LED燈珠特性和LED驅(qū)動電源方案

1、中國計(jì)量學(xué)院LED與LED電源目錄一、LED及其特點(diǎn)二、LED電源技術(shù)三、LED電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)LED及其特點(diǎn)什么是LEDLED是一種固體光源, 當(dāng)它兩端加上正向電 壓，半導(dǎo)體中的少數(shù) 載流子和多數(shù)載流子 發(fā)生復(fù)合，放出的過 剩能量將引起光子發(fā) 射。采用不同的材料， 可制成不同顏色有發(fā) 光二極管LED及其特點(diǎn)LED的伏安特性LED是一種可發(fā)光的二極管，除了具有發(fā)光特性外，還具有 普通半導(dǎo)體整流二極 管的特性。LED的伏安特性曲 線可以劃分為正向特 性區(qū)、反向特性區(qū)和 反向擊穿區(qū)LED及其特點(diǎn)LED的伏安特性0A段：正向死區(qū)VA為開啟LED發(fā)光的 電壓。比如紅色（黃色）LED的開啟 電壓一般為0.2

2、925V。AB段：工作區(qū)在這一區(qū)段，一般是隨著 電壓増加電流也跟著增加，發(fā)光亮度 也跟著增大。但在這個區(qū)段內(nèi)要特別 注意，如果不加任何保護(hù)，當(dāng)正向電 壓增加到一定值后，那么LED的正向 電壓會減小，而正向電流會加大0如 果沒有保護(hù)電路，會因電流増大而燒 壞發(fā)光二極管。0C段：反向死區(qū)LED加反向電壓是不 發(fā)光的（不工作），但有反向電流。 這個反向電流很小，一般在幾pA之 內(nèi)CD段：反向擊穿區(qū)LED的反向電壓一般 不要超過10V,最大不得超過15V,否 則就會出現(xiàn)反向擊穿，導(dǎo)致LED報廢。反向死區(qū)n n m UK n n I nLED伏安特性曲線LED及其特點(diǎn)LED的基本特性(1 )單向?qū)щ姡?

3、2) LED有門限電壓。LED的門限電壓和正常工作時的正向 壓降與LED的光色有關(guān)；(3) 具有非線性的伏安特性曲線，電流與電壓不成正比；(4) LED光通量隨電流增大而增加，但不成正比；(5) 對溫度敏感，結(jié)溫升高時，光輸岀減少，正向電壓降 低；離散性較大LED及其特點(diǎn)LED的基本工作條件（1）輸入直流電壓不低于LED正向壓降；（2）采用直流電流或單向脈沖電流驅(qū)動；（3）對LED電流加以限制，以防止LED損壞；（4）由于LED電流與其光通量之間的非線性關(guān)系，LED應(yīng)該 在光效比較高的電流值下工作：（5）優(yōu)良的散熱設(shè)計(jì)。LED及其特點(diǎn)LED伏安特性的溫度系數(shù)為什么LED要使用恒流源?LED的伏

4、安特性 并不是固定的，是 隨著溫度而變化 的，所以在恒壓 供電時，LED電流 隨溫度變化而變 化，因?yàn)長ED的伏 安特性具有負(fù)溫度 系數(shù)的特點(diǎn)。LED電源技術(shù)LED在應(yīng)用中的配置形勢及特點(diǎn)LED的配置形勢取決于多方面的因素，如應(yīng)用要 求、LED的參數(shù)與數(shù)量、輸入電壓、散熱管理、尺 寸與布局限制等。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要將多個LED按照需求排 列組合起來。LED電源技術(shù)V-1串聯(lián)MgVLED電源技術(shù)LED電源技術(shù)簡單串聯(lián)帶并聯(lián)穩(wěn)爪管的申聯(lián)LED電源技術(shù)常見的連接形式2并聯(lián).LED電源技術(shù)LED電源技術(shù)L1簡單并聯(lián)獨(dú)立匹配并聯(lián)LED電源技術(shù)常見的連接形式先串后并先并后串LED電源技術(shù)常見的連接形式

