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1、第三篇大功率LED照明设备的驱动电路设计及器件封装,天津轻工职业技术学院,光伏发电技术及应用专业，电子信息与自动化学院,LED制造技术与应用,沈 洁,大功率LED照明设备的驱动电路设计及器件封装,3.1 LED器件的驱动,LED驱动器是指驱动LED发光或LED模块组件正常工作的电源调整电子器件。由于LED驱动器在LED应用产品上的独到重要性和广泛的用户需求，使得作为LED驱动器的心脏部件的LED驱动IC成了整个技术环节中的关键元素。促使很多生产商，其中不乏上市公司，以LED驱动作为其主营产品，向下游产业大量供应LED驱动IC。,一、LED驱动器的概述,1对输出功率和效率的要求，这涉及到LED正
2、向电压范围、电流及LED排列方式等。 2 对供电电源的要求。可分为三种方式：AC-DC电源、DC-DC电源和直接采用AC电源驱动。 3 对功能的要求，其中包括对调光的要求、对调光方式（模拟、数字或多级）的要求、对照明控制的要求等。 4 其他方面的要求：尺寸的大小，是否适合现代社会的发展方向，集成化小型化，外围元件少而小，使其占印刷电路板面积小，以便小尺寸封装；成本的控制、故障处理（保护特性）及是否有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或短路保护；要遵从的标准及可靠性等。,3.1 LED器件的驱动,二、LED驱动器的要求,从LED器件的发光机理可以知道，当向LED器件施加正向
3、电压时，流过器件的正向电流使其发光。因此LED的驱动就是如何使它的州结处于正偏置，而是为了控制（调节）它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方法可以分为直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等。,3.1 LED器件的驱动,三、LED驱动的分类,1直流驱动 直流驱动是最简单的驱动方法，由电阻及与发光二极管MD串联后直接连接到电源比上。连接时令LED的阴极接电源的负极方向，阳极接正极方向。只要保证LED处于正偏置，发光；极管与电阻的位置是可以互换的。直流驱动时，LED的工作点由电源电压Vcc、串联电阻及和LED器件的伏安特性共同决定。对应于工作点的电压电流分别为Vf和If改变Vcc的
4、值或R的值，可以调节JJ的值，从而调节LED的发先强度。,3.1 LED器件的驱动,1直流驱动,图3.1.1 LED的直流驱动,3.1 LED器件的驱动,1直流驱动,图3.1.2 LED器件的并联与串联驱动,(a) LED并联驱动,(b) LED串联驱动,3.1 LED器件的驱动,1直流驱动,在串联情况下，有,其中，n为串联的LED器件数量。在并联情况下，有,在并联连接时，应该注意各个LED器件需要有自己的串联（限流）电阻，而不要共用一个串联电阻因为共用同一电阻使得各个LED器件的正向电压相同，而器件的分散性将造成在相同的正向电压下其正向电流并不相同，导致各器件的发光强度不同。,3.1 LED
5、器件的驱动,2恒流驱动,由于LED器件的正向特性比较陡，加上器件的分散性，使得在同样电源电压和同样的限流电阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，引起发光强度的差异。如果能够对LED正向电流直接进行恒流驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近（同样存在着发光强度与正向电流之间各个器件的分散性，但是这种分散性没有伏安特性那么陡，所以影响也就小很多了）。我们知道，晶体管的输出特性具有恒流性质，所以可以用品体管驱动LED。,3.1 LED器件的驱动,2恒流驱动,图3.1.3 使用晶体管恒流驱动LED器件,3.1 LED器件的驱动,2恒流驱动,可以将晶体管与比D器件串联在一起，这时LED的正向电流就等于
