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1、LED电源设计Content LED应用简介 LED电源设计方法恒流供电设计原理分析分比式架构分析典型电路分析设计实例 LEDLED应用简介应用简介VI 芯片元件芯片元件高效率 LED的应用LED 的技术走向 更高效更高效 Cree, APEC 2007光源效率趋势实验室最佳量产最佳光度 (流明/瓦)LED 的优势的优势 相比于现有照明技术，例如灯泡，光管，高强度放电 (HID) 等等，LED 有以下优势:省电省电 细小细小高可靠性、耐用高可靠性、耐用 (50,000(50,000小时，一般灯泡只有约小时，一般灯泡只有约1,0001,000小时小时) )适合恶劣环境应用适合恶劣环境应用快速起动
2、，可高速调节光暗快速起动，可高速调节光暗颜色纯度高颜色纯度高不含有害物质不含有害物质LEDLED电源设计方法介绍电源设计方法介绍VI 芯片元件芯片元件LED 普及要解决的问题 LED全面应用于所有照明方案，还需要解决以下问题:成本 用RGB组成白光时，温度和老化而形成的色彩偏差电源驱动设计方案本课程内容LED 的工作原理 正向偏压使电流通过而发光 LED 的主要电气参数为VF 及 IF不同材料 (颜色)构成的LED有不同VF值光度则与IF成正比，但各型号均有最大值其他参数为亮度、波长、发光角度、效率及功耗等LED本身为发光二极管，有P-N结的电气特性LED伏安特性pLED伏安特性是非线性的，很
3、小的电压变化就会引起很大的电流变化。p可可以以看看出出，电电源源电电压压的的10%10%的的变变化化（3.4V-3.1V3.4V-3.1V），就就会会引引起正向电流的起正向电流的3.53.5倍的变化（从倍的变化（从350mA350mA变到变到100mA100mA）。 p电源电压在3.3V时正向电流为20mA的LED，如果用3节干电池供电，新的电池电压超过1.5V，3节就是4.5V，LED的电流就会超过100mA，很快就会烧坏。LED伏安特性的温度特性伏安特性-负温度系数 p温度系数通常是-2mV/。即随温度的升高，其伏安特性左移。p大功率LED芯片，由于功率大，散热不容易，温升问题严重。p假定
4、采用3.3V恒压源常温下工作在20mA，而温度升高到85时，电流就会增加到3537mA，但其亮度并不增加。电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。LED电源驱动方案（1）恒压供电 :电源的输出电压需高于LED的总压降，并能提供足够的电流(功率) 优点是简单，设计容易由于LED的 IF 对 VF 的变化极敏感，必须要以电阻设定工作电流但电阻将限制LED串列的数量，及做成不必要功耗LED电源驱动方案（2）恒流电源 :最理想的驱动方式，恒定电流亦使光度稳定没有串联电阻引致的功耗成本相对较高，需建另外设计恒流控制电路电源的恒流输出电压需高于LED 的总压降恒压源加电阻负载线，斜率 =
5、1/R恒流源负载线，斜率 = 1/R = 思考用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流？用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流？ 几个几个LEDLED并联，能不能用恒压电源？并联，能不能用恒压电源？ 多个多个LEDLED并联后，采用恒压电源供电，能不能用不同的并联后，采用恒压电源供电，能不能用不同的串联电阻来使电流平衡？串联电阻来使电流平衡？ N N个个LEDLED串联后，假如用恒压电源供电，其温度效应（由串联后，假如用恒压电源供电，其温度效应（由温升而引起的电流增加）将会扩大温升而引起的电流增加）将会扩大N N倍，倍， 这是因为所有这是因为所有LEDLED串联以后相当于各个串联以后相当于各