5、3混聯(lián)V+V-I先串后并先并后串LED電源技術(shù)常見的連接形式連接形式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)串 聯(lián)簡單串聯(lián)電路簡單,LED電流相 同，亮度一致可靠性否高，驅(qū)動器 輸出電壓高帶旁路串聯(lián)專器豔昭翳離件牒加體簡單并聯(lián)電路簡單，驅(qū)動電壓低均流問題并 聯(lián)【I詐+4必 曲水1匚n何電路復(fù)雜，體積大，獨(dú)立匹配并聯(lián)鎰嚴(yán)問混 聯(lián)先并后串先串后并可靠性較高，總體效果 較高,適用范圍較廣電路復(fù)雜，并聯(lián)的單 個LED或LEDM需解 決均流問題LED電源技術(shù)LED電源輸入LED的原始電源不外乎兩種：一是電池，二 是市電。但提供給用戶或者產(chǎn)品的供電模式有五 種； 咼壓直流：咼壓電源；低壓直流:電池、低壓電源;低壓高頻交流：電子變壓器等;

6、 高壓低頻交流：市電； 低壓低頻交流:LED電源技術(shù)直流輸入方式下的LED驅(qū)動技術(shù)一、線性穩(wěn)壓器傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器LDO穩(wěn)壓器二、開關(guān)型DC/DC變換器 降壓(Buck)變換器 升壓(Boost)變換器降壓升壓(BuckBoost)變換器LED電源技術(shù)直流輸入線性穩(wěn)壓器線性穩(wěn)壓器普通線性穩(wěn)壓器Vo=9ViwI=350mA特點(diǎn)：輸入輸出電壓之差 一般要求為46V,導(dǎo)致 電源效率底下。如右圖，PjC=(17- 9)V*350mA=2.8WPR1=0.35*0.35*5.7=0.7W效率=P|ed/(Pic+PR1+Pled)=0.43LED電源技術(shù)直流輸入線性穩(wěn)壓器線性穩(wěn)壓器LDO穩(wěn)壓器針對傳統(tǒng)線性穩(wěn)

7、壓器存在的問題，低壓差降 落(Low Drop Out)集成穩(wěn)壓器發(fā)展迅速，所 謂低壓差是指輸入輸出電壓之差比傳統(tǒng)線性穩(wěn) 壓器要小得多，所以效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)線性穩(wěn) 壓器，因此在便攜式電子產(chǎn)品和電池供電的電 源系統(tǒng)中大量使用。LED電源技術(shù)直流輸入開關(guān)型DC/DC變換器開關(guān)型DC/DC變換器開關(guān)型DC/DC變換器按照輸入輸出電壓的不同 分為三種：降壓(Buck)變換器升壓(Boost)變換器 降壓升壓(Buck-Boost)變換器LED電源技術(shù)直流輸入開關(guān)型DC/DC變換器升壓變換器原理當(dāng)控制器驅(qū)動S導(dǎo)通時,D截止,L中的電流不能突變, 只能從零開始緩慢線性增加，并且電源在L屮儲存能量 夕咆流通

8、過L和S返冋到電源負(fù)端。在此過程中，輸出 電容C給負(fù)載供電S截止時，L上的感應(yīng)電動勢（左負(fù)右正）使D正向偏置 而導(dǎo)通，L釋放所儲存的能量，電流逐漸減小。在此過 程中，電感器L中的儲能與順極性的輸入電壓共同給負(fù) 載供電，同時對C1進(jìn)行充電.LED電源技術(shù)直流輸入開關(guān)型DC/DC變換器升壓型LED驅(qū)動器VIN3Vto5V*6.8 四D1LED電源技術(shù)市電供電下的LED驅(qū)動目前LED在應(yīng)用中大多利用交流市電電源供電。由于LED要 求在直流低電壓下工作，采用市電電源供電，則需要通過適 當(dāng)?shù)碾娐吠負(fù)鋵⑵滢D(zhuǎn)換為符合LED工作要求的直流電源。非隔離：是指在負(fù)載端和輸入端有直接連接，觸摸負(fù)載有觸電 的危險電容

9、降壓高壓芯片恒流隔離：隔離是指在輸出端和輸入端有隔離變壓器，安全性大大好于非隔離變壓器降壓PWM式恒流LED電源技術(shù)市電輸入非隔離 >> 電容降壓電容降壓簡易電源的基本電路如圖。C1為降壓電容器，同 時具有限流作用，D3是5 穩(wěn)壓二極管，R1為關(guān)斷 - 電源后C1的電荷泄放電 阻。通過C1的電流G為:Ic=VAc/lPIfAcC220V, 50Hz條件下，Ici = 69 ClLED電源技術(shù)市電輸入非隔離電容降壓LED電源技術(shù)市電輸入非隔離電容降壓(2©電容降壓簡單應(yīng)用電路LED電源技術(shù)市電輸入非隔離電容降壓電容降壓LED驅(qū)動電路的特點(diǎn)電容降壓電路的優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，

