求LED驅動闡述？？

【專家解說】：

LED的恒流驅動

由于LED是特性敏感的半導體器件，又具有負溫度特性，因而在應用過程中需要對其進行穩(wěn)定工作狀態(tài)和保護，從而產生了驅動的概念。LED器件對驅動電源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。LED是2～3伏的低電壓驅動，必須要設計復雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源適配器。國際市場上國外客戶對LED驅動電源的效率轉換、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容的要求都非常高，設計一款好的電源必須要綜合考慮這些因數(shù)，因為電源在整個燈具中的作用就好比像人的心臟一樣重要。 　 用LED作為顯示器或其他照明設備或背光源時，需要對其進行恒流驅動，主要原因是： 1. 避免驅動電流超出最大額定值，影響其可靠性。 2. 獲得預期的亮度要求，并保證各個LED亮度、色度的一致性。 驅動特點 根據電網的用電規(guī)則和LED驅動電源的特性要求，在選擇和設計LED驅動電源時要考慮到以下幾點： 1．高可靠性 特別像LED路燈的驅動電源，裝在高空，維修不方便，維修的花費也大。 2．高效率 LED是節(jié)能產品，驅動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內的結構，尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。 3．高功率因素 功率因素是電網對負載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網的影響不大，但晚上大家點燈，同類負載太集中，會對電網產生較嚴重的污染。對于30瓦~40瓦的LED驅動電源，據說不久的將來，也許會對功率因素方面有一定的指標要求。 4．驅動方式 現(xiàn)在通行的有兩種：其一是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路LED供電。這種方式，組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個LED故障，不影響其他LED運行的問題。這兩種形式，在一段時間內并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向。 5．浪涌保護 LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網負載的啟甩和雷擊的感應，從電網系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。 6．保護功能 電源除了常規(guī)的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。 7．防護方面 燈具外安裝型，電源結構要防水、防潮，外殼要耐曬。 8．驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配。 9．要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。 隨著LED的應用日益廣泛，LED驅動電源的性能將越來越適合LED的要求。 驅動原理 正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關系曲線，由曲線可知，當正向電壓超過某個閾值(約2V)，即通常所說的導通電壓之后，可近似認為，IF與VF成正比。見表是當前主要超高亮LED的電氣特性。由表可知，當前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為2～4V。 由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，光通量(φV)與IF的關系曲線，因此，采用恒流源驅動可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的，IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅動。 LED的溫度與光通量(φV)關系曲線，由下圖可知光通量與溫度成反比，85℃時的光通量是25℃時的一半，而一40℃時光輸出是25℃時的1．8倍。溫度的變化對LFD的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。 驅動電路 由于受到LED功率水平的限制，通常需同時驅動多個LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的驅動電路來點亮LED。下面簡要目前主流的幾種LED驅動方式： 1. 阻容降壓：利用電容在交流下的阻抗來限制輸入電流，從而獲得直流電平給LED供電。這種驅動方式結構簡單，成本低廉，但是輸入非隔離方案，有安全隱患。而且轉換效率很低，無法做到恒流控制。 2. 隔離反激電路：利用反激電路，通過變壓器在副邊產生直流電平，再通過光耦將此電平的紋波反饋回原邊，從而自激穩(wěn)定。此類電路符合安規(guī)認定要求，而且輸出恒流精度較好，轉換效率較高。但由于需要光耦和副邊恒流控制電路，導致系統(tǒng)復雜，體積大，成本高。目前已逐漸為原邊方案取代。 3. 原邊方案：原邊方案就是通過完全在交流原邊控制輸出的電源和電流，最精確可以做到5%的恒流精度，副邊僅需簡單的輸出電路即可。原邊主要依靠輔助邊的反饋來控制輸出電壓，依靠限流電阻對原邊電流的控制，同時乘以匝比來控制輸出電流的精度。原邊方案繼承了隔離反激電路的種種優(yōu)點，同時架構簡單，可以做到小體積和低成本，目前已成為主流驅動。 原邊的恒流精度問題：由于變壓的生產精度難以控制，導致原邊方案在使用低質量變壓器時，輸出電流漂移較大。所以，原邊方案通過改進增加了副邊恒流控制電路，這樣雖然比普通的原邊方案復雜了，但是對比反激方案，仍然可以省去光耦等，系統(tǒng)性價比最高。 