LED 驱动简介

1. LED驱动简介 东南电力 鼎晖科技 陈列2012.8.1

2. 目录 • 前言 • LED驱动简介 • LED驱动简介 • LED伏安特性 • 从电网到LED • LED驱动基本要求 • LED驱动主要性能差数和名词简介 • DC-DC直流到直流高频变换式恒流驱动 • 降压式 • 升压式 • 升降式 • AC-DC交流到直流恒流驱动 • 高频变换非隔离降压式 • 高频变换隔离反激式 • 光偶检测式 • 原边检测式 • 高压驱动式 • 阻容降压式 • 直接降压式 • DC-DC降压式恒流变换原理简述 • 电感的一个基本公式 • 电感的一些特征 • 非连续模式、临界模式和连续模式 • 连续模式下电流算式推导 • 有关功率因数 • 高功率因素驱动 • 有关电磁兼容EMC和安规 • 可控硅调光驱动

3. 前言 • 本篇原作为‘东南电力’业务人员的培训之用，一般描述尽可能通俗易懂。 • 考虑到对工程人员和产线员工也有帮助，本篇对部分原理性问题也作一些较深入描述。

4. LED驱动简介 • 为了符合LED伏安特性对电池供电或电网供电作高效率转换而设定的这部分电路称LED驱动。 • 针对电池供电有DC-DC转换 • 针对电网有AC-DC转换

5. LED伏安特性 • LED是半导体发光器件，正向导通伏安特性有点类似于稳压管。 • 砷化镓白光LED在25度温度时正常工作电流下正向压降Vf约3.2V。 • Vf随温度上升而下降，LED结温每上升1度， Vf约下降0.0023V（估）

6. 从电网到LED • 为了便于输变电电网输电一般施行交流供电。 • 我国电网用户端电压：AC220V/50Hz • 欧洲大部分： AC220V/50Hz • 日本： AC100V /50Hz/60Hz • 美国：民用AC110V/50/60Hz，工业277V/60Hz • LED 一般通过串并联，DC电压3~48V，电流20mA~ 3A不等。 • LED驱动需要把电网AC转换到LED可利用的DC。

7. LED驱动基本要求 • LED对驱动基本要求是直流恒流供电。 • 较高效率。一般要求转换效率 〉80% • 较小输出纹波。输出电流 纹波系数P-P 〈 5 % • 电流稳定性：温度漂移 〈 5 %，时间漂移 〈 5 %。 • 较高的功率因数。照明用：商务〉0.9，家用 5W以上 〉0.7 ，5W以下无 要求。 • 较小的输入谐波系数。 • 对电网较小电磁干扰。 • 对空间较小电磁辐射。 • 较好的抗干扰性：抗高压脉冲群 • 较好的耐高压和绝缘性

8. LED驱动主要性能差数和名词简介 • 驱动输入电压：市电输入电压或电池输入电压。 • 驱动输入电流：市电输入电流或电池输入电流。 • 驱动输出电压：驱动输出到LED端的最高电压限制。 • 驱动输出电流：驱动输出到LED端的额定恒定电流。 • 驱动效率：输入与输出有功功率比 • 功率因素：AC电流波形与电压波形符合度。 • 纹波系数：输出电流与交流纹波比值 • 电流稳定性：随温度或时间漂移百分比。 • 谐波系数：输入电流波形频谱分析多次谐波与基波的比值 • ＥＭＣ：电磁兼容性 • EMI 传导干扰：驱动对电网的干扰。 • 辐射干扰：驱动对空间的电磁辐射。 • ROSH：欧标重金属和毒有机物检测。 • 市电：电网客户端。 • 高功率因素驱动：功率因素大于０.９。 • 隔离驱动：驱动输入端与输出端有高频变压器隔离，单手碰触输出端不易触电。 • 非隔离驱动：没有高频变压器隔离，手碰触输出端有触电危险。 • ＤＣ－ＤＣ：直流到直流变换 • ＡＣ－ＤＣ：交流到直流变换 • 电压调整率：输入电压波动对输出电流的影响 • 负载调整率：负载变动对输出电流的影响　 • 频闪：输出带市电纹波引起ＬＥＤ光闪 • 短路保护：输出短路驱动自动进入保护 • 开路保护：输出开路驱动自动进入保护 • 温度保护：温度过高驱动自动进入保护 • PWM：脉宽调制 • 连续模式：在Buck、反激拓扑，Toff时序电感内能量未安全释放。 • 非续模式： Toff时序电感内能量释放完毕

