LED灯恒流驱动电源设计指导书(新)

LED高效恒流驱动电源的设计指导书第1章绪论1.1LED工作原理1.1.1LED发光原理发光二极管（LED）是一种将把电能变成光能的器件，发光二极管的主要部份是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在P型半导体中，空穴占有绝对地位，而在N型半导体中电子占绝大多数。在这两者之间是p-n结。的大体工作过程是一个电变光的过程，当LED的p-n结由外部电路加上正向偏压时，P区的正电荷将向N区扩散，同时N区的电子也向P区扩散，电子与空穴结合然后释放能量，一部分能量由光的形式散发出来，这就是发光的原因。不同大小的能量水平的差异，频率和波长的光的不同，相应的光的颜色是不同的，这便是LED发光原理。1.1.2LED光源的特点1超低能耗比起传统的白炽灯为首的白炽灯，至少节省20%以上的电量，节约了资源。2超长寿命传统的节能灯的寿命是2000~8000小时，而LED照明灯寿命可达5万~10万小时。3响应时间短LED灯的响应时间比传统的照明灯快几个数量级。4工作电压低LED的驱动电源既可以是高压电源又可以是低压电源，相比传统的照明灯，它更加适应电压的变化，电压发生变化的时候不容易损坏。5绿色环保符合欧盟标准，不会造成环境污染，并且LED可以被回收利用。6坚固可靠LED完全封装在循环氧树脂里面的LED，它比传统照明灯更加坚固不易损坏。7不招蚊虫因LED用二极管发光技术，使用的冷光源，所以不招蚊虫。8自选颜色可以通过不同的设计以及电流的大小来改变LED的颜色。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。目前白色LED发光效率已经突破120LM/W，是白炽灯15LM/W的8倍，是荧光灯50LM/W的2倍多。LED的光谱中没有紫外线和红外线成分，所以有害辐射小。在散热良好的情况下，LED的光通量半衰期大于5万小时以上，可以正常使用20年，器件寿命一般都在10万小时以上，是荧光灯寿命的10倍，是白炽灯的100倍。这种灯具具有非常好的节能长寿命特性，随着白色LED价格的不断降低，LED照明灯不但在节日彩灯装饰中广泛应用，而且逐步延伸到路面照明、民用照明等低照度要求的领域，全面进入实用化，并且在环保方面废弃物可以回收，没有荧光灯的汞污染问题，是国家重点发展的继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明产业。LED驱动电源原理下图为超高亮LED的特性伏案特性曲线，即正向电流(IF)和正向压降(VF)的关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比。表中是当前主要超高亮LED的电气特性。当前超高亮LED的最高IF可达1A，而VF通常为2～4V。（图1）由于LED的光特性通常都表述为电流的函数，而不是电压的函数，（图2）是光通量(φV)与IF的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1V以上)，而由（图1）中的VF-IF曲线可知，VF的微小变化会引起较大的，IF变化，从而引起亮度的较大变化。所以，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动。（图2）（图3）是LED的温度与光通量(φV)关系曲线，由（图3）可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的一半，而-40℃时光输出是25℃时的1.8倍。温度的变化对LFD的波长也有一些影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的前提。（图3）是LED的温度与光通量(φV)关系曲线。（图3）一般LED驱动电路介绍由于受到LED功率水平的限制，通常需同时驱动多个LED以满足亮度需求，因此，需要专门的驱动电路来点亮LED。下面简要介绍LED概念型驱动电路。阻限流电路如（图4）所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算。（图4）式中：Vin为电路的输入电压：IF为IED的正向电流;VF为LED在正向电流IF时的压降;VD为防反二极管的压降(可选);y为每串LED的数目；x为并联LED的串数。由上图可得LED的线性化数学模型为：式中：Vo为单个LED的开通压降;Rs为单个LED的线性化等效串联电阻。则上式限流电阻的计算可写为：当电阻选定后，电阻限流电路的IF与VF的关系为由上式可知电阻限流电路简单，但是，在输入电压波动时，通过LED的电流也会跟随变化，因此调节性能差。另外，由于电阻R的接人损失的功率为xRIF，因此效率低。线性调节器介绍线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或MOSFFET作为一动态可调电阻来控制负载。线性调节器有并联型和串联型两种。（图5）a所示为并联型线性调节器又称为分流调节器(图中仅画出了一个LED，实际上负载可以是多个LED串联，下同)，它与LED并联，当输入电压增大或者LED减少时，通过分流调节器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使通过LED的电流保持恒定。由于分流调节器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定的调节。（图5）b所示为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持LED上的电压(电流)恒定。（图5）由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正确地工作。开关调节器介绍上述驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驱动时，由于电流只有几个mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百mA甚至更高的高亮LED的驱动时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。开关电源是目前能量变换中效率最高的，可以达到90%以上。