6、晶体管的集电极电流，如图3.1.3所示。如果直接使用品体管基极电流控制其集电极电流的话，由于晶体管放大倍数的分散性，同样的基极电流，会产生不同的集电极电流。因此应该采用基极电压控制方式，即在发射极中串联电阻Re，这时有,式中，Vb为外加基极电压，Vbe为基极发射极电压。由于晶体管Vbe的分散性比放大倍数点的分散性要小，所以各LED器件的正向电流在其Vb与Re相同的情况下，基本上是可以保证是一致的。此外电压控制方式比电流控制方式更方便。,3.1 LED器件的驱动,3脉冲驱动,利用人眼的视觉惰性、采用向LED器件重复通断供电的方法点亮LED，就是通常所说的脉冲驱动方式。采用脉冲驱动方式时应该注意两
7、个问题：脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度的话，脉冲驱动电流的平均值Ia就应该与直流驱动的电流值相同。如图3.1.4所示，平均电流Ia是瞬时电流i的时间积分对于矩形波来说，有,3.1 LED器件的驱动,3脉冲驱动,图3.1.4 LED的脉冲驱动,3.1 LED器件的驱动,3脉冲驱动,其中tonT就是占空比的一种描述，严格意义上的占空比应该是tontoff，但因toffT-ton，所以tonT也就间接表示了tontoff。为了使脉冲驱动方式下的平均电流Ia与直流驱动电流Io相同，就需要使它的脉冲电流幅值满足,可见脉冲驱动时、脉冲电流的幅值应该比直流驱动
8、电流大tontoff倍。所幸的是脉冲驱动下的最大允许电流幅值比直流驱动的电流最大允许值高得多。,3.1 LED器件的驱动,4扫描驱动,扫描驱动通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。,图3.1.5 扫描驱动电路,3.1 LED器件的驱动,4扫描驱动,上图所示为用于对n个LED器件进行扫描驱动的电路。假定切换电路在切换过程中没有时间延迟，且每个LED的导通时间ton是相等的。则占空比ton/T=1/n。此时的驱动电流幅值IF应该等于相当直流驱动电流Io的n倍，才能达到与相当直流驱动一样的效果。 当然If之值必须小于该器件的最大允许脉冲幅值电流。这样，n的值就不可能取得太
9、大，否则不是显示亮度不够，就是电流超过极限位。一般n最大取为16，这时的显示亮度大约是直流驱动下能够显示的最大亮度的l4。这个亮度对于室内应用，一般是能够满足要求的，但对于室外应用就不行了。室外应用时，n可选择为4。,3.1 LED器件的驱动,3.2 大功率LED特性,在实际应用大功率 LED 灯时，首先应当了解其关键参数和重要特性，比较常关注的参数如下： 1最大功耗Pm：是指允许加在 LED 两端正向电压与正向电流之积的最大值。如果超过此值，LED 将发热烧毁。 2正向最大电流IFm：指允许正向加在 LED 两端的最大直流电流。 3正向额定电流IF：指 LED 额定功率工作时的电流，一般情况
10、下IF0.6IFm。指示灯 LED 一般IF10mA，大功率 LED 一般IF350mA。 4正向压降VF ：LED 额定电流工作时的压降，一般在IF350mA 测得。 5反向最大耐压VRm ：指允许反向加在 LED 两端的最大电压。若超过该值，发光二极管可能被击穿损坏。 6工作环境温度范围topm ：LED 可正常工作的环境温度范围。若不在此温度范围内工作，LED 的发光效率会大大降低。 除此之外，还有结温、发光强度、光谱宽度、焊接时间等参数。,一、基本参数,二、基本特性,1电学特性具有离散性 现在市场上的主流大功率 LED 产品中，有白光、红光和蓝光三种 LED，由于其制作工艺和原理的不同
11、，三种光色的大功率 LED 额定工作时正向压降都不一样，其中白光 LED 的正向压降VF比一般的有色 LED 都要高，大约在 3V4V 之间，而红光 LED 的正向压降一般只要 1V2V 左右。另外，即使同为白光 LED，由于元件不可能一模一样，不相同的 LED 在相同正向电压下，流过它们的电流也具有很大的离散性。图 3.2.1 所示曲线是从两个不同的白光 LED 生产厂家的产品中各取三个样品进行测试所得的 I-V 特性曲线，从图中可以看出，这样的六颗不同 LED在一相同电压的驱动下，正向电流差异可从 10mA 到 43mA（3.4V 电压下）不同。,3.2 大功率LED特性,1电学特性具有离
