(3334)LED驱动电源的设计.ppt

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1、LED驱动电源的设计,LED驱动电源的概念,原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作照明光源就要解决电源变换问题。LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件，LED驱动应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特点。,开关电源,开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。,PWM控制IC,MOSFET,开关电源的工作流程,当市电进入电源后，先经过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号，然后经过整流

2、和滤波得到高压直流电。接着通过开关电路把直流电转为高频脉动直流电，再送高频开关变压器降压。然后滤除高频交流部分，这样最后输出供设备使用相对纯净的低压直流电。开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。开关电源的电路组成方框图如下：,开关电源拓扑结构,串联型开关稳压电路,在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源

3、通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。,并联型开关稳压电路,主回路中，相对于输入端而言，开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输出端负载成并联连接的关系。开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载R靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器L中的

4、自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载R供电，并同时对电容器C充电。此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压式变换。并且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求。,极性反转型换能电路,输出电压与输入电压的极性相反。电路的基本结构特征是：在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。关管T交替工作于通/断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL 靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对

5、负载RL供电，并同时对电容器C充电；由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。,单端正激式开关电源,单端通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器；正激脉冲变压器的原/付边相位关系，确保在开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。该电路的最大问题是：开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管关断时，脉冲变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器饱和，使开关器件烧毁。图中的D3与N3构成的磁通复位电路，提供了泄放多余磁能的渠道。,单端反激式开关电源,反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原/付边相位关系，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原

6、边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决，但是，由于变压器存在漏感，将在原边形成电压尖峰，可能击穿开关器件，需要设置电压钳位电路予以保护D3、N3构成的回路。从电路原理图上看，反激式与正激式很相象，表面上只是变压器同名端的区别，但电路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。,推挽式换能电路,这种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。主要优点：高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管

7、基极均为低电平，驱动电路简单。主要缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。,全桥式开关电源,这种电路结构的特点是：由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。图中T1、T4为一对，由同一组信号驱动，同时导通/关端；T2、T3为另一对，由另一组信号驱动，同时导通/关端。两对开关管轮流通/断，在变压器原边线圈中形成正/负交变的脉冲电流。主要优点：与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。主要缺点：使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。,半桥式开关电源,电

8、路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管（T3、T4）换成了两只等值大电容C1、C2。主要优点：具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC变换器，如电子荧光灯驱动电路中。,LED照明驱动电源的工作原理,LED电源设计要点,高可靠性：特别是对LED路灯的驱动电源，安装在高空中，维修不方便成本也高。高效率：LED是节能产品，电源的效率要高，特别是对于安装在灯具内部的电源更为重要，因为LED的发光效率随LED温度的升高而降低。电源效率越高，损耗越少，在灯具内发热量小

9、，可以降低灯具内温升，对延缓LED光衰有利。功率因数：功率因数是电网对于负载的要求，一般70W以下的电器没有功率因数的要求，小功率的低功率因数负载大量同时使用的话，会对电网造成较严重的污染。,LED电源设计要点,驱动方式：主要有两种，一个是多路恒流，一个恒压源供多个恒流，每个恒流源给一路LED串供电；还有一个是直接恒流，LED串联或者并联运行。浪涌保护：浪涌电流是指电网中出现的短时间象“浪”一样的高电压引起的大电流。当某些大容量的电气设备接通或断开时间，由于电网中存在电感，将在电网产生“浪涌电压”，从而引发浪涌电流。LED由于本身特性的原因，抗浪涌能力较差，特别是反向抗压能力，因此加入浪涌保护

10、电路非常必要。保护电路：除常规的欠压保护、过压保护、过流保护外，最好加入温度反馈电路，因为LED温升对寿命及发光效率都有影响，防止LED温度过高对LED寿命及延长光衰有利。,LED电源设计要点,符合安规及电磁兼容的要求 安规就是安全规范，目前是指电子产品在设计中必须保持和遵守的规范。安规的特点是：安规强调对使用和维护人员的保护，是我们使用电子产品方便同时，不让电子产品给我们带来危险，同时允许设备部分或全部功能丧失。安规是使用安全规范来考虑电子产品，使产品更加安全。电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）是在电学中研究意外电磁能量的产生、传播和接收，以及

