LED驱动电源基础知识

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LED驱动电源基础知识
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  LED驱动电源基础知识 研发部:邱建文 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、电容镇流电路的缺点是电流稳定度低(△ I/I 达 ±20~50%),用电效率也低(约50~70%),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。 AC in V EMC filter V 整流器 (Rectifier V 滤波 电路 隔离变 压器 (Transf 整流器 (Rectifier) 滤波 电路 DC out ormer) T T T 脉宽调制器 (PWM) 切换开关 (MOS) 回授 (Feedback) 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 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。 ( 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,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。 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。 工程中的简易计算方法 例:SLT5-12VC 额定输出功率为5W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 =9.9V 65mW ÷3.3V =20mA (12V - 9.9V)÷ 20mA = 105Ω (2)计算并联支路数 :5W ÷ (65mW × 3 + 20mA × 20mA × 105Ω ) = 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 28.6V ÷ 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 D3 Q1 R5 R1 Q2 R2 R6 S1 C3 R7 load N2A R8 R9 C7 N3 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。NPN 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。 D3 R1 R6 Q3 C3 R7 load S1 R2 N2A R8 R9 C7 N3 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。 谢谢大家!

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