《LED驱动电源》PPT课件.ppt

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1、LED驱动电源技术 主讲人：袁臣虎 2012年 8月 31日 天津工业大学电气工程与自动化学院 主要内容 1.LED电气特性 2.LED驱动电源 3.线性电源与开关电源 4.开关电源电路拓扑 5.典型 LED开关驱动电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 1.LED电气特性 1） .LED的 PN结 LED的内部结构与二极管一样，由 PN结构成，具有 单向 导电性 ，当 PN结两侧的电势差达到 PN结的是势垒电压时， PN就会导电。但构成普通二极管硅材料并不适合用作 LED 材料，因为硅材料形成的 PN结能量势垒太低（约 0.7V)。 P N P N 单向导电 普通二极管 发光二极管 天津工业

2、大学电气工程与自动化学院 红光 LED GaAsP 磷砷化镓 用作指示灯 1.LED电气特性 天津工业大学电气工程与自动化学院 1.LED电气特性 黄光 LED 绿光 LED 2） .LED的发光特点 .LED的发光光谱很窄，仅 20nm宽，颜色很纯。 .LED的发光亮度和波长受电流影响，电流加倍可以使亮度 加倍，可用 PWM（脉宽调制）。 天津工业大学电气工程与自动化学院 1.LED电气特性 3） .LED的等效电路 LED可以看成是恒压负载。它的压降取决于内部光子发射 所需跃过的能量势垒。但半导体并非完美的导体，其中存在 与恒压负载串联的等效电阻 (ESR)。 P N LED LED等效电

3、路 ESR ESR大小可以用正导通压降的增加值除以流经电流的 增加值来求取。 天津工业大学电气工程与自动化学院 1.LED电气特性 ESR与 LED的电流等级大致成反比。 低功率 20mA电流等级 ESR约为 20。 1W 350mA电流等级 ESR约为 12。 LED驱动电源的早期测试阶段，考虑到成本，可用稳压 二极管串联 ESR来代替。 如 5W/3.9V的 稳压二极管可用来代替白光 LED作为负载 天津工业大学电气工程与自动化学院 1.LED电气特性 4） .LED导通压降 颜色与 LED导通压降的关系 红 色 黄 色 绿 色 蓝 色 I f V f V f 1 红色 Vf=2V 蓝色

4、Vf=3.5V 天津工业大学电气工程与自动化学院 电流与 LED导通压降的关系 LED导通压降随着导通电流的增大而增大，但不能无限增大。 LED导通压降不具有一致性。 LED导通压降的偏差很大。 如 单颗 1W 的 Luxeon Star型白光的正向导通压降典型值为 Vf,typ=3.42V,但实际值中最小的仅 2.79V,最大的达 3.99V。正向 导通压降的偏差值高达 15%以上。 1.LED电气特性 天津工业大学电气工程与自动化学院 2.LED驱动电源 1） .电压源驱动 电压源特性 a.理想电压源特性 I V 输出电压恒定，输出电流由 外电路负载决定，输出功率 可以无穷大。 但不允许短

5、路， 违背了基尔霍夫电压定律（ KVL)。 天津工业大学电气工程与自动化学院 b.实际电压源特性 输出电压在一定输出电流范围内恒定，输出电流由外电路负载 决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。 不允许短路， 否则会烧坏！但是一般电压源均有限流和短路保护电路。 I V 稳 定 区 超 载 区 I h 2.LED驱动电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 LED电压源驱动 用恒压电源来驱动恒压负载是非常困难的。因为电源 输出电压和负载电压的差为 ESR的压降，而 ESR的值通 常很小，所以 ESR上的压降也很小。电源输出电压和负 载电压的轻微变化就会导致 ESR电流变化很大。 I f V f

6、 V f 1 斜 率 d V / d i = E S R _S O U R C E M I N F M A X M I N VVI E S R _S O U R C E M A X F M I N M A X VVI E S R 2.LED驱动电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 a. 电压源无源电流控制 2.LED驱动电源 I f V f V f 1 斜 率 d V / d i = E S R d V / d i = E S R + R E X T _S O U R CE M I N LO A D M A X M I N EXT VVI E S R R _S O U R C E M A X