10、缺 點(diǎn)是帶負(fù)載能力有限，效率不高，輸出電壓隨電 網(wǎng)波動而變化，使LED亮度不穩(wěn)定，所以只能 應(yīng)用于對LED亮度及精度要求不高的場合。LED電源技術(shù)市電輸入非隔離 >> 高壓芯片恒流原理分析:以9910為例，就是在電源工作 的原邊回路設(shè)定一個電流閥值. 當(dāng)原邊MOS導(dǎo)通,此時電感的電 流是線性上升的，當(dāng)上升到一定值 的時候達(dá)到這個閥值，就關(guān)斷電 流,下一周期再由觸發(fā)電路觸發(fā) MOS導(dǎo)通.LED電源技術(shù)市電輸入非隔離 >> 高壓芯片恒流高壓芯片恒流電路特點(diǎn)電路簡單，所需元器件少，但恒流精度不高，一旦 失控，會燒毀LED燈串。LED電源技術(shù)市電輸入隔離 >> 變壓

11、器降壓變壓器降壓LED驅(qū)動電路1、變壓器降壓整流濾波2、采用線性穩(wěn)壓器的變壓器降壓3、采用集成電流源的LED驅(qū)動電路220V50HzI=350niA變斥器降斥和全波整流、電容濾波LED驅(qū)動電路LED電源技術(shù)r|j電輸入隔離 >> 變壓器降壓變壓器降壓LED驅(qū)動電路特點(diǎn)采用工頻變壓器，轉(zhuǎn)換效率低，另 外限流電阻上消耗功率較大，電源效率 很低。LED電源技術(shù)市電輸入隔離»PW M控制方式開關(guān)電源PWM控制方式開關(guān)電源主要有四個部分組成，輸入整流濾波、輸出整流濾波、 PWM控制單元，開關(guān)能量轉(zhuǎn)換。LED電源技術(shù)市電輸入隔離»PW M控制方式開關(guān)電源PWM控制方式開關(guān)電

12、源特點(diǎn)：效率高，一般可達(dá)80-90%,輸出電壓、電流 穩(wěn)定，可加入各種保護(hù)，屬于可靠性電源。是 比較理想的LED電源LED電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED驅(qū)動電源的特性 耍求，在選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動電源時?？紤]到以下 幾點(diǎn)高可靠性：特別是對LED路燈的驅(qū)動電源，安裝在高空中，維 修不方便成本也高；高效率：LED是節(jié)能產(chǎn)品，電源的效率要高，特別是對于安裝在 燈具內(nèi)部的電源更為重要，因?yàn)長ED的發(fā)光效率隨LED 溫度的升高而降低。電源效率越高，損耗越少，在燈具 內(nèi)發(fā)熱量小，可以降低燈具內(nèi)溫升，對延緩LED光衰有 利；LED電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)功率因數(shù)：功率因數(shù)是電網(wǎng)對于負(fù)載的要求，一般70W以下的電

13、 器沒有功率因數(shù)的要求，小功率的低功率因數(shù)負(fù)載大量同時使用的 話，會對電網(wǎng)造成較嚴(yán)重的污染；驅(qū)動方式：主要有兩種，一個是多路恒流，一個恒壓源供多個恒 流，每個恒流源給一路LED串供電；還有一個是直接恒流，LED串 聯(lián)或者并聯(lián)運(yùn)行。LED電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)浪涌保護(hù)：浪涌電流是指電網(wǎng)中出現(xiàn)的短時間象“浪”一樣的高 電壓引起的大電流。當(dāng)某些大容量的電氣設(shè)備接通或斷開時間， 由于電網(wǎng)中存在電感，將在電網(wǎng)產(chǎn)生“浪涌電壓”，從而引發(fā)浪 涌電流。LED由于本身特性的原因，抗浪涌能力較差，特別是反向抗壓能 力，因此加入浪涌保護(hù)電路非常必要。 保護(hù)電路：除常規(guī)的欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)外，最好加 入溫度反饋電路，

