LED照明的直流驱动电路设计新方法(共14页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上LED照明的直流驅動電路設計新方法LED應用於LCD背光源的設計已相當成熟，目前正逐步朝大尺寸的LCD背光應用發展，例如，中/小型的LCD設計幾乎都已經全面轉移改用LED提供背光設計，在家用、車用與一些取代傳統照明的應用場合，LED需要的是高效照明、高功率輸出的應用條件，驅動電路的開發也必須考量到，如何讓LED的發光效率表現更佳，甚至兼具更高的可靠性、更長的使用壽命。目前LED的相關應用，已經深入一般人的生活，以前大量用於低功率的指示型燈號應用，但現在的使用型態已經逐漸移轉至更高功率、更高發光效率的照明與背光應用方面，加上全球節能、減碳環保議題發燒，LED在取代日常照明的應用基礎，已開始略具全面汰換的基礎。LED朝大功率、高發光效率應用發展。    高功率LED需要考量更穩定的供電驅動。(kingbright)LED在提升發光效率的競爭方面，除了在晶片和封裝技術的改良外，很大一部分的成功要素，就是驅動電路的設計，只有可以提供穩定且高功率的電源供應，才能讓LED的發光光型、光通量達到取代日常應用的基本要求。再來觀察常見的LED背光設計，在產品構型的條件限制下，節省成本的開發方案中，通常將背光源採取側背光的設計方式，也就是將LED採條狀設於LCD的上/下或左/右兩側，此中設計限制，就讓LED的驅動電路必須受限於長條式的空間，為了增加組裝的彈性與便利性，這類光源模組大多設計成長條狀，為了降低接點數目，採兩端端點或單側端點的方式提供供應電源，LED串必須在產品內部採成串方式連接，再接續於一組電源來源上。而LCD的背光需求，LED數量將與LCD的面板尺寸成正比，一般10吋以下的面板多數使用2030個LED光源。但問題來了，以10吋的產品來說，LCD背光應用會極度要求光源的亮度勻稱程度，而不是讓亮度僅有LED條近電源接點的兩個端點才比較亮，這會造成終端產品的視覺瑕疵，影響甚鉅。此外，LCD產品還必須針對省電或呼應產品需求的可調光設計，讓背光亮度可以給用戶自行決定，此部份也必須透過電路設計，實踐可以調整的電源電路設計。升壓型電感驅動器一般來說，LED的偏壓設計、電流供應的不同組合，將決定LED驅動器（電路）的設計類型，而LED VF(正向電壓)會隨著外部條件而略有變化，例如電流、環境溫度、LED型號等，雖然我們都採一致性的偏壓進行LED驅動點亮，但實際的狀況是同樣的電路面對不同的元件，發光表現都會略有不同。關於VF參數，一般設計中會關注的焦點會是集中在低溫下的最大VF。在實際的設計案例中，通常技術開發人員必須針對設計，為LED背光電路選擇適用的LED驅動IC，會參考的重要電氣參數相當多，例如，開啟與關閉電流的最大值、在大輸出電壓、過電壓保護的數值，而搭配電源驅動IC使用的電容、電感等外部元件，對於電壓、電流的耐獸性也必須一併考量。若用實務的設計案例來觀察，10吋的LCD搭配2030個LED提供背光，LED串條狀背光模組可能會有78組，若LED的VF必須要有33.5V，每顆LED需20mA驅動，對於驅動電路需要的輸出總功率必須為至少達到LED總功耗的低標，必須透過一組AC電源提供5V電力，若採行電感型升壓LED驅動器就相當夠用了。另選擇適用電源轉換元件時，還必須考量電路最大輸出電壓運作穩定性的問題，讓LED在低負載與高負荷的狀況下都能穩定運行。降壓型開關電源也同等重要當電源的電壓，已經高於總LED的正向供應電壓，此時必須選擇搭配線性的電流來源，或直接透過交換式降壓穩壓器，來提供LED所需要的恆定電流數值。