7、 L O A D M I N M A X EXT VVI E S R R 天津工业大学电气工程与自动化学院 电压源无源电流控制常规方法是 LED串中串联一个 限流电阻，使其输出电流限制在一定范围内，使其稳定 发光。 在考虑环境温度和器件电压变化量的情况下，电阻 上的实际电压降应该保证电流保持在设定范围内。但是 效率低，热损耗大，同时也要求电压源稳定。 a. 电压源无源电流控制 例 .5V/1A电压源驱动一个 350mA 的 LED, 其 Vf=3.5V, ESR=2。 +5V R EXT 5 3.5 2 2.2 8 0.3 5EXTR 0.5W1W功率电阻 2.LED驱动电源 天津工业大学电气

8、工程与自动化学院 b. 电压源有源电流控制 V + V - 负 载 限 流 电 路 电 流 采 样 电 流 反 馈 2.LED驱动电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 V + I D S G V 0V V T H I d V g s 耗尽型 MOSFET的特性 VTH=-2.5V 2.LED驱动电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 V + I D S G 0 V R 耗尽型 MOSFET的限流电路 电阻上的电压随着流过电流 增加而增加，所以 MOSFET 源极比栅极电压高。换句话 说，相对于 MOSFET的源极， 栅极电压越来越负，当电压 低到 MOSFET的关断电压， MOSFET关断，

9、可调节电流。 缺点： 栅极阈值电压（ Vth）范围宽，限流电阻不好选择。 优点：漏极到源极之间击穿电压高，可防止瞬时的短路。 2.LED驱动电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 V + V - 负 载 L M 3 1 7 A D J O U T 负 载 I N L M 3 1 7 A D J O U T I N 用线性调压电路构成限流电路 2.LED驱动电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 2） .电流源驱动 a.理想电流源特性 V I 输出电流恒定，输出电压由 外电路负载决定，输出功率 可以无穷大。 但不允许开路， 违背了基尔霍夫电流定律（ KCL)。 2.LED驱动电源 天津工业大学电

10、气工程与自动化学院 b.实际电流源特性 输出电流在一定输出电压范围内恒定，输出电压由外电路负载 决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。 不允许开路， 否则会烧坏！但是一般电流源均有限压和开路保护电路。 V I 稳 定 区 超 载 区 V h 2.LED驱动电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 LED电流源驱动 用恒流电源来驱动 LED是相对于电压源容易的。但是 单独电流源不能限制电压。如果电流源产生的电流比 LED所需的电流大，则需要 均流电路 。 电流镜 V + V - Q 1 Q 2 Q n 2.LED驱动电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 2.LED驱动电源 当大量 LED模

11、块可以并联时，具有调压功能的 LED驱 动器是较好的选择，各个模块用各自的线性电流调节器。 当大量 LED串联连接时，调节电流功能的 LED驱动器 是较好的选择。串联连接保证流过所有的 LED电流相等， 并且各个 LED发光亮度也基本相同。 考虑到效率，当驱动大功率 LED时，具有恒流输出的 开关驱动器较受青睐。效率可以达到 75%90%。如果使 用了恒压源，还需要在 LED上串联线性大电流电路，这 样会导致电路效率降低。并增加电路的散热问题。 天津工业大学电气工程与自动化学院 3.线性电源与开关电源 1） .线性电源 优点：无任何 EMI辐射，输出电压纹波小，成本低。 缺点：体积大，重量大，

12、效率低。 工 频 变 压 器 市 电 整 流 器 稳 压 电 路 负 载 U 2 C u t/s u t/s u t/s u t/s .线性电源基本原理 天津工业大学电气工程与自动化学院 3.线性电源与开关电源 .电源性能指标参数 a) 稳压系数 /= / L L O O OI r I I O IR R U U UUS U U U U 常 数 常 数 定义为负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与其输入 电压相对变化量之比 Sr表明电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时 输出电压的变化愈小。 天津工业大学电气工程与自动化学院 3.线性电源与开关电源 c) 电流调整率（负载调整率） b)