11、这种能量所引起的有害影响。电磁兼容的目标是在相同环境下，涉及电磁现象的不同设备都能够正常运转，而且不对此环境中的任何设备产生难以忍受的电磁干扰之能力。,LED驱动电源基础知识,主要内容概括:1:LED驱动电源的重要性 2:LED驱动的技术方案 3:LED与LED驱动电源的匹配 4:LED驱动电源使用中应注意的问题,1:LED驱动电源的重要性,接触过LED的人都知道：由于LED正向伏安特性非常陡 图1.1（正向动态电阻非常小），要给LED正常供电就比较困难。不能像普通白炽灯一样，直接用电压源供电，否则电压波动稍增，电流就会增大到将LED烧毁的程度。为了稳定LED的工作电流，保证LED能正常可靠地

12、工作，具有”镇流功能”的各种各样的LED驱动电路就应运而生。最简单的是串联一只镇流电阻，而比较复杂的是用许多电子元件构成的“恒流驱动器”。,图1,图1.1,2:LED驱动的技术方案,一 镇流电阻方案此方案的原理电路图见图1。这是一种极其简单，自LED面世以来至今还一直在用的经典电路。LED工作电流I按下式计算：（1）I与镇流电阻R成反比；当电源电压U上升时，R能限制I的过量增长，使I不超出LED的允许范围。此电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用于小功率LED范围。一般资料提供的镇流电阻R的计算公式是：(2),按此公式计算出的R值仅满足了一个条

13、件：工作电流I。而对驱动电路另两个重要的性能指标：电流稳定度和用电效率，则全然没有顾及。因此用它设计出的电路，性能没有保证。,二 镇流电容方案,电路的工作是基于在交流电路中，电容存在容抗XC也有”镇流作用”的原理。另外电容消耗无功功率，不发热；而电阻则消耗有功功率，会转化为热能耗散掉，所以镇流电容比镇流电阻，能节省一部分电能，并能设计成将LED灯直接接到市电220V上，使用更为方便。此方案的优点是简单，成本低，供电方便；缺点是电流稳定度不高，效率也不高。仅适用于小功率LED范围。当LED的数量较多，串联后LED支路电压较高的场合更为适用。,三 线性恒流驱动电路,上面已经提到电阻、电容镇流电路的

14、缺点是电流稳定度低（I/I达2050），用电效率也低（约5070），仅适用于小功率LED灯。为满足中、大功率LED灯的供电需要，利用电子技术常见的电流负反馈原理，设计出恒流驱动电路。和直流恒压电源一样，按其调整管是工作在线性，还是开关状态，恒流驱动电路也分成两类：线性恒流驱动电路和开关恒流驱动电路。图4是最简单的两端线性恒流驱动电路。它借用三端集成稳压器LM337组成恒流电路，外围仅用两个元件：电流取样电阻R和抗干扰消振电容C。,四 开关电源驱动电路,上述线性恒流驱动电路虽具有电路简单、元件少、成本低、恒流精度高、工作可靠等优点，但使用中也发现几点不足：a、调整管工作在线性状态，工作时功耗高发

15、热大（特别是工作压差过大时），不仅要求较大尺寸的散热器，而且降低了用电效率。b、电源电压要求按公式（13）与LED工作电压严格匹配，不允许大范围改变。也就是说它对电源电压及LED负载变化的适应性差。c、它仅能工作在降压状态，不能工作在升压状态。即电源电压必须高于LED工作电压。d、供电不太方便，一般要配开关稳压电源，不能直接用220V供电。,输入整流:将正负变化的交流电变成单向变化的直流电滤波:将变化的电压波形平滑成波动较小的直流电压波形变压器:储存能量,产生需要的输出电压.原、副边隔离。输出稳压:稳定输出电压取样反馈:将输出电压的变化反映到控制电路,以便采取相应的措施保证输出电压在规定的范围

16、内PWM+开关:控制电路,根据反馈回来的信号控制变压器储存能量的多少,从而保证输出的稳定,（1）恒压式：a、当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化；b、恒压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。c、以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均；d、亮度会受整流而来的电压变化影响。,采用开关电源驱动的优点:效率高，一般可以做到80%90%，输出电压、电流稳定。输出纹波小。且这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。LED驱动电源主要有恒压式和恒流式,1）恒流式：a、恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却

17、随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高；b、恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。c、恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。d、应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量；开关恒流驱动电路 恒流源和恒压源不同之处就是恒流的那部分电路。恒流部分：它主要由T1、R8、R9、R5组成。三级管的导通电压0.7V是已知量。R8阻值也是已知量，当电路开始工作后，只要R8和流过R8的电流乘积大于0.7V，三极管开始工作,电路就进入恒流工作。,LED与LED驱动电源的匹配,我们已经很清楚的知道LED驱动电源只有两种