9. DC-DC直流到直流高频变换式恒流驱动 • 为了适应电池供电的需要。 • 为了应用于电子变压器输出的Ｍ１６射灯的需要。 • ＤＣ－ＤＣ按形式有：降压、升压、升降压、翻转等。ＬＥＤ常用到前三种。

10. 降压式 • 降压式是所有开关变换中最简单的形式。 • 专业称ＢＵＣＫ拓扑。 • 原理是输入进行PWM调制再通过电感滤波降压。 • 电路一般工作于连续模式。 • 特点：效率较高，ＢＵＣＫ拓扑有一部分能量不需要磁电转换。 • 典型电路用于M16LED灯杯的PT4115

11. 升压式 • 输出比输入电压高。 • 专业称ＢＯＯＳＴ拓扑。 • 输出电压等于输入电压叠加一个电感储能电压。 • 常用于电池供电系统

12. 升降压 • 输入电压既可比输出电压高也可比输出电压低。 • 专业称ＢＵＣＫ－ＢＯＯＳＴ拓扑。 • 输出电压直接取自电感储能，于输入电压没有直接关系。（拓扑原理与反激式相同）

13. AC-DC交流到直流恒流驱动 • 从市电到LED，就需要AC-DC交流到直流恒流驱动。 • 从基本形式看非隔离式可以看作 DC-DC（ＢＵＣＫ式）式加上AC整流桥。 • 隔离反激式可以看作 DC-DC（ＢＵＣＫ－ＢＯＯＳＴ式）的电感加上副边线圈。 • AC-DC交流到直流恒流高频变换形式很多，LED驱动由于功率较小一般就采用较简单拓扑如降压式、反激式。 • 为了降低成本和小体积方面考虑，也有采用直接降压式。

14. 非隔离高频变换式降压式 • 非隔离式可以看作 DC-DC（ＢＵＣＫ式）式加上AC整流桥。 • 上图是个较新型的电路，芯片支持高功率因素。 • 主体电路就是buck拓扑，只是为了芯片自身供电Vcc取之LED输出端并作稍许改动。 • 上述电路比对谐振式高功率因素电路如6562电路要简单，虽理论上效率稍低，实际尚可。

15. 隔离高频变换式反激式 • 因为LED驱动功率一般不大，小于50Wled隔离驱动拓扑是反激式。 • 反激式电路最简单，元器件少成本也较低。 • 早期隔离反激式是光偶检测式，特点是精度较高，但存在要么取样功耗大、要么取样电路复杂等缺点。 • 较新颖的隔离反激式是原边检测式，特点是电路简单，取样功耗小；虽然调整精度稍低，但能满足照明需要。 • 隔离反激式可以看作 DC-DC（ＢＵＣＫ－ＢＯＯＳＴ式）的电感加上副边线圈，当然整流桥是免不了的。

16. 光偶检测式 • 基本电路。 • 恒流电路除了检测电流，也需要检测电压以保证开路时，电压不至于太高。

17. 原边检测式 • 由于反激式输出电流与原边关系紧密。 • 算上损耗和匝比，通过检测原边电流，也能实现恒流输出。 • 目前原边检测式输出精度可以实现±1.5%~ 3%。 • 为了开路保护，一般同时也从原边检测电压来控制输出电压。 • 上图是个较新型的原边检测式电路，支持高功率因素，电路也较简单。 • ＭＯＳ管源极电阻Ｒ４检测电流，Ｒ６，Ｒ５检测电压。