13、电压调整率 在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输 出电压产生的变化量 Uo，称为电压调整率。 在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下， 输出电压产生的变化量 Uo，称为电流调整率，也称 为负载调整率。 d) 电源效率 = 100 %OO II UI UI 天津工业大学电气工程与自动化学院 3.线性电源与开关电源 .稳压电路及其工作原理 A - + R 1 R 2 R 3 R + - U C E U B U O + - + - U I T D Z T 为调整管 DZ 为稳压管 A 为线性放大器 串联稳压电路 O I C EU U U 天津工业大学电气工程与自动化学院 3.线性电源与

14、开关电源 A - + R 1 R 2 R 3 R + - U C E U B U O + - + - U I T D Z U N U Z O N B CE OU U U U U O N B CE OU U U U U 天津工业大学电气工程与自动化学院 3.线性电源与开关电源 A - + R 1 R 2 R 3 R + - U C E U B U O + - + - U I T D Z U N U Z 1 2 3 m in 23 OZ R R RUU RR + + 1 2 3 m a x 3 OZ R R RUU R + 天津工业大学电气工程与自动化学院 T 为大功率调整管，工作于线性 放大状态

15、 ，输入电 压和输出电压相差越大功耗越大，效率很低。调整管极 限参数的确定必须考虑输入电压由于电网波动而产生的 变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的 影响。 .线性电压调节器 R 2 U O + - + - U I A - + R 1 A D J I N O U T LM317调压器 2 2 1 1.25 1 + +O AD JRU I RR （ ） IADJ很小可以忽略不记。 2 1 1.25 1 +O RU R （ ） 3.线性电源与开关电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 LM317调压器的派生器件包括正电压输出模块 (LM78XX)和 负电压 输出模块 (LM79XX)。

16、 7 8 x x 7 9 x x I N G N D O U T I N O U T G N D 要求输入电压和输出电压之间由电压差，且输出电流需要的 电压差越大，其典型值为 1-3V。 线性 LED驱动电路一个缺点是效率低，效率规定为 LED电压 与输出电压的比，如果输入电压高于 LED电压，则其效率就低， 引起发热，加散热片，体积和成本增加。 注： 当输入电压仅比 LED电压高一点时，线性电源效率 也可以很高，甚至比开关电压调节效率高。 3.线性电源与开关电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 V + V - 负 载 L M 3 1 7 A D J O U T 负 载 I N L M 3

17、1 7 A D J O U T I N 电 流 陷 电 流 源 R 1 R 1 LM317调压器构成的恒流电路 1 1.2 5I R 3.线性电源与开关电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 A - + I N 运算放大器构成的恒流电路 线性电源局限性在于， LED电压必须低于电源电压， 因为线性电源不能提高其输出电压高于输入电压。 3.线性电源与开关电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 2） .开关电源 优点：效率高、体积小、重量轻 缺点： EMI、成本高 E M I P F C 市 电 整 流 器 负 载 C 功 率 变 换 器 高 频 变 压 器 整 流 滤 波 控 制 电 路 AC

18、DC AC DC 3.线性电源与开关电源 天津工业大学电气工程与自动化学院 4.开关电源电路拓扑 1） .开关电源电路分析方法 各功率开关管（三极管或二极管）换流时刻作为 各开关模态的转换时刻。 假设条件充分合理。 a. 开关管均为理想开关，导通压降为零，关断电 阻为无穷大。 b. 大电容等效为恒压源，大电感等效为恒流源。 。 天津工业大学电气工程与自动化学院 2） .开关电源基本电路拓扑 a.降压型 BUCK变换器 ELCRQD Q、 D为理想开关管 C充分大，输出电压基本不变。 假设条件： 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 开关模态 1 E L Q D U O L i

19、 tOL EUi L 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 开关模态 2 E Q D U O L i on( t- T ) O L Ui L T T o n T o ff 根据伏秒积平衡原理，可推得 ()O O o no n o n OE U U TT T T U E D EL L T D=Ton/T 占空比 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 E LCRQ D 1Rf Rpram pu comu refU ou Cv1 C Cv 电压控制型 BUCK变换器 p0ram pu HLcomutt10T2T3T4T 电压控制 PWM波形 4.开关电源电路拓扑

