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LED驱动电源基础知识 研发部:邱建文.

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1 LED驱动电源基础知识 研发部:邱建文

2 主要内容概括: 1:LED驱动电源的重要性 2:LED驱动的技术方案 3:LED与LED驱动电源的匹配 4:LED驱动电源使用中应注意的问题

3 1:LED驱动电源的重要性 接触过LED的人都知道:由于LED正向伏安特性非常陡 图1.1(正向动态电阻非常小),要给LED正常供电就比较困难。不能像普通白炽灯一样,直接用电压源供电,否则电压波动稍增,电流就会增大到将LED烧毁的程度。为了稳定LED的工作电流,保证LED能正常可靠地工作,具有”镇流功能”的各种各样的LED驱动电路就应运而生。最简单的是串联一只镇流电阻,而比较复杂的是用许多电子元件构成的“恒流驱动器”。 图1 图1.1

4 2 : LED驱动的技术方案 一 镇流电阻方案 此方案的原理电路图见图1。这是一种极其简单,自LED面世以来至今还一直在用的经典电路。
一 镇流电阻方案  此方案的原理电路图见图1。这是一种极其简单,自LED面世以来至今还一直在用的经典电路。 LED工作电流I按下式计算: (1) I与镇流电阻R成反比;当电源电压U上升时,R能限制I的过量增长,使I不超出LED的允许范围。 此电路的优点是简单,成本低;缺点是电流稳定度不高;电阻发热消耗功率,导致用电效率低,仅适用于小功率LED范围。 一般资料提供的镇流电阻R的计算公式是: (2)

5 按此公式计算出的R值仅满足了一个条件:工作电流I 。而对驱动电路另两个重要的性能指标:电流稳定度和用电效率,则全然没有顾及。因此用它设计出的电路,性能没有保证。

6 二 镇流电容方案 电路的工作是基于在交流电路中,电容存在容抗XC也有”镇流作用”的原理。另外电容消耗无功功率,不发热;而电阻则消耗有功功率,会转化为热能耗散掉,所以镇流电容比镇流电阻,能节省一部分电能,并能设计成将LED灯直接接到市电~220V上,使用更为方便。 此方案的优点是简单,成本低,供电方便;缺点是电流稳定度不高,效率也不高。仅适用于小功率LED范围。当LED的数量较多,串联后LED支路电压较高的场合更为适用。

7 三 线性恒流驱动电路 上面已经提到电阻、电容镇流电路的缺点是电流稳定度低(△I/I达±20~50%),用电效率也低(约50~70%),仅适用于小功率LED灯。 为满足中、大功率LED灯的供电需要,利用电子技术常见的电流负反馈原理,设计出恒流驱动电路。和直流恒压电源一样,按其调整管是工作在线性,还是开关状态,恒流驱动电路也分成两类:线性恒流驱动电路和开关恒流驱动电路。 图4是最简单的两端线性恒流驱动电路。它借用三端集成稳压器LM337组成恒流电路,外围仅用两个元件:电流取样电阻R和抗干扰消振电容C 。

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9 四 开关电源驱动电路 上述线性恒流驱动电路虽具有电路简单、元件少、成本低、恒流精度高、工作可靠等优点,但使用中也发现几点不足: a、调整管工作在线性状态,工作时功耗高发热大(特别是工作压差过大时),不仅要求较大尺寸的散热器,而且降低了用电效率。 b、电源电压要求按公式(13)与LED工作电压严格匹配,不允许大范围改变。也就是说它对电源电压及LED负载变化的适应性差。 c、它仅能工作在降压状态,不能工作在升压状态。即电源电压必须高于LED工作电压。 d、供电不太方便,一般要配开关稳压电源,不能直接用~220V供电。

10 输入整流:将正负变化的交流电变成单向变化的直流电 滤波:将变化的电压波形平滑成波动较小的直流电压波形
T V EMC filter 整流器(Rectifier 切换开关(MOS) 脉宽调制器(PWM) 隔离变压器 (Transformer) 滤波电路 回授(Feedback) 整流器(Rectifier) 滤波 电路 AC in DC out 输入整流:将正负变化的交流电变成单向变化的直流电 滤波:将变化的电压波形平滑成波动较小的直流电压波形 变压器:储存能量,产生需要的输出电压.原、副边隔离。 输出稳压:稳定输出电压 取样反馈:将输出电压的变化反映到控制电路,以便采取相应的措施保证输出电压在规定的范围内 PWM+开关:控制电路,根据反馈回来的信号控制变压器储存能量的多少,从而保证输出的稳定

11 采用开关电源驱动的优点:效率高,一般可以做到80%~90%,输出电压、电流稳定。输出纹波小。且这种电路都有完善的保护措施,属高可靠性电源。
LED驱动电源主要有恒压式和恒流式 (1)恒压式: a、当稳压电路中的各项参数确定以后,输出的电压是固定的,而输出的电流却随着负载的增减而变化; b、恒压电路不怕负载开路,但严禁负载完全短路。 c、 以稳压驱动电路驱动LED,每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均; d、 亮度会受整流而来的电压变化影响。

