發光二極體 (hb- led) 在每封裝流明輸出和光效 (efficacy ,單位為流明 / 瓦或 lm/w) 方面的效能快速提公升。商用的 1 w led 已提供有冷色溫 led( 色溫 5000k) 的每封裝流明輸出超過 100 流明,光效達 100 lm/w ,而相同功率等級的暖色溫白光 led( 色溫 3000 至 3500k) 也超過了 70 到 80 流明。與兩年前相比,這些效能等級提高了 30-40% 。
有了這樣的效能, led 如今正逐步發展成為眾多高效能應用中傳統白熾燈、鹵素燈和螢光燈的切實可行的替代光源。因此,固態照明 (ssl) 相當多地滲入到了汽車、商業和景觀照明,以及城市街道照明之中。 led 還能用於新應用,如基於實際太陽能板的遠端照明,因為這很容易藉可充電電池產生 led 所要求的直流驅動電流。
此外,恰當設計的話, led 燈具的工作壽命可達 3 萬至 5 萬小時,因而顯著降低替代燈泡方面常見的維護成本。
然而,就控制及驅動這些 led 而言,在使用的方面存在不少矛盾之處。例如,許多照明系統設計所使用或修改的已有電源方案並沒有充分顧及 hb-led 的獨特驅動要求。如果設計人員要優化 led 照明所能提供的優勢,必須仔細考慮驅動及控制這些器件所使用的技術,從而提供高能效及高價效比的方案。
hb-led 照明系統的主要元件包括 led 發射器、電源轉換、控制及驅動、熱管理,以及眾多應用中會涉及到的光學元件。如果不充分考慮所有這些元件,相應的 led 照明系統就不太可能得到優化。 led 與大多數燈泡不一樣,是帶有指向性的光源,故在諸多應用中,使用鏡頭、反射鏡或擴散板來提供所需的發光圖案以及燈具的照明外觀至關重要。
同樣,如果不恰當處理熱管理問題,照明系統的工作壽命也會大幅縮短,從而沖抵使用長壽命 led 的主要優勢。電源和驅動方面對照明系統的長期工作同等重要。 hb-led 照明設計中的供電電壓源取決於所投入應用的型別。
就建築物及室內照明而言,電壓源通常是交流主電源。戶外照明可能採用寬泛穩壓的電源,如低壓交流電源、帶備用電池的太陽能板或交流主電源。在汽車應用中,電源通常是鉛酸電池 (12 vdc ) 。
如果沒有某種形式的電源轉換,應當避免使用電壓源來驅動 led 發射器,這是由於正常的電壓波動會造成 led 電流大幅變化,因為 led 的電壓 / 電流 (v/i) 曲線非常陡峭;在不同驅動電流、溫度和生產 ( 不同批次 ) 差異條件下, led 正向電壓變化範圍較寬。此外,出於安全因素,大多數交流主電源應用都有基於電子開關電源或磁變壓器的隔離電源轉換,將高線路電壓轉換為適合驅動 led 的安全低電壓。
led 驅動電路的其中一項主要功能是在多種工作條件下穩流,而不論輸入條件如何及正向電壓如何變化。驅動電路必須符合能效、電容容限、外形因數、成本及安全性方面的應用要求。與此同時,所選的方法必須易用及足夠強固,從而適應特定應用的極端環境。
有幾種不同的穩流方法。
採用固定電壓電源供電的電阻是最簡單、最低成本的穩流方法。實際上,它們並不穩流,只是在 led 正向電壓變化及源電壓變化並導致電流變化從而引起亮度變異時,簡單地限制最大電流。對於低電流指示器應用而言,這可能可以接受,但隨著電流增大及串聯的 led 數量增加,就變得有問題了。
要克服這個問題,需要費錢又費時地對 led 進行編碼及選擇恰當的電阻來匹配 led 串正向電壓。即使採取這些步驟,仍然會有由輸入電壓變化導致的亮度變化問題。
另一種穩流方法選擇是恆流線性穩壓器 (ccr) 。它們易於設計,能夠提供有效的穩流及更多的特性,如高溫時電流反走及調光控制。 ccr 可以涵蓋簡單的雙端穩壓器到靈活的可調節電流設定點線性穩壓器積體電路。
ccr 的主要侷限是輸入電壓源必須永遠高於輸出正向電壓以恰當工作,而且它們可能能效較低,熱耗散較高。後一點 ( 即熱耗散 ) 是 led 驅動電流、輸入電源變化及正向電壓變化的直接函式。
因此,在設計及選擇過程中,封裝及總體散熱能力是關鍵考慮因素。通常線性驅動器能並行配置以擴散熱耗散,或者必須裝配在有散熱能力的封裝內。安森美半導體的 nsi45030 是一款 ccr 示例,這器件穩流電平為 30 ma ,是將 cat4201 採用緊湊型雙端 sod123 封裝而成的器件; cat4201 能支援高達 1 a 電流,具有調光控制介面,採用 d2pak 封裝,能夠耗散大量功率。
圖 1 ：並行配置 30ma nsi45030 恆流穩壓器以提高電流能力示例
