LED驅(qū)動電源PPT課件

1、LED驅(qū)動電源技術(shù),主講人：袁臣虎 2012年8月31日,主要內(nèi)容,1.LED電氣特性 2.LED驅(qū)動電源 3.線性電源與開關(guān)電源 4.開關(guān)電源電路拓?fù)?5.典型LED開關(guān)驅(qū)動電源,1.LED電氣特性,1）.LED的PN結(jié),LED的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與二極管一樣，由PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?，?dāng)PN結(jié)兩側(cè)的電勢差達(dá)到PN結(jié)的是勢壘電壓時，PN就會導(dǎo)電。但構(gòu)成普通二極管硅材料并不適合用作LED材料，因?yàn)楣璨牧闲纬傻腜N結(jié)能量勢壘太低（約0.7V,單向?qū)щ?普通二極管,發(fā)光二極管,紅光LED GaAsP 磷砷化鎵,用作指示燈,1.LED電氣特性,1.LED電氣特性,黃光LED,綠光LED,2）.LED的發(fā)光

2、特點(diǎn),LED的發(fā)光光譜很窄，僅20nm寬，顏色很純,LED的發(fā)光亮度和波長受電流影響，電流加倍可以使亮度加倍，可用PWM（脈寬調(diào)制,1.LED電氣特性,3）.LED的等效電路,LED可以看成是恒壓負(fù)載。它的壓降取決于內(nèi)部光子發(fā)射 所需躍過的能量勢壘。但半導(dǎo)體并非完美的導(dǎo)體，其中存在 與恒壓負(fù)載串聯(lián)的等效電阻(ESR,LED,LED等效電路,ESR,ESR大小可以用正導(dǎo)通壓降的增加值除以流經(jīng)電流的 增加值來求取,1.LED電氣特性,ESR與LED的電流等級大致成反比。 低功率20mA電流等級 ESR約為20。 1W 350mA電流等級 ESR約為12,LED驅(qū)動電源的早期測試階段，考慮到成本，可

3、用穩(wěn)壓 二極管串聯(lián)ESR來代替,如 5W/3.9V的穩(wěn)壓二極管可用來代替白光LED作為負(fù)載,1.LED電氣特性,4）.LED導(dǎo)通壓降,顏色與LED導(dǎo)通壓降的關(guān)系,紅色 Vf=2V,藍(lán)色 Vf=3.5V,電流與LED導(dǎo)通壓降的關(guān)系,LED導(dǎo)通壓降隨著導(dǎo)通電流的增大而增大，但不能無限增大,LED導(dǎo)通壓降不具有一致性,LED導(dǎo)通壓降的偏差很大,如 單顆1W 的Luxeon Star型白光的正向?qū)▔航档湫椭禐?Vf,typ=3.42V,但實(shí)際值中最小的僅2.79V,最大的達(dá)3.99V。正向 導(dǎo)通壓降的偏差值高達(dá)15%以上,1.LED電氣特性,2.LED驅(qū)動電源,1）.電壓源驅(qū)動,電壓源特性,a.理想

4、電壓源特性,輸出電壓恒定，輸出電流由 外電路負(fù)載決定，輸出功率 可以無窮大。但不允許短路， 違背了基爾霍夫電壓定律（KVL,b.實(shí)際電壓源特性,輸出電壓在一定輸出電流范圍內(nèi)恒定，輸出電流由外電路負(fù)載決定，輸出功率由輸出電壓和輸出電流乘積決定。不允許短路，否則會燒壞！但是一般電壓源均有限流和短路保護(hù)電路,2.LED驅(qū)動電源,LED電壓源驅(qū)動,用恒壓電源來驅(qū)動恒壓負(fù)載是非常困難的。因?yàn)殡娫摧敵鲭妷汉拓?fù)載電壓的差為ESR的壓降，而ESR的值通常很小，所以ESR上的壓降也很小。電源輸出電壓和負(fù)載電壓的輕微變化就會導(dǎo)致ESR電流變化很大,2.LED驅(qū)動電源,a. 電壓源無源電流控制,2.LED驅(qū)動電源,