12 1)恒流式: a、 恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化,负载阻值小,输出电压就低,负载阻值越大,输出电压也就越高; b、 恒流电路不怕负载短路,但严禁负载完全开路。 c、 恒流驱动电路驱动LED是较为理想的,但相对而言价格较高。 d、 应注意所使用最大承受电流及电压值,它限制了LED的使用数量; 开关恒流驱动电路 恒流源和恒压源不同之处就是恒流的那部分电路。 恒流部分:它主要由T1、R8、R9、R5组成。三级管的导通电压0.7V是已知量。R8阻值也是已知量,当电路开始工作后,只要R8和流过R8的电流乘积大于0.7V,三极管开始工作,电路就进入恒流工作。

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14 LED与LED驱动电源的匹配 我们已经很清楚的知道LED驱动电源只有两种方式: 恒流式:电流不变电压在一定范围内变化(随负载变化)
恒压式:电压不变电流在一定范围内变化(随负载变化) 而LED灯配合的方式有三种:串联式, 并联式,串并混联式。

15 串联式: 要求LED驱动器输出较高的电压。当LED的一致性差别较大时,分配在不同的LED两端电压不同,通过每颗LED的电流相同,LED的亮度一致。 当某一颗LED品质不良短路时,如果采用稳压式驱动,由于驱动器输出电压不变,那么分配在剩余的LED两端电压将升高,驱动器输 出电流将增大,导致容易损坏余下所有LED。如采用恒流式LED驱动,当某一颗LED品质不良短路时,由于驱动器输出电流保持不变,不影响余下所有LED 正常工作。当某一颗LED品质不良断开后,串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是在每个LED两端并联一个齐纳管,当然齐纳管的导通电压需要比LED的导通电压高,否则LED就不亮了。

16 并联式: 要求LED驱动器输出较大的电流,负载电压较低。分配在所有LED两端电压相同,当LED的一致性差别较大时,而通过每颗LED的电流不一致,LED的亮度也不同。可挑选一致性较好的LED,适合用于电源电压较低的产品 当某一个颗LED品质不良断开时,如果采用恒压式LED驱动,驱动器输出电流将减小,而不影响余下所有LED正常工作。如果是采用 恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED电流将增大,导致容易损坏所有LED。解决办法是尽量多并联LED,当断开某一颗LED 时,分配在余下LED电流不大,不至于影响余下LED正常工作。所以功率型LED做并联负载时,不宜选用恒流式驱动器。当某一颗LED品质不良短路时,那么所有的LED将不亮,但如果并联LED数量较多,通过短路的LED电流较大,足以将短路的LED烧成断路。

17 串并混联方式 在需要使用比较多LED的产品中,如果将所有LED串联,将需要LED驱动器输出较高的电压。如果将所有LED并联,则需要LED驱动器输出较大的电流。 将所有LED串联或并联,不但限制着LED的使用量,而且并联LED负载电流较大,驱动器的成本也会大增。解决办法是采用混联方式。串并联的LED数量平均分配,分配在一串LED上的电压相同,通过同一串每颗LED上的电流也基本相同,LED亮度一致。同时通过每串LED的电流也相近。  当某一串联LED上有一颗品质不良短路时,不管采用恒压式驱动还是恒流式驱动,这串LED相当于少了一颗LED,通过这串LED的电流将大增,很容易就会 损坏这串LED。大电流通过损坏的这串LED后,由于通过的电流较大,多表现为断路。断开一串LED后,如果采用恒压式驱动,驱动器输出电流将减小,而不 影响余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,分配在余下LED电流将增大,导致容易损坏所有LED。解决办法是尽量多并联LED,当断开某一颗LED时,分配在余下LED电流不大,不至于影响余下LED正常工作。

18 混联方式还有另一种接法,即是将LED平均分配后,分组并联,再将每组串联一起。
当有一颗LED品质不良短路时,不管采用恒压式驱动还是恒流式驱动,并联在这一路的LED将全部不亮,如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,除了并联在短路LED的这一并联支路外,其余的LED正常工作。假设并联的LED数量较多,驱动器的驱动电流较大,通过这颗短路的LED电流将增大,大电流通过这颗短路的LED后,很容易就变成断路。由于并联的LED较多,断开一颗LED的这一并联支路,平均分配电流不大,依然可以正常工作,哪么 整个LED灯,仅有一颗LED不亮。    如果采用恒压式驱动,LED品质不良短路瞬间,负载相当少并联一路LED,加在其余LED上的电压增高,驱动器输出电流将大增,极有可能立刻损坏所有 LED,幸运的话,只将这颗短路的LED烧成断路,驱动器输出电流将恢复正常,由于并联的LED较多,断开一颗LED的这一并联支路,平均分配电流不大, 依然可以正常工作,哪么整个LED灯,也仅有一颗LED不亮