20、天津工业大学电气工程与自动化学院 E LCRQ D 1RfRrefi refU ou ouA1 Cp LiRSQ C L K()st 0refi Li tt0T2T34T1 电流控制型 BUCK变换器 电流控制 PWM波形 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 b.升压型 BOOST变换器 E CRQ ou L D Q、 D为理想开关管 C充分大，输出电压基本不变。 假设条件： 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 E C Q O U L D L i开关模态 1 tL Ei L 开关模态 2 E C Q O U L D L i on( t- T O L EU

21、i L ） 根据伏秒积平衡原理，可推得 1() 1 O on on O on EU ETT T T U E E L L T T D 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 c.推挽型 DC/DC变换器 E 1Q2Q 1D 2D 3D 4D LCRT 推挽型 DC/DC变换器 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 E 1Q2Q 1D2D 3D4DLCRTE /En:1n E 1Q2Q 1D2D 3D4DLCRTE/En:1n E 1Q2Q 12D 34DLCR 模态 1 模态 2 模态 3 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 E 1Q2Q 1

22、D 2D 3D 4D LCRT 驱动脉冲 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 d.半桥型 DC/DC变换器 E 1Q 2Q 1C 2C 1 D 2D 3D 4D LC RT 半桥型 DC/DC变换器 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 E1Q2Q 1C2C 1D2D 3D4DLCR/2E /2EnT:1n1Q2QCC 1D2D 3D4DLCR/2E /2EnT:1nE1Q 2Q 1C2C 1D2D 3D4DLCR模态 1 模态 2 模态 3 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 E 1Q 2Q 1C 2C 1D 2D 3D 4D LC

23、RT 驱动脉冲 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 e.全桥型 DC/DC变换器 E 1Q 2Q 3Q 4Q 1D 2D 3D 4D LCR 全桥型 DC/DC变换器 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 E1Q2Q 3Q4Q 1D2D 3D4DLCRE/EnT:1n 模态 1 E1Q2Q 3Q4Q 1D2D 3D4DLCRE/EnT:1n 模态 2 E 12Q 34Q 12D 34D CRL 模态 3 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 E 1Q 2Q 3Q4Q 1D 2D 3D 4DLCR 驱动脉冲 4.开关电源电路拓扑 天津工业大

24、学电气工程与自动化学院 E 1Q 1DCRTe.反激式 DC/DC变换器 反激式 DC/DC变换器 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 E 1Q 1DCRT 模态 1 E 1Q 1DCRT 模态 2 驱动脉冲 4.开关电源电路拓扑 天津工业大学电气工程与自动化学院 5.典型 LED开关驱动电源 1） .降压型 LED驱动电路 控 制 器 电 源 V + D 1 L E D L 1 Q 1 降压型 LED驱动电路 天津工业大学电气工程与自动化学院 2） .升压型 LED驱动电路 控 制 器 电 源 V + D 1 L E D L 1 Q 1 C i n C i n L E D

25、 升压型 LED驱动电路 天津工业大学电气工程与自动化学院 3） .直流应用中的降压电路 V D D R W M _ D L D G N D H V 9 9 1 0 R T G A T E C S V I N 1 0 3 0 V D C 6 5 7 3 1 8 4 2 C 1 4 . 7 F 2 . 2 F 1 0 V C 2 1 0 B Q 0 6 0 D 1 L 1 4 . 7 H R 1 1 0 0 K Q 1 V N 3 2 0 5 N 8 R 1 0 . 6 2 天津工业大学电气工程与自动化学院 4） .交流输入时的降压电路 V D D R W M _ D L D G N D H V 9 9 1 0 G A T E C S V I N V + 6 5 7 3 1 4 2 C 1 4 . 7 F 2 . 2 F 1 0 V C 3 3 5 0 m A L E D D 1 L 1 4 . 7 H Q 1 S T D 2 N M 6 0 T 4 R 2 0 . 6 2 R T R 1 4 7 0 k U F 4 0 0 5 C 2 3 3 0 n F 2 3 0 V A C N T C + 火 线 天津工业大学电气工程与自动化学院 谢谢大家！