18. 高压驱动式 • 为了降低成本和减少体积，利用电容限流或直接把多个LED串联到接近高压AC电压方式，称之为高压驱动式。 • 早期利用电容限流方式因为均有电阻参与，因此也称为阻容降压式。 • 近年来，由于LED可靠性不断提高，直接把多个LED串联到接近高压AC电压方式成为可能，在AC220V下需要串联80~90个LED。这种方式称之为直接驱动式。 • 由于LED伏安特性导致直接连电源或简单用电阻限流在输入电压波动情况下电流波动比较大，为了解决这个问题，直接驱动式一般均加有电子恒流电路，因此也称恒流高压驱动式。

19. 阻容降压式 • 下图为一个典型的阻容降压电路。 • 早期阻容加压电路，均采用CBB电容。 • 现在小体积的高介电常数的高压陶瓷层叠电容也有人在用，但要注意电容的温度系数。 • 上电冲击：阻容降压电路上电冲击电流比较大，在大批量应用时需要慎重考虑。 • 功率因素：阻容降压电路功率因素较低，在大量应用时需要慎重考虑。 • 频闪：高压驱动由于电解电容并联在LED端，使得充放电很不充分，较小的电解电容常不能有效消除频闪。

20. 直接降压式 • 也称之为恒流直接降压式。 • 电子恒流方式很多：有晶体管恒流式、场效应管恒流式、恒流二极管、集成电路式等。 • 假如不考虑频闪，就可以省去电解电容，也就可以得到很高功率因素，约 〉0.85。 • 有电解电容滤波，功率因素约 0.50。 • 直接降压式功耗较大：输入电压减去LED压降即等于恒流电路功耗，各种恒流方式与功耗无关。 • 为了减少功耗LED尽可能多串几个，一般无电解电容的，AC220V时串80颗ＬＥＤ，有电解电容的，AC220V时串９０颗ＬＥＤ。 • 上图为恒流二极管直接降压式。

21. DC-DC降压式恒流变换原理简述 • 降压式ＢＵＣＫ拓扑是所有开关变换中最简单的形式。 • 在此仅梳理一些基本原理对后续深入了解做一个入门的引导。

22. 电感的一个基本公式 • U=L dI/dT。 • 电感的一个基本算式。 • U：电感两端电压，单位伏V。L：电感量，单位亨H。I：流过电感电流，单位安A。 T：时间，单位秒S。 • 算式表示：电感两端电压等于电感量在单位时间内电流的变化率 ，精确描述是在微时间内电流的微变率。 • 1H电感在1秒钟内变化1A，电感两端电压等于 1V。 • 电感两端电压仅与电流变化率有关，与流过的静态电流无关。电感从100A变到101A，还是变化1A，电感两端电压还是等于 1V。

23. 电感的一些特征 • 俗语：‘电感电流不能突变、电容电压不能突变’，电感具有保持电流不变的属性。 • 在开关变换中，从导通时序转到关断时序，或从关断时序转到导通时序，霎时电感电流数值保持不变，电流流动方向保持不变。 • 假如电感电流值突然在短时间内剧烈变化，将产生极高电压，煤气点火器就是由此产生上万伏高压。 • 静态直流通过电感不产生电压。

24. 非连续模式、临界模式和连续模式 • 非连续模式：在Toff时序电感内能量释放完毕。 • 导通周期电流顶点Imax= （Vin-Vo）Ton/L =（Vin-Vo）DT/L。（D：导通占空比。） • 关断周期电流顶点Imax= （-Vo）Toff/L if Toff< (1-D)T。即非连续模式。 • 临界模式： if Toff= (1-D)T。即临界模式。 • 因为Imax 相等； 　　 （Vin-Vo）DT/L= （-Vo） (1-D)T /L；D=Vo/Vin。 • 连续模式：在Toff时序电感内能量未释放完毕。 • 下页继续。