18、方式：恒流式：电流不变电压在一定范围内变化(随负载变化)恒压式：电压不变电流在一定范围内变化(随负载变化)而LED灯配合的方式有三种：串联式，并联式，串并混联式。,串联式：要求LED驱动器输出较高的电压。当LED的一致性差别较大时，分配在不同的LED两端电压不同，通过每颗LED的电流相同，LED的亮度一致。当某一颗LED品质不良短路时，如果采用稳压式驱动，由于驱动器输出电压不变，那么分配在剩余的LED两端电压将升高，驱动器输 出电流将增大，导致容易损坏余下所有LED。如采用恒流式LED驱动，当某一颗LED品质不良短路时，由于驱动器输出电流保持不变，不影响余下所有LED 正常工作。当某一颗LED

19、品质不良断开后，串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是在每个LED两端并联一个齐纳管，当然齐纳管的导通电压需要比LED的导通电压高，否则LED就不亮了。,并联式：要求LED驱动器输出较大的电流，负载电压较低。分配在所有LED两端电压相同，当LED的一致性差别较大时，而通过每颗LED的电流不一致，LED的亮度也不同。可挑选一致性较好的LED，适合用于电源电压较低的产品 当某一个颗LED品质不良断开时，如果采用恒压式LED驱动，驱动器输出电流将减小，而不影响余下所有LED正常工作。如果是采用 恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED电流将增大，导致容易损坏所有LED。解决

20、办法是尽量多并联LED，当断开某一颗LED 时，分配在余下LED电流不大，不至于影响余下LED正常工作。所以功率型LED做并联负载时，不宜选用恒流式驱动器。当某一颗LED品质不良短路时，那么所有的LED将不亮，但如果并联LED数量较多，通过短路的LED电流较大，足以将短路的LED烧成断路。,串并混联方式,在需要使用比较多LED的产品中，如果将所有LED串联，将需要LED驱动器输出较高的电压。如果将所有LED并联，则需要LED驱动器输出较大的电流。将所有LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED负载电流较大，驱动器的成本也会大增。解决办法是采用混联方式。串并联的LED数量平均分配

21、，分配在一串LED上的电压相同，通过同一串每颗LED上的电流也基本相同，LED亮度一致。同时通过每串LED的电流也相近。当某一串联LED上有一颗品质不良短路时，不管采用恒压式驱动还是恒流式驱动，这串LED相当于少了一颗LED，通过这串LED的电流将大增，很容易就会 损坏这串LED。大电流通过损坏的这串LED后，由于通过的电流较大，多表现为断路。断开一串LED后，如果采用恒压式驱动，驱动器输出电流将减小，而不 影响余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED电流将增大，导致容易损坏所有LED。解决办法是尽量多并联LED，当断开某一颗LED时，分

22、配在余下LED电流不大，不至于影响余下LED正常工作。,混联方式还有另一种接法，即是将LED平均分配后，分组并联，再将每组串联一起。当有一颗LED品质不良短路时，不管采用恒压式驱动还是恒流式驱动，并联在这一路的LED将全部不亮，如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，除了并联在短路LED的这一并联支路外，其余的LED正常工作。假设并联的LED数量较多，驱动器的驱动电流较大，通过这颗短路的LED电流将增大，大电流通过这颗短路的LED后，很容易就变成断路。由于并联的LED较多，断开一颗LED的这一并联支路，平均分配电流不大，依然可以正常工作，哪么 整个LED灯，仅有一颗LED不亮。

23、如果采用恒压式驱动，LED品质不良短路瞬间，负载相当少并联一路LED，加在其余LED上的电压增高，驱动器输出电流将大增，极有可能立刻损坏所有 LED，幸运的话，只将这颗短路的LED烧成断路，驱动器输出电流将恢复正常，由于并联的LED较多，断开一颗LED的这一并联支路，平均分配电流不大，依然可以正常工作，哪么整个LED灯，也仅有一颗LED不亮,通过对以上分析可知，驱动器与负载LED串并联方式搭配选择是非常重要的，恒流式驱动功率型LED是不适合采用并联负载的，同样的，恒压式LED驱动器不适合选用串联负载。,LED驱动电源恒压源系列产品,工程中的简易计算方法,例：SLT5-12VC 额定输出功率为5