19 LED驱动电源恒压源系列产品 通过对以上分析可知,驱动器与负载LED串并联方式搭配选择是非常重要的,恒流式驱动功率型LED是不适合采用并联负载的,同样的,恒压式LED驱动器不适合选用串联负载。

20 工程中的简易计算方法 例:SLT5-12VC 额定输出功率为5W电源,输出电压12V ,白光LED额定正向电压3.3V,耗散功率为65mW,可配置多少个LED? (1)计算每条支路的LED个数: 3.3V × 3 =9.9V 65mW ÷3.3V =20mA (12V - 9.9V)÷ 20mA = 105Ω   (2)计算并联支路数 :5W ÷ (65mW × mA × 20mA × 105Ω ) = 21 (3)总共可以接多少个LED:21 × 3 =63个(串并混联)

21 例:SLT10-350IF一个额定输出电流为DC 0. 35A,额定功率为10W电源,耗散功率为65mW,正向电为0
例:SLT10-350IF一个额定输出电流为DC 0.35A,额定功率为10W电源,耗散功率为65mW,正向电为0.02A的白光LED,可怎样配置? (1)计算每条支路的LED个数:10W ÷ 0.35A = 28.6V 65mW ÷ 0.02A =3.25V 28.6V ÷ 3.25V =8 (2)计算并联支路数 :0.35A ÷ =18 (3)总共可以接多少个LED:8 × 18=144个(串并混联)

22 4:LED驱动电源使用中应注意的问题 A. LED降额使用。 B. 使用线性恒流驱动器,特别注意其工作压差。 C. 隔离式开关恒流驱动器次级输出电源不宜悬空,负极应接 地。 D. 对开关恒流驱动器,要严格遵守:先接好LED灯,再接通驱动器电源的操作顺序。 如果相反操作,在接通LED灯瞬间,将会有极大的冲击电流通LED灯,威胁LED灯的使用安全。现以图10电路为例,对此冲击电流值作一下计算,并对其产生原因作一次分析。

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24 我们公司针对瞬间电流冲击问题研究了新型的解决方案,在输出端加入限流电路,主要有两种实现方案。
a、串联连接方式,将多余部分的能量消耗在限流电路内部。通过将多余的能量堵在负载之前,保证在连接开关闭合的瞬间流过LED灯负载上的电流在LED灯所允许的电流范围之内。 b、并联连接方式,同样也是将多余部分的能量消耗在限流电路内部。通过将多余的能量引到限流电路上,保证流过LED灯上的电流在LED灯的安全电流范围之内

25 a、串联连接电路

26 串联限流电路:配置在高频滤波电容(C3)和恒流回路之间,在一个横向分支上包含一个NPN型晶体管(Q1)的集电极—发射极通道和与这个集电极—发射极通道串联的限流电阻(R1)。集电结偏置电阻(R5)连接到NPN型晶体管(Q1)的集电极与基极之间。NPN型晶体管(Q2)的基极连接到NPN型晶体管(Q1)的发射极上,NPN型晶体管(Q2)的集电极与NPN型晶体管(Q1)的基极相连,NPN型晶体管(Q2)的发射极连接到限流电阻(R1)的一端。同时该限流电路可以串接在恒流电阻(R2)和限压回路之间,还可以串接在限压回路和连接开关(S1)之间,也可以串接在负载和输出极地电位之间。 当输出电流低于预先设定的限流值时,限流电阻上的压降低于0.7V,NPN型晶体管(Q2)处于截止状态,NPN型晶体管(Q1)处于饱和导通状态。电路正常工作,仅仅只在限流电阻(R1)和NPN型晶体管(Q1)上增加了少量损耗。当输出的电流大于预先设定的限流值时,便会在限流电阻上产生高于0.7V的压降,此时NPN型晶体管(Q2)饱和导通,NPN型晶体管(Q1)发射极—集电极通道的等效阻值增大,起到限制输出电流的作用,近而有效的保护了负载上短暂的过流现象。

27 b、并联连接电路

28 并联限流电路:配置在输出限压回路和负载之间,在一个纵向分支上并联上一个NPN型晶体管(Q3)的集电极—发射极通道,NPN型晶体管(Q3)的基极连接到负载负电位上,限流电阻(R2)连接到NPN型晶体管(Q3)的发射极和基极之间。NPN型晶体管(Q3)的集电极—发射极通道可以电容后的任意一个纵向分支上。 当输出电流值小于预先设定的阈值电流时,限流电阻(R2)两端的压降小于0.7V,NPN型晶体管(Q3)处于截止状态,电路正常工作;当输出电流值大于预先设定的阈值电流时,限流电阻两端的压降大于0.7V,NPN型晶体管(Q3)集电极—发射极通道变为低阻值,使得大部分的电流流过NPN型晶体管(Q3)的集电极—发射极通道上,且以热能的形式消耗在NPN型晶体管(Q3)的集电结上,从而有效地保护了负载上短暂的过流现象。

29 谢 谢 大 家 !


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