LED電源設(shè)計(jì)PPT課件

1、LED電源設(shè)計(jì),Content,LED應(yīng)用簡介 LED電源設(shè)計(jì)方法 恒流供電設(shè)計(jì)原理分析 分比式架構(gòu)分析 典型電路分析 設(shè)計(jì)實(shí)例,LED應(yīng)用簡介,VI 芯片元件,高效率 LED的應(yīng)用,LED 的技術(shù)走向 更高效,Cree, APEC 2007,光源效率趨勢,實(shí)驗(yàn)室最佳,量產(chǎn)最佳,光度 (流明/瓦),LED 的優(yōu)勢,相比于現(xiàn)有照明技術(shù)，例如燈泡，光管，高強(qiáng)度放電 (HID) 等等，LED 有以下優(yōu)勢: 省電 細(xì)小 高可靠性、耐用 (50,000小時(shí)，一般燈泡只有約1,000小時(shí)) 適合惡劣環(huán)境應(yīng)用 快速起動，可高速調(diào)節(jié)光暗 顏色純度高 不含有害物質(zhì),LED電源設(shè)計(jì)方法介紹,VI 芯片元件,LED

2、 普及要解決的問題,LED全面應(yīng)用于所有照明方案，還需要解決以下問題: 成本 用RGB組成白光時(shí)，溫度和老化而形成的色彩偏差 電源驅(qū)動設(shè)計(jì)方案,本課程內(nèi)容,LED 的工作原理,正向偏壓使電流通過而發(fā)光 LED 的主要電氣參數(shù)為VF 及 IF 不同材料 (顏色)構(gòu)成的LED有不同VF值 光度則與IF成正比，但各型號均有最大值 其他參數(shù)為亮度、波長、發(fā)光角度、效率及功耗等,LED本身為發(fā)光二極管，有P-N結(jié)的電氣特性,LED伏安特性,LED伏安特性是非線性的，很小的電壓變化就會引起很大的電流變化。 可以看出，電源電壓的10%的變化（3.4V-3.1V），就會引起正向電流的3.5倍的變化（從350m

3、A變到100mA）。 電源電壓在3.3V時(shí)正向電流為20mA的LED，如果用3節(jié)干電池供電，新的電池電壓超過1.5V，3節(jié)就是4.5V，LED的電流就會超過100mA，很快就會燒壞。,LED伏安特性的溫度特性,伏安特性-負(fù)溫度系數(shù),溫度系數(shù)通常是-2mV/。即隨溫度的升高，其伏安特性左移。 大功率LED芯片，由于功率大，散熱不容易，溫升問題嚴(yán)重。,假定采用3.3V恒壓源常溫下工作在20mA，而溫度升高到85時(shí)，電流就會增加到3537mA，但其亮度并不增加。電流增加只會使它的溫升更高，這樣就會增加光衰，降低壽命。,LED電源驅(qū)動方案（1）,恒壓供電 : 電源的輸出電壓需高于LED的總壓降，并能提

4、供足夠的電流(功率) 優(yōu)點(diǎn)是簡單，設(shè)計(jì)容易 由于LED的 IF 對 VF 的變化極敏感，必須要以電阻設(shè)定工作電流 但電阻將限制LED串列的數(shù)量，及做成不必要功耗,LED電源驅(qū)動方案（2）,恒流電源 : 最理想的驅(qū)動方式，恒定電流亦使光度穩(wěn)定 沒有串聯(lián)電阻引致的功耗 成本相對較高，需建另外設(shè)計(jì)恒流控制電路 電源的恒流輸出電壓需高于LED 的總壓降,恒壓源加電阻,負(fù)載線，斜率 = 1/R,恒流源,負(fù)載線，斜率 = 1/R = ,思考,用恒壓電源以后能不能靠串聯(lián)電阻來穩(wěn)定電流？ 幾個(gè)LED并聯(lián)，能不能用恒壓電源？ 多個(gè)LED并聯(lián)后，采用恒壓電源供電，能不能用不同的串聯(lián)電阻來使電流平衡？ N個(gè)LED串

5、聯(lián)后，假如用恒壓電源供電，其溫度效應(yīng)（由溫升而引起的電流增加）將會擴(kuò)大N倍， 這是因?yàn)樗蠰ED串聯(lián)以后相當(dāng)于各個(gè)LED的伏安特性沿電壓軸串聯(lián) 綜上所述，給LED供電，要采用恒流電源供電，電流恒定以后，不管溫度怎么變化，伏安特性如何左移，電流都不變！結(jié)溫也就不會惡性循環(huán)了！,恒流供電設(shè)計(jì)原理分析,VI 芯片元件,恒流供電LED電源設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題,高可靠性 高效率 高功率因素 浪涌保護(hù) 保護(hù)功能 （在恒流輸出增加溫度負(fù)反饋） 防護(hù)方面 (物理部分） 驅(qū)動電源的壽命要與LED的壽命相適配 EMI/EMC,目前LED均采用恒流供電，因此在市電與LED之間需要加一個(gè)電源適配器即LED驅(qū)動電源。它的功