24、W电源，输出电压12V，白光LED额定正向电压3.3V，耗散功率为65mW，可配置多少个LED？（1）计算每条支路的LED个数：3.3V 3=9.9V65mW 3.3V=20mA（12V-9.9V）20mA=105（2）计算并联支路数：5W（65mW 3+20mA 20mA 105）=21（3）总共可以接多少个LED：21 3=63个（串并混联）,例：SLT10-350IF一个额定输出电流为DC 0.35A，额定功率为10W电源，耗散功率为65mW，正向电为0.02A的白光LED，可怎样配置？,（1）计算每条支路的LED个数：10W 0.35A=28.6V 65mW 0.02A=3.25V 2

25、8.6V 3.25V=8（2）计算并联支路数：0.35A 0.02=18（3）总共可以接多少个LED：8 18=144个（串并混联）,4:LED驱动电源使用中应注意的问题A.LED降额使用。B.使用线性恒流驱动器，特别注意其工作压差。C.隔离式开关恒流驱动器次级输出电源不宜悬空，负极应接 地。D.对开关恒流驱动器，要严格遵守：先接好LED灯，再接通驱动器电源的操作顺序。如果相反操作，在接通LED灯瞬间，将会有极大的冲击电流通LED灯，威胁LED灯的使用安全。现以图10电路为例，对此冲击电流值作一下计算，并对其产生原因作一次分析。,我们公司针对瞬间电流冲击问题研究了新型的解决方案，在输出端加入限

26、流电路，主要有两种实现方案。a、串联连接方式，将多余部分的能量消耗在限流电路内部。通过将多余的能量堵在负载之前，保证在连接开关闭合的瞬间流过LED灯负载上的电流在LED灯所允许的电流范围之内。b、并联连接方式，同样也是将多余部分的能量消耗在限流电路内部。通过将多余的能量引到限流电路上，保证流过LED灯上的电流在LED灯的安全电流范围之内,a、串联连接电路,串联限流电路:配置在高频滤波电容(C3)和恒流回路之间，在一个横向分支上包含一个NPN型晶体管(Q1)的集电极发射极通道和与这个集电极发射极通道串联的限流电阻(R1)。集电结偏置电阻(R5)连接到NPN型晶体管(Q1)的集电极与基极之间。NP

27、N型晶体管(Q2)的基极连接到NPN型晶体管(Q1)的发射极上，NPN型晶体管(Q2)的集电极与NPN型晶体管(Q1)的基极相连，NPN型晶体管(Q2)的发射极连接到限流电阻(R1)的一端。同时该限流电路可以串接在恒流电阻(R2)和限压回路之间，还可以串接在限压回路和连接开关(S1)之间，也可以串接在负载和输出极地电位之间。当输出电流低于预先设定的限流值时，限流电阻上的压降低于0.7V，NPN型晶体管（Q2）处于截止状态，NPN型晶体管（Q1）处于饱和导通状态。电路正常工作，仅仅只在限流电阻(R1)和NPN型晶体管（Q1）上增加了少量损耗。当输出的电流大于预先设定的限流值时，便会在限流电阻上产

28、生高于0.7V的压降，此时NPN型晶体管（Q2）饱和导通，NPN型晶体管（Q1）发射极集电极通道的等效阻值增大，起到限制输出电流的作用，近而有效的保护了负载上短暂的过流现象。,b、并联连接电路,并联限流电路:配置在输出限压回路和负载之间，在一个纵向分支上并联上一个NPN型晶体管（Q3）的集电极发射极通道，NPN型晶体管（Q3）的基极连接到负载负电位上，限流电阻（R2）连接到NPN型晶体管（Q3）的发射极和基极之间。NPN型晶体管(Q3)的集电极发射极通道可以电容后的任意一个纵向分支上。当输出电流值小于预先设定的阈值电流时，限流电阻（R2）两端的压降小于0.7V，NPN型晶体管(Q3)处于截止状态，电路正常工作；当输出电流值大于预先设定的阈值电流时，限流电阻两端的压降大于0.7V，NPN型晶体管(Q3)集电极发射极通道变为低阻值，使得大部分的电流流过NPN型晶体管(Q3)的集电极发射极通道上，且以热能的形式消耗在NPN型晶体管(Q3)的集电结上，从而有效地保护了负载上短暂的过流现象。,