5、電壓源無源電流控制常規(guī)方法是LED串中串聯(lián)一個限流電阻，使其輸出電流限制在一定范圍內(nèi)，使其穩(wěn)定發(fā)光,在考慮環(huán)境溫度和器件電壓變化量的情況下，電阻上的實(shí)際電壓降應(yīng)該保證電流保持在設(shè)定范圍內(nèi)。但是效率低，熱損耗大，同時也要求電壓源穩(wěn)定,a. 電壓源無源電流控制,例.5V/1A電壓源驅(qū)動一個350mA 的LED, 其Vf=3.5V, ESR=2,0.5W1W功率電阻,2.LED驅(qū)動電源,b. 電壓源有源電流控制,2.LED驅(qū)動電源,耗盡型MOSFET的特性,VTH=-2.5V,2.LED驅(qū)動電源,耗盡型MOSFET的限流電路,電阻上的電壓隨著流過電流增加而增加，所以MOSFET源極比柵極電壓高。換句

6、話說，相對于MOSFET的源極，柵極電壓越來越負(fù)，當(dāng)電壓低到MOSFET的關(guān)斷電壓，MOSFET關(guān)斷，可調(diào)節(jié)電流,缺點(diǎn)： 柵極閾值電壓（Vth）范圍寬，限流電阻不好選擇,優(yōu)點(diǎn)：漏極到源極之間擊穿電壓高，可防止瞬時的短路,2.LED驅(qū)動電源,用線性調(diào)壓電路構(gòu)成限流電路,2.LED驅(qū)動電源,2）.電流源驅(qū)動,a.理想電流源特性,輸出電流恒定，輸出電壓由 外電路負(fù)載決定，輸出功率 可以無窮大。但不允許開路， 違背了基爾霍夫電流定律（KCL,2.LED驅(qū)動電源,b.實(shí)際電流源特性,輸出電流在一定輸出電壓范圍內(nèi)恒定，輸出電壓由外電路負(fù)載決定，輸出功率由輸出電壓和輸出電流乘積決定。不允許開路，否則會燒壞！

7、但是一般電流源均有限壓和開路保護(hù)電路,2.LED驅(qū)動電源,LED電流源驅(qū)動,用恒流電源來驅(qū)動LED是相對于電壓源容易的。但是單獨(dú)電流源不能限制電壓。如果電流源產(chǎn)生的電流比LED所需的電流大，則需要均流電路,電流鏡,2.LED驅(qū)動電源,2.LED驅(qū)動電源,當(dāng)大量LED模塊可以并聯(lián)時，具有調(diào)壓功能的LED驅(qū)動器是較好的選擇，各個模塊用各自的線性電流調(diào)節(jié)器,當(dāng)大量LED串聯(lián)連接時，調(diào)節(jié)電流功能的LED驅(qū)動器是較好的選擇。串聯(lián)連接保證流過所有的LED電流相等，并且各個LED發(fā)光亮度也基本相同,考慮到效率，當(dāng)驅(qū)動大功率LED時，具有恒流輸出的開關(guān)驅(qū)動器較受青睞。效率可以達(dá)到75%90%。如果使用了恒壓源

8、，還需要在LED上串聯(lián)線性大電流電路，這樣會導(dǎo)致電路效率降低。并增加電路的散熱問題,3.線性電源與開關(guān)電源,1）.線性電源,優(yōu)點(diǎn)：無任何EMI輻射，輸出電壓紋波小，成本低,缺點(diǎn)：體積大，重量大，效率低,線性電源基本原理,3.線性電源與開關(guān)電源,電源性能指標(biāo)參數(shù),a) 穩(wěn)壓系數(shù),定義為負(fù)載一定時，穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與其輸入 電壓相對變化量之比,Sr表明電網(wǎng)電壓波動的影響，其值愈小，電網(wǎng)電壓變化時 輸出電壓的變化愈小,3.線性電源與開關(guān)電源,c) 電流調(diào)整率（負(fù)載調(diào)整率,b) 電壓調(diào)整率,在額定負(fù)載且輸入電壓產(chǎn)生最大變化的條件下，輸出電壓產(chǎn)生的變化量Uo，稱為電壓調(diào)整率,在輸入電壓一定且負(fù)

