《LED电源驱动与控制培训教材》照明学会灯具设计技术培训

LED电源驱动与控制中国照明学会LED灯具设计技术高级培训班2008/7/15-17颜重光AlecYan高工StaffEngineerGreenLighting•LED高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03瓦-1瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。•LED长寿命：LED光源被称为长寿灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点，使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。•LED利环保：LED是一种绿色光源，环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线，热量低和无频闪，无辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。大功率LED寿命优势LED照明系统电源电压变换驱动ICLEDAC/DC12VAC220/110VAC220/110V桥式整流桥式整流中压降压恒流高压降压恒流串联LED串并联LED串并联LEDAC220/110V阻容降压整流串联LEDDC/AC/DC（隔离）恒流EMI+整流+PFCLED工作原理•LED工作的主要参数是VF/IF，其它相关的是颜色/波长/亮度/发光角度/效率/功耗。•VF正向电压是为LED发光建立一个正常的工作状态。•IF正向电流是促使LED发光，发光亮度与流过的电流成正比例。•LEDVF标称电压：3.4V±0.2V。•LEDIF工作电流按应用需要选用，各挡不能混用。LEDLamp用各档LED电流：300-1400mA15-20mAIF工作电流大功率LED一般功率LEDLED（VF=3.4V)CIE(CommissionInternationaledel’Eclairage)国际照明委员会色度图LED光源几乎完全涵盖了位于CIE色度曲线内部的飽和颜色，LED与荧光组合可以产生各种需要的颜色。大功率照明用LED大功率照明用LED其封装从成品来看是单颗芯片的，其实是用N颗LED管芯封装在一个单位里的。它们的排列组合是串并联，它们是N个串联，再N个并联，然后由二点联接电源。LED驱动ICLED驱动器的选用理念•照明用LED的VF电压都很低，一般VF=2.75-3.8V，IF在15-1400mA；因此LED驱动IC的输出电压是VFXN或VFX1,IF恒流在15-1400mA。•随着大功率LED普遍在灯光装饰和照明中的普遍使用，功率型LED驱动显得越来越重要。用市电驱动大功率LED需要解决降压、隔离、PFC（功率因素校正）和恒流问题，还需有比较高的的转换效率，有较小的体积，能长时间工作，易散热、较低的成本，抗电磁干扰，和过温、过流、短路、开路保护等。•在LED照明领域，要体现出节能和长寿命的特点，选择LED驱动器至关重要，没有好的驱动器IC的匹配，LED照明的优势无法体现。•大功率LED是低电压、大电流的驱动器件，其发光的强度由流过LED的电流决定，电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此，LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。DC-DC降压恒流式LED驱动器特点：•输入范围从8V到30V，击穿电压45V•输出电流高达1.2A，内置大功率MOFET•效率高达97％•超低的关断电流•±5％输出电流精度•LED开路保护•模拟/PWM调光功能选择，高达5000:1的PWM调光比•内部含有抖频特性，有效地改善了EMI应用：MR16射灯、LED装饰照明、汽车的辅助照明灯PT4115特点和应用频率抖动改善EMI原理•开关电源采用脉宽调制(PWM)控制方式，开关频率不断提高，其高频开关波形含有大量谐波成分，通过传输线和空间电磁场向外传播，造成传导和辐射干扰。频率抖动技术(FrequencyJitter)是一种从分散谐波干扰能量着手解决EMI问题的新方法。频率抖动技术是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地由窄带变为宽带的方式来降低EMI，来减小电磁干扰的方法。•频率抖动技术通过扩展电源噪声频谱的方式降低了窄带EMI。对于可以抖动多少的振荡器频率(fS)，存在一些局限性。其中一些局限因素是开关损耗和磁路设计。为了将升压电感尽可能的保持较小，并将开关损耗保持在可控范围内，频率抖动应不超过基本频率的20%至30%。频率抖动改善EMI采用频率抖动技术时，谐波幅值降低并且变得平滑，高次谐波接近连续响应。减小EMI的效果十分显著。未采用频率抖动技术时，各次谐波较窄而且离散，幅值在谐波频率处较高,EMI集中在峰尖。直流输入方案•输入电压范围：8-30V•输出电流高达1.2A•外部元器件少•调光特性好，PWM/模拟调光PT4115直流输入应用方案PT4115PT4115VINCSNSWDIMGNDRSLCINVIND(SS14)47uH10uFDC8-30V0.27ΩLED1W12-18VAC应用方案PT4115PT4115VINCSNSWDIMGNDRSLCINVIND47uH100uFAC12-18VDC8-30V0.13Ω3WLEDPT4115系统效率和输出电流8101214161820222426283075%80%85%90%95%100%EfficiencySupplyVoltageVin(V)Efficiency1,3and7LEDsL=47uHRs=0.13ohm1LED3LEDs7LEDs510152025307107207307407507607707807908007LEDs3LEDs5LEDs2LEDs6LEDs4LEDsOutputCurrent(mA)SupplyVoltageVin(V)OutputCurrentL=47uHRcs