25. 连续模式下电流算式推导 • 从标题看似乎连续模式下有确切的电流算式，但实际上连续模式下简单电流算式难于简单确立电流。 • 临界模式下有比较确切的电流算式，那就从临界模式下分析开始。 • 临界模式下导通周期顶点电流Imax= （Vin-Vo）Vo/VinT/L。， 三角波形平均电流 I= Imax/2= （Vin-Vo）Vo/VinT/（2L）。得 L = （Vin-Vo）Vo / Vin T/（2I）。 • L = （Vin-Vo）Vo / Vin T/（2I）。， • Vin：311V；Vo：3V；f：45Khz；I=0.350A 。L=0.031mH,置一倍裕量可以确保进入连续模式L=68uH ，置10倍可较好地处于连续模式L=330uH。(10倍在工程上俗称：大于大于)。 • Vin：311V；Vo：60V；f：45Khz；I=0.350A 。L=1.53mH,置一倍裕量可以确保进入连续模式L=3.3mH ，置10倍可较好地处于连续模式L=15mH。 • 主要特征： • 导通平均电流与关断平均电流相等。 • 因为导通段在电感内能量等于关断段能量即D=Vo/Vin。几乎保持不变。 即：I（Vin-Vo） DT=I Vo（1- D）T。 • 从图中得随着L逾大，输出电流逾平滑。 • 连续模式原理：由于电感电流不能突变，在Toff时序电感内电流未降到0，在Ton时序又以此电流值为基础，电流充磁上升。 • 决定电流大小本质是负载特性反映，LED 是非线性器件，难于简单确立电流。实际电流值是由IC取电流值后用微调D来得到。（ D微小改变，输出电流会大幅变动，上述D几乎保持不变一说即此意）。

26. 有关功率因数 • 在交流电路容性负载或感性负载中，定义电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数。 • 另外，定义电压与电流之间的不重合度也叫做功率因数。 • 造成低功率因素的原因，AC输入整流需要用滤波电解电容，而电容的充电电流与交流波形明显不符合。 • 低功率因素的危害： • 由于无功功率存在，降低了发、供、输电，有效容量。 • 又因为不对称，增加了三相电零线电流。 • 无功功率不计电费，因此较小功率产品，问题不大。

27. 高功率因素驱动 • 一般称功率因素大于0.9，称高功率因素，最低也应大于0.8。 • 因为产生低功率因素原因是由于输入滤波电解电容，所以省略这个电解是高功率因素驱动的主要方法。 • 省略这个电解需要解决问题，1，在整个脉动电压波形里电流的均衡分配，2，需要加大输出滤波电解。 • 高功率因素电路后端滤波电解是并联与LED两端，因充放电不充分使得滤波效果不佳常需要很大容量来解决。 • 既是高功率因素又没有频闪一般只能是高频变换式电路。 • 高压驱动式假如是高功率因素一般有频闪。

28. 有关电磁兼容EMC和安规 • 电磁兼容EMC，主要：1，有传导限制，即驱动对电网影响。2，辐射干扰，无线电波影响。3，抗电网浪涌能力。4，抗静电能力。 • 在驱动电路加入相应措施来解决以上问题： • 1，传导干扰：插入AC输入滤波，由安规电容、共模、差摸电感组成。 • 2，辐射干扰，插入安全电容，输出整流二极管旁路电路、输出电感，金属屏蔽。 • 3，抗电网浪涌，插入压敏电阻、TVS管、放电管。 • 4，抗静电：金属屏蔽、接地、减小阻抗。 • 安规一般指： 对外壳，导线，插头，等的耐电压、绝缘电阻、爬电距离等的安全要求。

29. 可控硅调光驱动 • 可控硅调光驱动也称TRIAC调光，因为用可控硅切去正弦波前沿波形，也称前切调光。（有后切调光的IGBT）。 • 作为led替代白炽灯，在TRIAC调光中也有一定需求。很多IC厂商相继推出可支持TRIAC调光驱动IC。 • 因为太过技术，早期该类IC制成的驱动或多或少有些问题，最近一年推出的IC问题少点，主要是闪光情况明显改善，但是死区、回差、线性、初值等仍有不同程度问题存在。