設計思想 LED在可攜式產品中背光源的地位已經不可動搖，即便是在大尺寸LCD的背光源當中，LED也開始挑戰(zhàn)CCFL（冷陰極螢光燈）的主流地位；而在照明領域，LED作為半導體照明最關鍵的部件，更是因為頂著節(jié)能、環(huán)保、長壽命、免維護等諸多光環(huán)而受到市場的追捧。驅動電路是LED（發(fā)光二極管）產品的重要組成部分，無論在照明、背光源還是顯示板領域，驅動電路技術架構的選擇都應與具體的應用相匹配。 LED的發(fā)光原理是在它兩端加上正向電壓，使半導體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復合，放出過剩能量，從而引起光子的發(fā)射。LED驅動電路的主要功能是將交流電壓轉換為恒流電源，同時按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配。LED驅動電路除了要滿足安全要求外，另外的基本功能應有兩個方面： 一是盡可能保持恒流特性，尤其在電源電壓發(fā)生±15%的變動時，仍應能保持輸出電流在±10%的范圍內變動。用LED作為顯示器或其他照明設備或背光源時，需要對其進行恒流驅動，主要原因是： 1、避免驅動電流超出最大額定值，影響其可靠性。 2、獲得預期的亮度要求，并保證各個LED亮度、色度的一致性。 二是驅動電路應保持較低的自身功耗，這樣才能使LED的系統(tǒng)效率保持在較高水準。 PWM（脈寬調制）技術是一種傳統(tǒng)的調光方式，它利用簡單的數(shù)位脈沖，反覆開關LED驅動器，系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數(shù)位式脈沖，即可簡單地實現(xiàn)改變輸出電流，從而調節(jié)LED的亮度。該技術的優(yōu)點在于能夠提供高品質的白光，以及應用簡單，效率高，但一個致命的缺點是容易產生電磁干擾，有時甚至會產生人耳能聽見的雜訊。 升壓是LED驅動電路的重要任務，而電感升壓和電荷泵升壓是兩種不同的拓撲模式。“由于LED是由電流驅動的，而電感在進行電流轉換時效率最高，因此電感升壓方式最大的優(yōu)點就是效率高，如果設計得當可以超過90%；不過它的缺點也同樣明顯，就是電磁干擾很強，對手機等通信產品的系統(tǒng)要求就非常高。隨著電荷泵的出現(xiàn)，目前大多數(shù)手機都不再采用電感升壓方式。當然，采用電荷泵的升壓方式其效率將低于電感升壓。 無論在照明應用還是背光應用領域，提高驅動電路的轉換效率都是產品設計者必須面對的問題。提高轉換效率，不僅有利于可攜式產品延長待機時間，同時也是解決LED散熱問題的重要手段。在照明領域，由于使用大功率LED，因此提高轉換效率就顯得尤為重要。 LED在工作時需要有穩(wěn)流、穩(wěn)壓的元件，但是此類元件應具備自身承擔的分壓高，但功耗要小的特性，否則將使具有較高效率的LED因為驅動電路的工作功耗太大而使總體系統(tǒng)的效率大為降低，有悖于節(jié)能高效的宗旨。所以應盡可能不采用電阻或串聯(lián)穩(wěn)壓電路來作為LED驅動器的限流主電路，而應該采用電容、電感或有源開關電路等高效電路，這樣才能保證LED系統(tǒng)的高效率。采用串聯(lián)式集成恒功率輸出電路，可以使LED的光輸出在很寬的電源范圍內保持恒定，但一般的IC電路會因此而使效率有所下降。采用有源開關電路可以保證在較高的轉換效率下實現(xiàn)電源電壓大幅度變化時恒功率輸出。 LED在目前階段，其光效還遠未達到可以取代三基色螢光燈的程度，但是以其獨特的長處，可以在安全特地電壓（游泳池、劃水池內水下燈具、礦燈）條件下高效工作。此外，在直接采用綠色電能（太陽能、風能等） ，以及應急照明方面也有著其獨特的優(yōu)勢。尤其在調光方面，LED不僅可實現(xiàn)0~100%的調光，并且可保證在整個調光過程保持較高光效，并且不損害LED的壽命，而氣體放電燈則很難做到這一點。 要求 LED驅動電路除了要滿足安全要求外,另外的基本功能應有兩個方面： 一是盡可能保持恒流特性,尤其在電源電壓發(fā)生±15%的變動時,仍應能保持輸出電流在±10%的范圍內變動.用LED作為顯示器或其他照明設備或背光源時,需要對其進行恒流驅動,主要原因是: 1、避免驅動電流超出最大額定值,影響其可靠性. 2、獲得預期的亮度要求,并保證各個LED亮度、色度的一致性。 二是驅動電路應保持較低的自身功耗,這樣才能使LED的系統(tǒng)效率保持在較高水準。 直流控制 LED是由電流驅動的器件，其亮度與正向電流呈比例關系。有兩種方法可以控制正向電流。 第一種方法是采用LED V-I曲線來確定產生預期正向電流所需要向LED施加的電壓。其實現(xiàn)方法一般采用一個電壓電源和一個鎮(zhèn)流電阻器。如下所述，此方法有 多項不足之處。LED正向電壓的任何變化都會導致LED電流的變化。如果額定正向電壓為3.6V，則圖1中LED的電流為20mA。如果電壓變?yōu)?4.0V，這是溫度或制造變化引起的特定壓變，那么正向電流則降低到14mA。正向電壓變化11%會導致更大的正向電流變化，達30%。另外，根據可用的 輸入電壓，鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會浪費功率和降低電池使用壽命。 第二種方法、也是首選的LED電流調整方法是利用恒流電源來驅動LED。[1] 高效率 便攜式應用中電池使用壽命是至關重要的。LED驅動器如果實用，就必須具備高效性。LED驅動器的效率測量與典型電源的效率測量不同。典型電源效率測量的 定義是輸出功率除以輸入功率。而對于LED驅動器來說，輸出功率并非相關參數(shù)。重要的是產生預期LED亮度所需要的輸入功率值。這可以簡單地通過使LED 功率除以輸入功率來確定。請注意：如果這樣定義效率的話，則電流檢測電阻器中的功耗會導致電源功率耗散。通過圖3所示的公式，我們可以看出較小的電流傳感 電壓會產生較高效率的LED驅動器。圖4說明了選用0.25V參考電壓的電源與選用1V參考電壓的電源相比，二者的效率提高情況。較低的電流傳感電壓電源 更為有效，無論輸入電壓或LED電流如何，只要其他條件相同，較低的參考電壓都可以提高效率并延長電池的使用壽命。