LED恒流驱动-技术

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]2010.11.10汇报提纲一、大功率LED照明概述二、LED特性与驱动要求三、LED恒流驱动基本方案四、太阳能LED照明驱动技术五、LED驱动设计技巧六、我们的工作七、总结与展望1。大功率LED照明技术（1）电光源1809:HumphryDavy首次由电产生光1879-1880:ThomasEdison发明第一个可实用的白炽灯1938:美国GE公司的伊曼发明荧光灯之后，出现了其他各种气体放电灯：钠灯，汞灯，金卤灯等一、大功率LED照明概述（2）LED1962：开发出第一个可见光LED，发红光，磷砷化镓(GaAsP)(HolonyakatGE)；1965：第一款商用LED(红外光)诞生；1960’s：GaAsP商用化红色LED(HP&Monsanto)。效率大约为0.1Lm/Ｗ，比一般的60-100W白炽灯（15Lm/W）低100多倍;1968：利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1Lm/W；1970’s：黄光、绿光LED1980s：提高光输出，AlGaAsLED，10Lm/W，发出红光广泛用于信号/数字/文字显示领域(几十mW)，但不够进入照明门槛(颜色/光效/功率)一、大功率LED照明概述（3）大功率LED照明1996：日本中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色光二极管(NakamuraatNichia)2000：研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED2008-目前：光效超过20Lm/W，可白光可彩色，单管功率超过1W（大功率），进入照明领域成为可能随后光效每年不断提高，目前已达208Lm/W（CREE，2010.2）0.1W0.5W1W3W一、大功率LED照明概述（4）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（5）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上海东方明珠电视塔景观照明总计用圆形R、G、B变色灯576个（上球体有360个灯，下球体有216个灯）每个灯用300颗LED，灯光在10公里以内清晰可见。每灯耗电70W，原采用日本制造的200W白炽灯，相比节电65％灯光演播节目在不同的季节有不同的主色调一、大功率LED照明概述春季以绿色为主色，体现春意盎然的季节特征夏季以兰色为主色，给人以清凉的感觉一、大功率LED照明概述秋季以黄色为主色秋季以黄色为主色，意寓收获的季节意寓收获的季节冬季以红色为主色，反映红红火火，欣欣向荣的气氛一、大功率LED照明概述2.LED是战略新兴产业，发展潜力巨大（1）LED是照明行业节能环保的有力武器全球能源紧张、环境恶化，节能减排成为全球主旋律照明是主要的电能消耗领域，照明节能刻不容缓照明用电占发电总量的比例：发达国家19％，我国12％LED性能已经满足进入照明领域的门槛，如用LED取代全部白炽灯和部分荧光灯，将节电1000亿度/年，超过三峡电站的年发电量LED全固态，无紫外辐射，无汞，环保性好光源白炽灯荧光灯金卤灯钠灯LED光效Lm/W10-1550-10050-125100-200显色性差100－208CREE实验室水平,2010.2一、大功率LED照明概述（2）LED具有巨大的市场需求目前国内城市亮化工程发展迅速、市场巨大我国照明产业：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LED照明光色丰富、控制灵活、体积小易隐蔽，在城市景观照明中有独特优势LED近几年已经呈现高速发展态势我国LED产值：08年700亿/09年827亿/预计10年超千亿美国CIR预测，全球LED市场规模年均增长率超过30%目前LED尚在不断拓展新应用领域，如白光、生物照明、医疗照明等，显示出巨大的市场潜力一、大功率LED照明概述（3）重大工程示范效应激发了市场热情2008年北京奥运会“奥运五环”、“梦幻鸟巢”、“多彩水立方”等大规模应用LED技术，展现了独特魅力和巨大潜力，有效拉动了LED产业发展一、大功率LED照明概述2010年上海世博会成为全球最大的LED照明示范区一、大功率LED照明概述2010年11月广州亚运会也将大量采用LED照明技术亚运会场馆照明亚运会主推的广州LED路灯一、大功率LED照明概述3。各国通过国家战略参与全球竞争（1）各国大力推进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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（2）我国大力推进LED照明产业促进计划中国：“国家半导体照明工程”（2003年）设立7个半导体照明工程产业化基地：上海、厦门、南昌、大连、深圳、扬州、石家庄以科技专项、重大工程推动产业发展“十城万盏”半导体照明应用工程试点工作(2009－2012)：21城市：天津、石家庄、保定、大连、哈尔滨、上海、扬州、宁波、杭州、厦门、福州、南昌、潍坊、郑州、武汉、深圳、东莞、成都、绵阳、重庆、西安100万盏LED灯08年我国半导体照明总产值近700亿元，其中芯片19亿，封装185亿元，应用产品450亿元LED企业超3000家，70%于下游产业，国产外延、芯片以中低档为主，80%以上的功率型LED芯片、器件进口目标：到2015年，产业产值年增长30％，产品市场占有率功能性照明达20％,液晶背光源达50％,景观装饰等达70％一、大功率LED照明概述（3）上海LED产业推进计划成立上海半导体照明工程技术研究中心，建设上海半导体照明公共研发和服务平台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“十城万盏”半导体照明应用工程试点计划：对接九大领域，在十个方向实施LED照明示范工程，拓展LED应用一、大功率LED照明概述以绿色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1.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高频开关型三、LED恒流驱动基本方案三、LED恒流驱动基本方案2.LED驱动电源的主要结构：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恒流驱动基本方案3.镇流电阻驱动电路•恒压源＋镇流电阻R＋LED阵列inofsVyVIxRyRVin为电路的输入电压Vf为LED的正向压降Vo为单个LED的开通电压降Rs为LED的线性化等效电阻If为LED的正向电流y为每串LED的数目x为并联LED的串数优点：电路简单，成本低缺点：电流稳定度不高，效率低，仅适用于小功率LED4.线性电源电路•在电路中对LED并联或者串联一个工作在线性区的功率管，通过负反馈系统调节功率管的阻值大小使得流过LED的电流维持在一个恒定的值。•交流市电输入，桥式整流，集成运放负反馈•功率管工作在线性区，消耗了较多的功率，系统效率不高三、LED恒流驱动基本方案5.电荷泵驱动电路•利用分立电容将电能从输入端传送到输出端，整个电路不需要任何电感，设计简单。但是由于升压增益有限，绝大多数的电荷泵升压电路的输出电压不会超过输入电压的两倍，所以在驱动多个LED时通常采用并联的方式，为防止并联直流上电流分配不均，每个输出支路都需要串联一个限流电阻，这样系统的效率不高三、LED恒流驱动基本方案6.开关电源驱动电路非隔离型Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta。隔离型Forward、Flyback、Push-Pull、Fullbridge、HalfbridgeCuk(Isolated)、Sepic(Isolated)、Zeta(Isolated)。三、LED恒流驱动基本方案Flyback型隔离AC/DC恒流驱动电路•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＋限流及热关断三、LED恒流驱动基本方案•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恒流驱动基本方案实验结果：•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恒流驱动基本方案四、太阳能LED照明驱动技术1.太阳能发电•太阳能资源丰富，分布广泛，可再生，清洁不污染环境•40-60%年增幅，超过风能成为世界发展最快的能源领域•中国：丰富的太阳能资源、硅矿石资源、巨大光伏市场•中国可再生能源发展规划：光伏发电到2020年累计装机容量180万KW（2008年14万KW）2.太阳能LED照明•绿色能源＋绿色光源：最大限度节能环保•电压均为直流，易于匹配•高