但問題來了，線性的電流來源有個使用限制，就是此種電路設計的功率損耗較高，相對的交換式電源的使用效率較高，也可避免溫度提升無法散去，減少轉換產生的熱源集中在電源IC單一零件上。當電源電壓高於總LED正向電壓時，可以選用一個線性電流源或者開關降壓穩壓器來為LED提供恆流。不過線性電流源有一個缺陷，即耗散在穩壓器中的功耗正比於電源到負載的電壓差。開關電源的效率較高，能夠避免任何較大的熱量耗散在IC上，且工作溫度接近或者略為高於環境溫度。一般而言，採線性電流穩壓器設計的IC，多數可提供技術特有的低雜訊設計，因為線性設計並不是透過交換式電源生產電力，多數適合應用於小電流的驅動應用，若相同的設計用來驅動LCD ，可能有點強人所難，若改透過電感型的配置，將有有效提稱單點光源的發光效率。作為鹵素燈低壓照明的一種替代技術，LED照明日益風行。與鹵素燈泡不同的是，LED沒有效率低、可靠性差以及使用壽命短問題的困擾。本文描述了一種在直流照明系統中驅動大功率LED的新方法，這種解決方案能提供95%的效率、更長的使用壽命，並能承受更高的電氣和機械衝擊。 圖1：使用降壓模式DC-DC轉換器的LED驅動。在圖1所示的電路中，ZXSC300系列DC-DC控制器驅動以降壓模式工作的外部開關。表1列出了12V電源系統的材料清單。透過增加R2的值可提供更高的系統電壓，例如，要得到24V的電壓僅需將R2值改為2.2k，同時電容C1也須有更高的額定電壓，電路基本工作原理如下： 當Q1導通時，電流流過LED、電容C2和電感。當R1兩端的壓降達到Isense引腳的閾值電壓時，Q1關斷並保持一個固定時間，電感中的能量流過D1和LED。經過這個固定時間後，Q1重新導通，如此循環往返。 電路工作原理分析 以下將對電路的工作原理進行更詳細地分析，以得到電路參數及與系統設計相關的計算。下面從開關Q1在一個固定時間TON內導通開始分析。ZXSC310將Q1導通直至它在Isense引腳上檢測到19mV電壓(標稱值)，於是達到此閾值電壓時Q1上的電流為19mV/R1，稱為IPEAK。 當Q1導通，電流從電源流出，流過C1和串聯LED。假設LED正向壓降為VF，則剩下的電源電壓將全部落在L1上，稱為VL1，並使L1上的電流以di/dt=VL1/L1的斜率上升。其中di/dt單位為安培/秒、VL1的單位為伏、L1的單位為亨。 Q1與R1上的壓降忽略不計，因為Q1的導通電阻RDS(ON)很小，且R1上的壓降總是小於19mV。19mV是Q1的關斷閾值電壓，依據Isense引腳的閾值電壓設置。 圖2：12V系統的典型性能曲線。VIN=VF+VL1 TON=IPEAKxL1/ VL1 由於將VIN減去LED正向壓降可得到L1兩端的電壓，故可算出TON。因此，如果L1較小，則對於同樣的峰值電流IPEAK及電源電壓VIN，TON亦較小。請注意，在電感電流上升到IPEAK的過程中，電流流過LED，因此LED上的平均電流等於TON上升期間及TOFF下降期間的電流之和。 現在看一下Q1關斷期間(TOFF)的情況。ZXSC300系列DC-DC控制器的TOFF在內部被固定為1.7us(標稱值)，需要注意的是，如果用該值來計算電流斜坡，則其範圍最小為1.2s，最大為3.2s。 為盡量減少傳導損耗及開關損耗，TON不能比TOFF小太多。過高的開關頻率會造成較高的dv/dt，因此建議ZXSC300和310的最高工作頻率為200kHz。假設固定TOFF為1.7s，則TON最小值為5s1.7s=3.3s。然而這不是一個絕對限制值，這些元件已可在2至3倍該頻率下工作，但轉換效率會降低。 在TOFF期間，儲存在電感中的能量將被轉移到LED，只在蕭特基二極管上有一些損耗。儲存在電感中的能量為： EQ1 系統能以連續或非連續模式工作，兩者之間的差別及對平均電流的影響將在後面解釋。 