9、載電流產(chǎn)生最大變化的條件下，輸出電壓產(chǎn)生的變化量Uo，稱為電流調(diào)整率，也稱為負(fù)載調(diào)整率,d) 電源效率,3.線性電源與開關(guān)電源,穩(wěn)壓電路及其工作原理,T 為調(diào)整管,DZ 為穩(wěn)壓管,A 為線性放大器,串聯(lián)穩(wěn)壓電路,3.線性電源與開關(guān)電源,3.線性電源與開關(guān)電源,T 為大功率調(diào)整管，工作于線性放大狀態(tài)，輸入電壓和輸出電壓相差越大功耗越大，效率很低。調(diào)整管極限參數(shù)的確定必須考慮輸入電壓由于電網(wǎng)波動而產(chǎn)生的變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負(fù)載電流的變化所產(chǎn)生的影響,線性電壓調(diào)節(jié)器,LM317調(diào)壓器,IADJ很小可以忽略不記,3.線性電源與開關(guān)電源,LM317調(diào)壓器的派生器件包括正電壓輸出模塊(LM78XX)

10、和負(fù)電壓輸出模塊(LM79XX,要求輸入電壓和輸出電壓之間由電壓差，且輸出電流需要的電壓差越大，其典型值為1-3V,線性LED驅(qū)動電路一個缺點(diǎn)是效率低，效率規(guī)定為LED電壓與輸出電壓的比，如果輸入電壓高于LED電壓，則其效率就低，引起發(fā)熱，加散熱片，體積和成本增加,注：當(dāng)輸入電壓僅比LED電壓高一點(diǎn)時，線性電源效率也可以很高，甚至比開關(guān)電壓調(diào)節(jié)效率高,3.線性電源與開關(guān)電源,LM317調(diào)壓器構(gòu)成的恒流電路,3.線性電源與開關(guān)電源,運(yùn)算放大器構(gòu)成的恒流電路,線性電源局限性在于，LED電壓必須低于電源電壓，因?yàn)榫€性電源不能提高其輸出電壓高于輸入電壓,3.線性電源與開關(guān)電源,2）.開關(guān)電源,優(yōu)點(diǎn)：效

11、率高、體積小、重量輕,缺點(diǎn)：EMI、成本高,AC,DC,AC,DC,3.線性電源與開關(guān)電源,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?1）.開關(guān)電源電路分析方法,各功率開關(guān)管（三極管或二極管）換流時刻作為各開關(guān)模態(tài)的轉(zhuǎn)換時刻,假設(shè)條件充分合理,a. 開關(guān)管均為理想開關(guān)，導(dǎo)通壓降為零，關(guān)斷電阻為無窮大,b. 大電容等效為恒壓源，大電感等效為恒流源,2）.開關(guān)電源基本電路拓?fù)?a.降壓型BUCK變換器,Q、D為理想開關(guān)管,C充分大，輸出電壓基本不變,假設(shè)條件,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?開關(guān)模態(tài)1,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?開關(guān)模態(tài)2,根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得,D=Ton/T 占空比,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?電壓控制型BUCK

12、變換器,電壓控制PWM波形,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?電流控制型BUCK變換器,電流控制PWM波形,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?b.升壓型BOOST變換器,Q、D為理想開關(guān)管,C充分大，輸出電壓基本不變,假設(shè)條件,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?開關(guān)模態(tài)1,開關(guān)模態(tài)2,根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?c.推挽型DC/DC變換器,推挽型DC/DC變換器,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?模態(tài)1,模態(tài)2,模態(tài)3,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?驅(qū)動脈沖,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?d.半橋型DC/DC變換器,半橋型DC/DC變換器,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?模態(tài)1,模態(tài)2,模態(tài)3,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?驅(qū)動脈沖,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?e.全橋型DC/DC變換器,全橋型DC/DC變換器,4.開關(guān)電源電路拓?fù)?模態(tài)1,模