14、因?yàn)長ED溫升對壽命及發(fā)光效率都有影響，防 止LED溫度過高對LED壽命及延長光衰有利。LED電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)符合安規(guī)及電磁兼容的要求安規(guī)就是安全規(guī)范，目前是指電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中必須保持和遵守的 規(guī)范。安規(guī)的特點(diǎn)是：安規(guī)強(qiáng)調(diào)對使用和維護(hù)人員的保護(hù)，是我們使用 電子產(chǎn)品方便同時，不讓電子產(chǎn)品給我們帶來危險，同時允許設(shè) 備部分或全部功能喪失。安規(guī)是使用安全規(guī)范來考慮電子產(chǎn)品， 使產(chǎn)品更加安全。電磁兼容（英文:Electromagnetic Compatibility,簡稱EMC）是在 電學(xué)中研究意外電磁能量的產(chǎn)生、傳播和接收，以及這種能量所 引起的有害影響。電磁兼容的目標(biāo)是在相同環(huán)境下，涉及電磁現(xiàn) 象的

15、不同設(shè)備都能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且不對此環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn) 生難以忍受的電磁干擾之能力。LEDR光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)在設(shè)計(jì)LED日光燈電源以前，應(yīng)了解LED本身結(jié)構(gòu)及日光 燈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1、LED的工作電流：一般LED的額定工作電流20毫安，設(shè)計(jì)20毫安時，實(shí)際 上工作發(fā)熱很嚴(yán)重，經(jīng)多次對比試驗(yàn)，設(shè)計(jì)成16-18毫安是比較理想的。N 路并聯(lián)的總電流=17*N2、LED的工作電壓：一般LED的推薦工作電壓是3.0-3.5V,在估計(jì)LED燈串電 壓時，一般取單顆為3.125V。M個燈珠串聯(lián)的總電壓=3.125* M3、LED日光燈電源與燈板的匹配：首先考慮設(shè)計(jì)電源，再設(shè)計(jì)燈板，使燈板 能夠最大限度的發(fā)揮電源的

16、效率。LEDH光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)LED日光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)4、LED燈板的串并聯(lián)與寬電壓的關(guān)系：要使LEDH光燈工作在輸入電壓范圍比較寬的范圍AC85-265V, 則燈板的LED串并聯(lián)方式很重要。對非隔離的降壓式電源，在要 求寬電壓時，輸出電壓不要超過72V,輸入電壓范圍是可以到達(dá) 85-265V的。也就是說，串聯(lián)數(shù)不超過24串。并聯(lián)數(shù)不要太多， 否則工作電流太大，發(fā)熱嚴(yán)重，推薦為6并/8并/12并。總電流不 超過240毫安為好LEDH光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)LED日光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)5、LED日光燈電源的功率因數(shù)校正電路（PFC電路）功率因數(shù)：又稱為功率因子，英文縮寫PF（Power Factor）,是有

17、功 功率與視在功率的比值。功率因數(shù)在一定程度上反映了發(fā)電機(jī)容 量得以利用的比例，是合理用電的重要指標(biāo)。目前LED日光燈電源PFC電路主要有三種：一無PFC電路，PF值一般為0.65左右；二 無源PFC （填谷式），與燈管匹配的好的話，一般可以達(dá)到0.92三有源PFC ,采用專用芯片，PF值可達(dá)0.99,但價格翻一倍， 所以采用第二種方案的比較多。LEDH光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)LEDH光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)LEDH光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)LEDEI光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)無源PFC (填谷式)C1和D1組成半橋的一臂，C2和D3組成 半橋的另一臂，D2和R1組成充電連接通 路，利用填谷原理進(jìn)行補(bǔ)償。濾波電容 C1和C2相串聯(lián)，電容上的電壓最高充到輸 入電壓的一半(VAC/2), 一旦線電壓降到 VAC/2以下，二極管DI和D3就會被正向偏 置，這樣使C1和C2開始并聯(lián)放電。采用這 個電路后，系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.6提高到 0.880.9,但很難超過0. 92.因?yàn)檩斎腚?壓和電流之間還存在大約60度的死區(qū)。LEDH光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)LED日光燈電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)6、LED燈板的串并聯(lián)與寬電