12、散性,图3.2.1 不同白光 LED 的正向 I-V 曲线,3.2 大功率LED特性,二、基本特性,2发光特性 LED 的发光亮度体现在其输出光通量的大小，因此控制 LED 的输出光通量，就可以控制其发光亮度。图 3.2.2 所示曲线为美国 Lumileds Lighting 公司 1 瓦大功率LED 在 25时输出光通量 与其正向工作电流IF的关系曲线。从图中可知，LED的输出光通量与其正向工作电流大小近似成正比关系，因此通过控制 LED 的正向电流IF可控制其输出光通量，也就是控制其发光亮度。,3.2 大功率LED特性,二、基本特性,2发光特性,图 3.2.2 LED 输出光通量与其正向电
13、流IF的关系曲线,3.2 大功率LED特性,二、基本特性,3.3 基本LED驱动电路,一、电阻限流电路,电阻限流驱动电路的思想来源于LED的伏安特性，选择LED合适的工作电流，然后根据 LED 的 V-I 特性曲线计算出该电流值下的正向导通压降，最后用输入电压减去 LED 工作压降的差值除以工作电流，即可得到所需限流电阻值的大小。电路连接如图 3.3.1 所示，改变限流电阻值的大小即可改变工作电流，从而改变 LED的发光强度。,图 3.3.1 电阻限流电路,电阻限流驱动方式的主要特点是电路比较简单，正是这个原因，因此这种驱动方式存在不少的缺点：首先，若输入电压出现微小的波动，就会直接导致驱动电
14、流的波动，从而影响光通量输出、发光亮度的变化；其次，串接的限流电阻上会消耗大量的功率，特别是在大功率 LED 驱动时，表现尤为突出，这样整个系统效率将是一个严重的问题；最后，倘若用调节 R 值大小的方式对 LED 进行亮度调节时，R 值的变化导致流过 LED 的电流发生了变化，这样会使 LED 发出的白光颜色发生偏移，所以这种驱动方式多用在指示灯等简单应用场合。,3.3 基本LED驱动电路,一、电阻限流电路,二、线性调节器,线性调节器是在电阻限流驱动电路基础上发展而来的，其主要思想是采用工作在线性区的功率管作为一个能动态调整的电阻，然后引入负反馈来控制该动态电阻的阻值，从而控制输出电流，实现对
15、 LED 的恒流驱动。线性调节器又可以分为并联型线性调节器和串联型线性调节器。,3.3 基本LED驱动电路,三、开关调节器,开关调节方式即开关电源是能量转换方式中效率最高的一种，特别适用于大功率 LED 的照明驱动。最主要、最常用的开关调节器是 Buck、Boost 型开关调节器，与传统的电压反馈型 Buck、Boost 变换器不同的是：作为大功率 LED 驱动电路应用的开关调节器，其反馈信号是流过 LED 灯中的电流信号，而不像电压型调节器中的反馈信号是输出电压信号，这样的好处是可直接控制输出电流，从而控制对 LED 灯的恒流驱动。,3.3 基本LED驱动电路,1Buck 型开关调节器,图
16、3.3.3 电压型 Buck 变换器和 Buck 型大功率 LED 驱动器电路图,3.3 基本LED驱动电路,三、开关调节器,1Buck 型开关调节器,图（a）所示电路结构为传统的电压反馈型 Buck 开关调节器，利用此基本结构，通过更改反馈类型即可得到电流反馈型的 Buck 大功率 LED 驱动变换器。 图（b）所示，把主功率管开关放在电感后面，其源极通过电流采样电阻 Rs连接到地，这样也可实现低端功率管驱动，实际应用中可以省去电平移位电路，更有利于功率管 Q 的开关。LED 负载直接与储能电感串联，二极管 D 为续流二极管。电流型 Buck 开关调节器用于大功率 LED 驱动时，无需滤波电容，所以其结构变得比电压型 Buck 调节器还简单。 Buck 型大功率 LED 驱动器通过采样电阻 Rs 引入电流负反馈直接控制电流，所以才能用于对 LED 的驱动；电压型 Buck 变换器的反馈量是电压，不能实现电流控制，故不能用于 LED 驱动，这两种模式的被控制量不同。,3.3