如果TOFF恰好是電流達到零所需的時間，則LED中的平均電流將為IPEAK/2。實際上，電流可能會在TOFF之前達到零，此時平均電流將小於IPEAK/2，因為在這個周期?埵酗段時間LED的電流為零，這稱為非連續工作模式。 如果經過1.7s後電流沒有達到零，而是下降到IMIN，則稱元件進入連續工作模式。LED電流將在IMIN與IPEAK之間上升和下降(di/dt斜率可能不同)，此時平均LED電流為IMIN與IPEAK的平均值。 圖3：24V系統的典型性能曲線。透過用實際值進行計算，上面的原理可運用於實際電路設計。例如，已知輸出電壓穩定的12V直流電源以及3個功率為1W的LED(需要340mA工作電流)，即可參考圖1所示的電路及表1列出的材料清單進行設計。該設計可工作在11V至18V電源電壓範圍內。 電源輸入電壓=VIN=12V，LED正向壓降=VF=9.6V，VIN =VF+VL1。因此，VL1=12V-9.6V=2.4V。 峰值電流=Vsense/R1=34mV/50m(=680mA，此處R1就是Rsense。 TON=IPEAKxL1/VL1 在上述等式中，近似認為在整個電流上升與下降期間LED正向壓降不變。事實上它會隨電流升高而增大，但這些公式使設計計算的結果在實際電路所用元件的容差範圍內。此外，VIN與VF之間的差值小於它們中的任何一個，所以6.2s的上升時間將基本上取決於這些電壓值。 值得注意的是，對於9.6V的LED正向壓降以及300mV的蕭特基二極管正向壓降來說，從680mA下降到零的時間為： 由於TOFF一般為1.7s，所以電流有足夠的時間降到零。然而，儘管1.5s已相當接近1.7s，因為元件的容差，線圈電流可能不能降到零。但這不是什麼大問題，因為殘餘電流會很小。需要注意的是，由於對峰值電流的測量及關斷，不可能產生在具有固定TON時間的轉換器中產生的危險的電感階躍(inductor staircasing)問題。由於電流可能永遠都不會超過IPEAK，所以即使電流從一個有限值開始成長(即連續模式)，也不會超過IPEAK，於是LED電流將近似等於680mA與0的平均值，即340mA。它並不是嚴格意義上的平均值，因為有200ns的時間內電流為零，但與IPEAK及元件容差相比這非常小。 圖2與圖3分別描述了12V與24V系統的性能。 電路設計計算 在TON期間(假設為非連續工作模式)，電源的輸入功率等於VIN×IPEAK/2，因而電源的平均輸入電流等於該電流乘以TON相對於整個周期時間的比值。 從上式可看出平均電源電流是如何在較低電壓下隨著TON相對於固定的1.7s的增加增大。這是符合功率原理的，因為當電源電壓較低時，固定(或近似固定)的LED功率需要更多電源電流才能獲得相同功率。 儲存在電感中的能量等於從電感轉移到LED的能量(假設為非連續工作模式)，為： EQ1 因此，當輸入電壓與輸出電壓的差別變得更大時，從電感轉移到LED的能量比LED直接從電源獲取的能量要更多些。如果能計算出使電流正好在1.7s時達到零的電感值L1及峰值電流IPEAK，則LED的功率將不會太依賴於電源電壓，因為此時LED中的平均電流總是近似為IPEAK/2。 表1：12V系統的材料清單。隨著電源電壓的增加，達到IPEAK所需的TON將減小，但LED的功率基本?琠w，且在TON期間只吸取從零至IPEAK的電源電流。電源電壓越高，TON佔整個周期的比例越小，所以較高電源電壓時的平均電源電流亦較小，這樣保持了功率(和效率)的?琠w。 蕭特基二極管正向壓降會使效率降低。例如，假設LED的VF為6V，蕭特基二極管的VF為0.3V，則從電感轉移過來的能量的效率損失為5%，即蕭特基二極管正向壓降與LED正向壓降之比。