V(38-55V或36-75V)输出:稳压(26-55V)VTM电压转换模块(VTM)SACControlPPPDDDDD+IN-IN+OUT-OUTP=PowerTransformerD=DriveTransformerCresDD专利正弦振幅转换器(SAC)零电流、零电压，1MHz开关頻率拓朴P=功率变压器D=驱动变压器电压转换模块(VTM)隔离有如直流变压器具电流倍增及电压降幅能力V048系列–输入:26–55Vdc(源自PRM的分比母线)–输出:0.8–55Vdc–输出电流:3–100A–穩压:1%(与PRM一起应用自适环模式)–效率:达96%特点PRM及VTM型号输入电压最高输出PRM型号微調/VF範圍功率电流36–75Vdc240W5.0AP048F048T24AL26–55V120W2.5AP048F048T12AL38–55Vdc320W6.6AP045F048T32AL170W3.5AP045F048T17AL18–36Vdc120W2.5AP024F048T12AL18–60Vdc120W2.5AP036F048T12ALPRMVTM从输入规格选择PRM型号从输入规格选择VTM型号输入电压K因素输出电压输出功率VTM型号@48Vin范围Vdc26-55Vdc1/321.5Vdc0.81–1.72100AV048F015T1001/242.0Vdc1.09–2.2980AV048F020T0801/163.0Vdc1.63–3.4470AV048F030T0701/124.0Vdc2.17–4.5850AV048F040T0501/86.0Vdc3.25–6.8840AV048F060T0401/68.0Vdc4.33–9.1730AV048F080T0301/59.6Vdc6.40(a)–11.0025AV048F096T0251/412.0Vdc6.50–13.7525AV048F120T0251/316.0Vdc8.67–18.3015AV048F160T0151/224.0Vdc14.0(b)–26.50(c)12AV048F240T0122/332.0Vdc17.33–36.679AV048F320T009148.0Vdc26.00–55.00c6AV048F480T006DC-DC转换稳压=PRM(预稳压)+VTM(变压隔离)–48VIN(或24VIN)至0.8-55VOUT负载源分比式功率架构的优势使用2片V•I芯片从48V直接到负载而达100APRM可远程置放–使母板负载处省却大量空间–负载处功耗较小把负载点电容器移到VTM的输入–减低电容量1/k2倍–额外空间及成本减省负载源负载源负载源1,000µF这里1µF那里以K=1/32計提供灵活配置效率高达97%–PRM97%+–VTM96%+(5VOUT)–VTM90%+(1.1VOUT)效率高=所需气流或散热片体积较细小PRMEfficiency(%)(P045F048T32AL,48Vout,Tcase40'C,noheatsink)8990919293949596979801234567OutputCurrent(A)Efficiency(%)VTMEfficiency(%)(V048F015T100,1.3Vout,Tcase40'C,noheatsink)7075808590950102030405060708090100OutputCurrent(A)Efficiency(%)高效率PRM:高带宽控制回路VTM:低阻抗、1MHz负载点电流倍大PRM+VTM输入48V,输出1.2V,0-100A,800A/µs负载步跳,220µF输出电容下冲小于30mV速度VTM低输出纹波1.5VVTM输出纹波100A负载,没有输出电容CH1:Vout50mV/divTimebase:500nsΔV:100mV1/Δt:2.9MHz1.5VVTM输出纹波100A负载,带100µF陶瓷电容ΔV:14mVCH1:Vout20mV/divTimebase:500nsPRM+VTM低输出纹波满载，标称输入电压及带80µF输出电容更多的组合…NPNSBCMPRMLNPNSVTM完整的DC-DC方案PRMLNPNSVTM负载源采用PRM及VTMPRM分比母线Vf宽输入母线负载PRM调控分比母线电压(VF)达至VTM输出稳压VTM转换电压及隔离负载效果:高效能分布，稳压，转换及隔离PRM及VTM反馈方式本地环3-5%输入负载分比母綫本地环自适环1-2%输入负载分比母綫自适环VTM遥感环0.2%输入负载分比母綫遥感环PRM+2xVTM=200A(只需3片V•I芯片)PRMLNPNSVTM负载源NPNSVTMVTM并联极为简单,无需变更自适环元件的数值可用2片VTM便达至200A输出(低压)PRML负载源可达至1kW或以上可参考并联PRM的应用笔记PRM/VTM并联阵列PRMLNPNSVTMNPNSVTMPRMLNPNSVTM负载源NPNSVTMPRM可驱动2片VTM自适环可达至1%调整率可轻易达至100V、隔离及稳压的输出PRM+VTM输出串联，只需3片芯片就可达至100VPRMLNPNSVTM负载#1源NPNSVTMPRM+‘多片’VTM=多路输出负载#2PRM设定为本地环模式因此，各VTM的输入电压均相同可达至2.5%稳压(满载时，轻载的调整率更佳)单一PRM可驱动2片VTM，或可外加电路以驱动更多VTMPRM=非隔离的稳压器LoadSourceRosC1VHSCSGOSNCCDVCPCTMILNCPRP048F048T24AL+IN+OUT-IN-OUTPRML负载源PRM+VTM恒电流电源PRM可在非常准确的控制做成恒流源(设定的1%内)电路是兼容所有PRM电路也可配合所有VTM–在整个输出电压范围内均可恒电流输出–可驱动所有标准的LED(3V,4V,5-55V系列)应用V•I芯片在固态照明(LED)•PRM+VTMs24V,绿光(24VVTM)14V,黄光(16VVTM)6V,蓝光(6VVTM)48VinPRMPRM作为恒流源的原理主要的外加恒流控制电路LED阵列3–55V输出PRM作为恒流源的原理用小型的分流器测量PRM的输出电流以差动放大器把电流放大，与参考电压比较再反馈遗误差信号至