Buek、Boost和Buck-Boost等功率变换器都可以用于LED的驱动，只是为了满足LED的恒流驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。（图6）(a)为采用Buck变换器的LED驱动电路，与传统的Buek变换器不同，开关管S移到电感L的后面，使得S源极接地，从而方便了G的驱动，LED与L串联，而续流二极管D与该串联电路反并联，该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容，降低了成本。但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个LED串联的场合。（图6）(b)为采用Boost变换器的LED驱动电路，通过电感储能将输出电压泵至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对LED的驱动。优点是这样的驱动IC输出可以并联使用，有效的提高单颗LED功率。（图6）(c)为采用Buck—Boost变换器的LED驱动电路。与Buek电路类似，该电路S的源极可以直接接地，这样方便了G的驱动。Boost和Buck-Boosl变换器虽然比Buck变换器多一个电容，但是，它们都可以提升输出电压的绝对值。因此，在输入电压低，并且需要驱动多个LED时应用较多。（图6）第2章开关式恒流驱动电源原理分析2.1LED驱动方式常见的LED驱动方式有以下三种：阻容降压、隔离反激以及原边调节方案。其中阻容降压式电路简单，成本低，但效率低，调节精度差，已被淘汰。目前主要采用的是开关电源方式的隔离反激以及原边调节方案。2.1.1开关式稳压电源的基本工作原理开关电源是通过控制晶体管的导通与截至的时间或频率，以达到稳定输出电压的一种电源。相比线性电源，具有效率高、体积小、重量轻、适应电网电压范围宽等优点。开关式稳压电源的控制方法可以分为脉宽调制（PWM）方法和频率调制（PFM）方法两种，在我们实行的工作和使用中，基本上都是用脉宽调制式开关稳压电源。就当下的开发和设计的开关电源集成电路中，八成以上都是采纳脉宽调制型。所以接下来我们就主要介绍脉宽调制式开关稳压电源。脉宽调制式开关稳压电源的基本原理可参见下图：图2-1开关电源基本原理从上图所示的单极性矩形脉冲可以看出，单极性矩形脉冲的宽度决定了U0的值，如果脉冲的宽度加宽，那么相应的直流电压也会增加。Uo可用以下公式计算得出结果：Uo=T1/T×Um=DUm其中T1是矩形脉冲宽度，T为该矩形脉冲周期，Um是矩形脉冲的峰值，D为占空比。从上面的公式我们可以得出结论，Uo可以通过调节D实现稳定。2.1.2AC/DC开关式稳压电源的原理图2-2开关电源原理电路交流电压AC经过整流电路和滤波电路整流滤波后，含有脉动成分的直流电压，电压被开关变换器转换成方波电压，这个方波电压被调宽（或调频）后，再经整流滤波后成为我们所要求的DC。脉冲宽度调制部分的电路，包括抽样器、比较器、振荡器、脉宽调制、参考电压电路等等。2.2反激式概述反激式(Flyback)变压器，英文名称：FlybackTransformer。变压器也称之为转换器、变换器。反激式是指当初级线圈被变压器的直流脉冲电压激励时，负载没有变压器次级线圈提供的功率输出；只有当断开变压器初级线圈的激励电压时，负载才会有功率输出。这就是反激式开关电源。图2-3反激式开关电源工作原理反激式变压器有如下几点优点:1.转换的效率高，2.变压器匝比psN数值小3.电路简单，体积小，节约成本。2.2.1反激式开关电源的工作过程以上图所示的电路为例，我们来分析一下反激式的工作原理。当三极管VT导通的时候，即左侧电路构成通路，初级线圈绕组Np上有电流流过即Ip，并且开始储存能量。从图中可以看出，初级线圈Np和次级线圈N2的极性是相反的，二极管反偏截至，能量也就无法进行传递，从而无法到达负载。而当三极管VT截至的时候，分析跟上述相反，二极管正向导通，能量到达负载，I0流过负载。其过程的波形图如下：图2-4波形图2.2.2反激式开关电源的工作方式反激式变压器的工作方式大概有以下两种：其一是本次设计采用的工作方式，那就是DCM工作方式，即是电感电流不连续模式，其二是CCM工作方式，即使电感电流连续模式。1.CCM(ContinuousInductorCurrentMode)，就是周期内开启时间所获得的能量在反激的时间里部份或者说不完全的传给输出端。2.DCM(DiscontinuousInductorCurrentMode)，就是周期内开启时所储存的能量在周期内的反激时间完全或者说是全部流到输出端。图2CCM与DCM工作模式波形图。2.3原边反馈概述2.3.1PSR（PrimarySwitchingRegulator，原边开关调节）控制原理近两年由于PSR线路简单，成本低，所以在充电器，LED驱动应用方面相当流行。先谈谈CV操作模式，现在大部分芯片都是直接取样辅助线圈上电压，由于漏感的原因，在MOS关断后，也就是次级二极管导通瞬间，会产生一个尖峰，影响电压采样，为了避开个这个尖峰，大部分厂家都是采用延时采样，也就是在MOS管关断一段时间后再来采样线圈电压。从而避开漏感尖峰。PI是在高压开关关断2.5μｓ采样。这种采样方式其实在以前很多芯片上的过压保护上也都有应用，比如OB2203和UCC28600，NCP1377上都有这样的应用，所以可以得到较高精度的过压保护。还有些厂家是在下取样电阻上并一个小容量的电容来实现。同时建议大家吸收电路使用恢复时间约只有2us的IN4007再串一个百欧左右的电阻作吸收。可以减小漏感产生的振铃，从而减小取样误差。得到较高采样精度。次级圈数固定，辅助绕组固定，取样精度高。比较器内部精度也高，自然可以得到较高的输出电压精度。图片截自NCP1377规格书。因为输出电流Io是次级电流（如下图的三角形）在一个工作周期的平均值，所以Io=(Td/T)*Ipsk/2,其中T为工作周期。由安匝平衡条件，Np*Ipk=Ns*Ipks，所以Ipks=Np*Ipk/Ns,将Ipks=Np*Ipk/Ns代入Io=(Td/T)*Ipsk/2，得到：Io=(Td/T)*（Np*Ipk/Ns）/2。由上式可以看出，Np,Ns为常数，只要固定Ipk和Td/T，就可以得到固定的电流输出，即恒流（CC）输出。市面上很多IC固定Ipk的方式是限制初级MOS取样电阻上的峰值电压，同时为了避免寄生电容在导通时产生的电流尖峰，会加入一段消隐时间。Td/T是由IC内部固定的