出於能效因素及靈活性,開關穩壓器被廣泛使用。這種方法成本較高,技術也較複雜,但能提供顯著優勢,如支援任何型別的輸入電壓與輸出電壓關係,且根據輸入 / 輸出條件,能性能夠高於 90% 。與線性穩壓器不同,它們對電磁干擾 (emi) 很敏感,給設計人員帶來另一項需要注意的設計約束。
對於中到大功率應用或涉及寬輸入電壓範圍的應用而言,開關穩壓器是唯一可行的選擇;且許多應用中優化了開關穩壓器型 led 驅動器,從而應用 led 調光控制。
由於 led 發射的光與通過 led 的平均電流成正比, ccr 同樣也提供調節光輸出的能力。通過模擬或數字脈寬調變 (pwm) 技術提供調光。模擬方法注入模擬訊號至反饋電壓,從而使平均輸出電流減小。
數字方法使用輸入 pwm 訊號來抑制穩壓器的開關,並降低平均輸出電流。典型調光頻率介於 200 hz 與 1,000 hz 之間,因為人眼不能察覺頻率高於 100 hz 時的細微變化。
三種基本的驅動器 / 穩壓器拓撲結構分別是降壓、公升壓、降壓 - 公升壓 ( 又稱為單端初級電感轉換,簡稱 sepic) 。在降壓電路中,最低輸入電壓 (vin) 在所有工作條件下永遠高於 led 串的最大電壓,而在最大輸入電壓始終低於 led 串最小電壓時使用公升壓電路。由於恆流驅動器的公升壓拓撲結構屬性,它要求額外的電路,用於 led 開路及輸出短路保護。
圖 1 顯示了典型的 led 降壓配置。注意跟傳統降壓架構不同,這配置中開關接地參考, led 串是浮接 (floating) 的。這拓撲結構基於專利的臨界導電模式 ( crm ) 降壓架構,即使沒有直接傳感到流過 led 串的電流,也會對 led 平均電流進行穩流。
圖 2 ： cat4201 高整合度 350 ma led 降壓驅動器,可以驅動多達 7 顆 led
sepic 技術用於輸入電壓與輸出電壓交疊的應用。耦合電感領域的進步使這些方案更易於應用,且與降壓或公升壓拓撲結構相比,不會滋生尺寸方面的不利影響。實際上,理解透徹的話,與更常用的拓撲結構相比, sepic 可以提供眾多優勢,提供更高的能效等級、更小的外形因數及更低的成本。
輸入和輸出電壓交疊時,除了 sepic ,也可使用一種非隔離型降壓 - 公升壓拓撲結構,但在這種情況下, led 不再連線至地及直接感測 led 平均電流。下圖是這種拓撲結構的乙個示例,在這種結構中, led 負載可以是 3 顆或 4 顆串聯的 1 w led 。輸入電壓是 12 vac ,這種電壓常用於 mr16 及低壓景觀照明等軌道燈。
針對給定應用去評估最恰當的 led 驅動器方案時,有多種拓撲結構可供選擇,但也須考慮不同的取捨。雖然大多數應用採用可以產生 12 v 、 24 v 或 36 v 電壓的離線 ac-dc 電源供電,但採用太陽能供電 / 電池組、汽車或低壓交流等寬泛穩壓電源供電的應用也非常多。這些寬泛穩壓的電源帶來更多設計挑戰,在輸入電壓範圍與輸出電壓範圍交疊時要求更多的拓撲結構選擇。
理想情況下,如果設計人員能夠靈活地選擇 led 配置,最好選擇輸入電壓始終高於最壞情況正向電壓的配置,從而簡化設計要求。由於高亮度 led 技術持續演進及改良, led 照明轉向實用的應用數量應該會大幅增加,而且由於它們的低壓特性,將湧現不需要離線交流電源的新應用。
非隔離式公升壓拓撲的LED驅動器電路
非同步 公升壓 電源轉換拓撲經常用於led驅動器等應用中。在這些應用中，輸入電壓 vin 不足以正向偏置一組串聯 併聯led燈串。這個電感開關拓撲生成了實現led電流調節所必要的依從電壓，並且通常用於lcd背光應用中。例如在遠離駕駛員的汽車內部和外部照明等led矩陣應用中，一旦發生輸出對地短路的危險...
LED驅動拓撲結構彙總
目錄前言2分析boost和buck boost等拓撲結構的led驅動2 需要恆定電流2 boost調節器3 buck boost調節器4 其它拓撲5 led照明的電源拓撲結構6 恆流驅動led7 拓撲選擇7 降壓和公升壓型電路拓撲8 反激式轉換器10 調光技術11 小結11 前言 市面上的led驅動...
LED驅動器工作原理
3 vo 和vo 是直流輸出端，輸出需要的直流電壓，直接驅動負載。4 q1是大功率mosfet，中文名稱是場效電晶體 舉例說明，當需要的功率不一樣時，可以使用相應功率的mosfet。5 vr 和vr 是外部電流調節可變電阻介面。6 pwm是外部電流可變脈寬介面，通過調節輸入的脈寬變化調節輸出電流的大...