6、个LEDLED的伏安特性沿电压轴串联的伏安特性沿电压轴串联 综综上上所所述述，给给LEDLED供供电电，要要采采用用恒恒流流电电源源供供电电，电电流流恒恒定定以以后后，不不管管温温度度怎怎么么变变化化，伏伏安安特特性性如如何何左左移移，电电流流都不变！结温也就不会恶性循环了！都不变！结温也就不会恶性循环了！ 恒流供电设计原理分析恒流供电设计原理分析VI 芯片元件芯片元件恒流供电LED电源设计应考虑的问题 高可靠性高可靠性 高效率高效率高功率因素高功率因素浪涌保护浪涌保护 保护功能保护功能 （在恒流输出增加温度负反馈）（在恒流输出增加温度负反馈）防护方面防护方面 (物理部分）物理部分）驱动电源的
7、寿命要与驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配的寿命相适配 EMI/EMC 目前LED均采用恒流供电，因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源。它的功能是把交流市电转换成合适LED的直流电。根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求，在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点： LED电源驱动方案除传统DC-DC砖式及配置式电产品外，现有的趋势是利用新型集成电路芯片设计高效及高功率密度的LED电源方案。 传统 DC-DC砖式转换器架构Regulation = 稳压稳压稳稳定定这这两两点点的的输输出出电压电压Transformation = 转换转换 把电压从一形式转为把电压从一
8、形式转为另一形式另一形式(在这里，是在这里，是把把DC转变为转变为AC)Isolation = 电气隔离电气隔离IsolationTransformationRegulationDC-DC方块图现在主流的电源设计架构 RegulationLPRMVTMIsolation & TransformationNPNSK = NS/NPPRM = 预稳压模块预稳压模块只负责稳压工作只负责稳压工作(Regulation)VTM =电压转换模块只负责转换及隔离(Isolation & Transformation) Regulation = 稳定这两点的输出电压 Transformation = 转换 即
9、把一电压转为另一电压(简单的说，可视为升压或降压，但实际上还把DC转变为AC及后又还原为DC) Isolation =电气隔离 相应的LED电源设计方案 把传统的DC-DC功能分为2个部分，从而对每一功能作出优化，达至以下的优点:分开功率转换级别:稳压及电压转变降低系统分布损耗减少DC-DC转换路径上重复的功能降低负载点功耗而增加系统效率 并非折衷的改良而是全新的功率分布调配 灵活的部件适合DC-DC转换的细小高效能组件 提供重要优势 高功率密度 (体积及重量)效率高设计上灵活速度(快速响应) 66分比式架构分析分比式架构分析VI 芯片元件芯片元件预稳压模块 (PRM)零电压开关升 / 降压拓
10、朴及控制技术高频开关 (1 MHz) 采用零电压开关采用零电压开关升升 / / 降压拓朴降压拓朴初级升 / 降压控制预稳压模块 (PRM)-典型参数（Vicor）特点 功率达 320W面积只有 7.1cm2 或 1.1in2功率密度 60W/cm3 (1,100W/in3)效率达 97% (于300W 负载时 )输入: 24V (18-36V): 30V (18-60V): 48V (38-55V 或 36-75V)输出:稳压 (26-55V) VTM电压转换模块 (VTM)专利正弦振幅转换器 (SAC)零电流、零电压， 1 MHz 开关頻率拓朴拓朴P = 功率变压器D = 驱动变压器电压转换
11、模块 (VTM)隔离 有如直流变压器具电流倍增及电压降幅能力V048 系列输入:26 55 Vdc (源自PRM 的分比母线 )输出:0.8 55 Vdc输出电流:3 100 A穩压:1% (与PRM一起应用自适环模式)效率:达 96%特特点点 PRM 及 VTM 型号输入电压输入电压最高输出最高输出PRM 型号型号微調微調 / VF 範圍範圍功率功率电流电流36 75 Vdc240 W5.0 AP048F048T24AL26 55 V120 W2.5 AP048F048T12AL38 55 Vdc320 W6.6 AP045F048T32AL170 W3.5 AP045F048T17AL18