在TON期間，蕭特基二極管不在電流迴路中，故不會引入損耗，因此整個效率損失比取決於TON與TOFF之比。對於TON佔整個周期的大部份的低電源電壓來說，由蕭特基二極管導入的損耗並不大。當LED電壓較高(多個LED串聯)時，蕭特基二極管導入的損耗也不大，因為此時蕭特基二極管正向壓降在整個壓降所佔的比例將更小。 LED電路的保護白光LED屬於電壓敏感型的器件，在實際工作中是以20mA的電流為上限，但往往會由於在使用中的各種原因而造成電流增大，如果不採取保護措施，這種增大的電流超過一定的時間和幅度後LED就會損壞。造成LED損壞的原因主要有：供電電壓的突然升高。線路中某個元件或印製線條或其他導線的短路而形成LED供電通路的局部短路，使這個地方的電壓增高。某個LED因為自身的品質原因損壞因而形成短路，它原有的電壓降就轉嫁到其他LED上。燈具內的溫度過高，使LED的特性變壞。燈具內部進了水，水是導電的。在裝配的時候沒有做好防靜電的工作，使LED的內部已經被靜電所傷害。儘管施加的是正常電壓和電流值，也是極易造成LED的損壞。那麼，我該怎麼樣進行LED電路的保護呢？以下是一些心得分享：1.保護電路中採用保險絲(管)由於保險絲是一次性的，且反應速度慢，效果差、使用麻煩，所以保險絲不適宜用於LED燈成品中，因為LED燈現在主要是在城市的光彩工程和亮化工程。它要求LED保護電路要很苛刻：在超出正常使用電流時能立即啟動保護，讓LED的供電通路就被斷開，使LED和電源都能得到保護，在整個燈正常後又能夠自動恢復供電，不影響LED工作。電路不能太複雜體積不能太大，成本還要低。所以採用保險絲的方式實現起來很困難。 2.使用瞬態電壓抑制二極體（簡稱TVS）瞬態電壓抑制二極體是一種二極體形式的高效能保護器件。當它的兩極受到反向瞬態高能量衝擊時，能以10的負12次方秒極短時間的速度，使自己兩極間的高阻立即降低為低阻，吸收高達數千瓦的浪湧功率，把兩極間的電壓箝位元在一個預定的電壓值，有效的保護了電子線路中的精密元器件。瞬態電壓抑制二極體具有回應時間快、瞬態功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差一致性好、箝位元電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優點。但是在實際使用中發現要尋找滿足要求電壓值的TVS器件很不容易。LED光珠的損壞主要是因為電流過大使晶片內部過熱造成的。TVS只能探測過電壓不能探測過電流。要選擇合適的電壓保護點很難掌握，這種器件就無法生產也就很難在實際中使用。3.選擇自恢復保險絲自恢復保險絲又稱為高分子聚合物正溫度熱敏電阻PTC，是由聚合物與導電粒子等構成。在經過特殊加工後，導電粒子在聚合物中構成鏈狀導電通路。當正常工作電流通過（或元件處於正常環境溫度）時，PTC自恢復保險絲呈低阻狀態；當電路中有異常過電流通過（或環境溫度升高）時，大電流（或環境溫度升高）所產生的熱量使聚合物迅速膨脹，也就切斷了導電粒子所構成的導電通路，PTC自恢復保險絲呈高阻狀態；當電路中過電流（超溫狀態）消失後，聚合物冷卻，體積恢復正常，其中導電粒子又重新構成導電通路，PTC自恢復保險絲又呈初始的低阻狀態。在正常工作狀態自恢復保險管的發熱很小，在異常工作狀態它的發熱很高阻值就很大，也就限制了通過它的電流，從而起到了保護作用。在具體的電路中，可以選擇：分路保護。一般LED燈是分成很多串接支路。我們可以在每個支路的前面加一支PTC元件分別進行保護。這種方式的好處是精確性高，保護的可靠性好。總體保護。在所有光珠的前面加接一支PTC元件，對整燈進行保護。這種方式的好處是簡單，不占體積。對於民用產品來說，這種保護在實際使用中的結果還是令人滿意的。专心-专注-专业