=0.13ohm1LED3WLED输出效率3WLED输出电流PT4115LED电流随LED颗数与输入电压关系510152025301.101.121.141.161.181.201.221.247LEDs6LEDs5LEDs4LEDs3LEDs2LEDsOutputCurrentSupplyVoltage(V)OutputCurrentL=27uHRcs=0.0825ohm1LED510152025302802852902953003053103153203257LEDs6LEDs5LEDs4LEDs1LED2LEDs3LEDsOutputCurrentSupplyVoltage(V)OutputCurrentL=100uHRcs=0.33ohm1.2A输出电流300mA输出电流PT4115PWM调光0.00.20.40.60.81.00100200300400500600OutputCurrent(uA)DimDutyCycleOutputCurrentvsDimDutyCycle50KHz20KHz100HzPWM调光，从100%到0%)55.2%,1000(1.0VVVDRsDIpulseOUT≤≤×=)5.25.0%,1000(5.21.0VVVDRsDVIpulsepulseOUT≤≤×××=PT4115PWM调光比5000:1100,215000:1PWMsettlePWMsettlefHztusDimRangeft====´PWM调光比PT41150123450100200300400500600700800LEDCurrent(uA)DimPinVoltage(V)LEDCurrentvsVdimR=0.13ohmR=0.33ohm模拟调光)5.25.0(5.21.0VVVRsVIDIMDIMOUT≤≤××=)55.2(1.0VVVRsIDIMOUT≤≤=模拟调光PT4115动态温度调节DIM端内部是一个1兆上拉电阻（Rup）接到内部5V电源。DIM端的电压由Rup和NTC分压决定，利用模拟调光的原理以及温度对LED电流的负反馈实现动态温度控制。NTC也可以由二极管来实现，或者二极管串热敏电阻等方法。PT4115过温保护PT4115PT4115VINCSNSWDIMGNDRSLCINVIND0.13Ω47uH4.7uFNTC如图所示可以实现过温保护，当灯杯或LED温度高于一定值时关断LED电流，当温度降低后，重新开启PT4115占空比和工作频率随LED颗数与输入电压关系PT4115外部元器件选择正向压降尽可能低的肖特基二极管。电流能力一定要满足应用，原则上大于1.5*Iout*Vout/(0.8*Vin)。整流二极管DCR越小，效率越高输出电流小于400mA68-100uH(饱和电流0.6A)输出电流在400mA到800mA47-68uH(饱和电流1.2A)输出电流在800mA到1200mA33-47uH(饱和电流1.8A)L正向压降尽可能低的肖特基二极管，可以提高效率输出电流大于800mASS24输出电流小于800mASS14D直流电压输入，输入电容可以小一点输出电流大于400mA100uF(工作电压30V)输出电流小于400mA100uF(工作电压30V)CINRS=0.1/ILED，比如要输出350mA，则RS=0.1/0.35=0.2857OHM精度大于1%RSPT4115•电感越大，工作频率越低，恒流效果越好；•输出电流越大，需要电感值越小，电感选择方便；•输出电压越高，效率越高，3颗1W串联比1颗3W效率高；•系统损耗由RS损耗（0.1*Iout）、电感DCR损耗（DCR*Iout2）、功率开关导通损耗（Rsw*Iout2）、功率开关开关损耗（正比于开关频率）等主要部分组成；•通常电感越大，功率开关开关损耗越小，但是DCR会变大，对应电感损耗变大；•反馈电压100mV，RS损耗业界昀小，功率开关导通电阻Rsw为0.6欧姆，也比较小，效率比一般产品高；•内部含有过温保护功能，外部可以设计过温保护，对LED有双重保护；•采用SOT89-5封装，热阻仅为45℃/W，散热特性很好。PT4115芯片应用特点•PCB铜箔与PT4115的ExposedPAD和GND的接触面积面积要尽可能大，以利散热。•AC12V整流管和续流二极管D一定要选用低压降的肖特基二极管，以降低自身功耗。•电感的饱和电流必须大于输出电流1.5倍。PT4115应用注意事项PT4115与主要竞争对手比较驱动1颗3W的灯PT4115vs.ZXLD1360/1362PT4115与主要竞争对手比较驱动3颗1W的灯PT4115PT4115VINCSNSWDIMGNDRSLCINVIND(SS14)47uH100uFDC12-24VDC8-30V0.27ΩLED1WD(SS14)D(SS14)D(SS14)D(SS14)PT4115vs.ZXLD1360/1362PT4115与主要竞争对手比较•PT4115：DIM调光由高向低调光安全可靠。•PT4115：内部设置了过温保护功能（TSD）,以保证系统稳定可靠的工作。当IC芯片温度超出160℃，IC即会进入TSD保护状态并停止电流输出，而当温度低于140时，IC即会重新恢复至工作状态。•PT4115：真正的宽频TruePWM调光比模拟调光的优势在于不改变LED的色度。调光频率昀高可超过20kHz。Zetex1350/60:模拟调光在1.25V以上，LED电流超过额定值，引起烧灯Zetex1350/60:芯片内部没有过温保护功能，必须外部另外设计，增加成本和空间Zetex1350/60:PWM调光只能低频有效，高频PWM调光会有色度漂移（白光变黄）PT4115相比于Zetex1350/60的三大优势效率对比测试PT4115市场竞争状况量产品牌效应比较好￥6.00~￥8.00Zetex1360还在送样阶段刚上市？￥1.80~￥2.20矽恩SN3350已停产价格低尚可￥1.50PT410508/7量产相比于Zetex1350有三大优势好￥2.60~￥3.00PT4115量产上市几月一般￥1.80~￥2.20士兰SB42511量产上市早一般￥2.50~￥3.00普诚CPTC6903量产品牌效应比较好