LED照明的直流驱动电路设计新方法(共14页).docx

《LED照明的直流驱动电路设计新方法(共14页).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED照明的直流驱动电路设计新方法(共14页).docx（10页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、，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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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IM

12、IN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

13、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

14、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VINIPEAK/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

15、.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TO

16、N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

17、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

18、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

19、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

20、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