12、 36 Vdc120 W2.5 AP024F048T12AL18 60 Vdc120 W2.5 AP036F048T12ALPRMPRMVTMVTM从输入规格选择 PRM 型号从输入规格选择 VTM 型号输入电压输入电压K因素因素输出电压输出电压输出功率输出功率VTM 型号型号48 Vin范围范围 Vdc26 - 55 Vdc1/321.5 Vdc0.81 1.72100 AV048F015T1001/242.0 Vdc1.09 2.29 80 AV048F020T0801/163.0 Vdc1.63 3.4470 AV048F030T0701/124.0 Vdc2.17 4.5850 AV0
13、48F040T0501/86.0 Vdc3.25 6.8840 AV048F060T0401/68.0 Vdc4.33 9.1730 AV048F080T0301/59.6 Vdc6.40(a) 11.0025 AV048F096T0251/412.0 Vdc6.50 13.7525 AV048F120T0251/316.0 Vdc8.67 18.3015 AV048F160T0151/224.0 Vdc14.0(b) 26.50(c)12 AV048F240T0122/332.0 Vdc17.33 36.679 AV048F320T009148.0 Vdc26.00 55.00 c6 AV0
14、48F480T006DC-DC 转换 稳压= PRM (预稳压) + VTM (变压隔离)48VIN (或 24VIN)至 0.8 - 55VOUT负载源分比式功率架构的优势使用2片VI芯片从48V直接到负载而达100A PRM可远程置放 使母板负载处省却大量空间 负载处功耗较小 把负载点电容器移到VTM的输入 减低电容量 1/k2 倍 额外空间及成本减省 负载源负载源负载 源 1,000F这里 1F 那里 以 K=1/32 計提供提供灵活灵活配置配置效率高达效率高达97%PRM 97%+VTM 96%+ (5VOUT)VTM 90%+ (1.1VOUT)效率高效率高 = 所需气流或散热片体所
15、需气流或散热片体积较细小积较细小高效率高效率PRM: 高带宽控制回路VTM: 低阻抗、1MHz 负载点电流倍大 PRM+VTM 输入48V, 输出1.2V, 0-100A, 800A/s 负载步跳, 220F 输出电容下冲小于 30mV 速度速度VTM 低输出纹波 1.5V VTM 输出纹波输出纹波 100A负载负载, , 没有输出电容没有输出电容CH1: Vout 50mV/div Timebase: 500nsV: 100mV1/t: 2.9MHz 1.5V VTM 输出纹波输出纹波100A 负载负载, 带带100F陶瓷电容陶瓷电容V: 14mVCH1: Vout 20mV/div Tim
16、ebase: 500nsPRM + VTM 低输出纹波 满载，标称输入电压及带 80 F 输出电容更多的组合NPNSBCMPRMLNPNSVTM完整的 DC-DC 方案PRMLNPNSVTM负载源采用采用采用采用 PRM PRM PRM PRM 及及及及 VTMVTMVTMVTMPRM分分比母比母线线 Vf宽输入母线宽输入母线 负载PRM 调控分比母线电压 (VF) 达至 VTM 输出稳压VTM 转换电压及隔离负载 效果: 高效能分布，稳压，转换及隔离PRM 及 VTM反馈方式本地本地环环3-5%输入负载分比母綫 本地环本地环 自自适环适环1-2%输入负载分比母綫自适环自适环VTM遥感环遥感环0.2%输入负载分比母綫分比母綫遥感环遥感环PRM + 2x VTM = 200A (只需3片 VI 芯片)PRMLNPNSVTM负载源NPNSVTMVTM 并联极为简单, 无需变更自适环元件的数值可用 2 片 VTM 便达至 200A 输出(低压 )PRML负载源可达至 1kW 或以上可参考并联 PRM 的应用笔记 PRM / VTM 并联阵列PRMLNPNSVTMNPNSVTMPRMLNPNS