6、能是把交流市電轉(zhuǎn)換成合適LED的直流電。根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED的驅(qū)動特性要求，在選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動電源時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)：,LED電源驅(qū)動方案,除傳統(tǒng)DC-DC磚式及配置式電產(chǎn)品外，現(xiàn)有的趨勢是利用新型集成電路芯片設(shè)計(jì)高效及高功率密度的LED電源方案。,傳統(tǒng) DC-DC磚式轉(zhuǎn)換器架構(gòu),Regulation = 穩(wěn)壓 穩(wěn)定這兩點(diǎn)的輸出電壓,Transformation = 轉(zhuǎn)換 把電壓從一形式轉(zhuǎn)為另一形式(在這里，是把DC轉(zhuǎn)變?yōu)锳C),Isolation = 電氣隔離,DC-DC方塊圖,現(xiàn)在主流的電源設(shè)計(jì)架構(gòu),PRM = 預(yù)穩(wěn)壓模塊 只負(fù)責(zé)穩(wěn)壓工作 (Regulation),VTM =電壓

7、轉(zhuǎn)換模塊 只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換及隔離 (Isolation & Transformation),Regulation = 穩(wěn)定這兩點(diǎn)的輸出電壓,Transformation = 轉(zhuǎn)換 即把一電壓轉(zhuǎn)為另一電壓(簡單的說，可視為升壓或降壓，但實(shí)際上還把DC轉(zhuǎn)變?yōu)锳C及后又還原為DC),Isolation =電氣隔離,相應(yīng)的LED電源設(shè)計(jì)方案,把傳統(tǒng)的DC-DC功能分為2個(gè)部分，從而對每一功能作出優(yōu)化，達(dá)至以下的優(yōu)點(diǎn): 分開功率轉(zhuǎn)換級別:穩(wěn)壓及電壓轉(zhuǎn)變 降低系統(tǒng)分布損耗 減少DC-DC轉(zhuǎn)換路徑上重復(fù)的功能 降低負(fù)載點(diǎn)功耗而增加系統(tǒng)效率 并非折衷的改良而是全新的功率分布調(diào)配 靈活的部件 適合DC-DC轉(zhuǎn)換的細(xì)小

8、高效能組件 提供重要優(yōu)勢 高功率密度 (體積及重量) 效率高 設(shè)計(jì)上靈活 速度(快速響應(yīng)),66,分比式架構(gòu)分析,VI 芯片元件,預(yù)穩(wěn)壓模塊 (PRM),零電壓開關(guān)升 / 降壓拓樸及控制技術(shù) 高頻開關(guān) (1 MHz),采用零電壓開關(guān)升 / 降壓拓樸,初級升 / 降壓控制,預(yù)穩(wěn)壓模塊 (PRM)-典型參數(shù)（Vicor）,特點(diǎn) 功率達(dá) 320W 面積只有 7.1cm2 或 1.1in2 功率密度 60W/cm3 (1,100W/in3) 效率達(dá) 97% (于300W 負(fù)載時(shí) ) 輸入: 24V (18-36V): 30V (18-60V): 48V (38-55V 或 36-75V) 輸出:穩(wěn)壓

9、(26-55V) VTM,電壓轉(zhuǎn)換模塊 (VTM),專利正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 零電流、零電壓， 1 MHz 開關(guān)頻率,拓樸,P = 功率變壓器 D = 驅(qū)動變壓器,電壓轉(zhuǎn)換模塊 (VTM),隔離 有如直流變壓器 具電流倍增及電壓降幅能力 V048 系列 輸入:26 55 Vdc (源自PRM 的分比母線 ) 輸出:0.8 55 Vdc 輸出電流:3 100 A 穩(wěn)壓:1% (與PRM一起應(yīng)用自適環(huán)模式) 效率:達(dá) 96%,特點(diǎn),PRM 及 VTM 型號,PRM,VTM,從輸入規(guī)格選擇 PRM 型號,從輸入規(guī)格選擇 VTM 型號,DC-DC 轉(zhuǎn)換,穩(wěn)壓= PRM (預(yù)穩(wěn)壓) + VTM (

10、變壓隔離) 48VIN (或 24VIN)至 0.8 - 55VOUT,負(fù)載,分比式功率架構(gòu)的優(yōu)勢,使用2片VI芯片從48V直接到負(fù)載而達(dá)100A PRM可遠(yuǎn)程置放 使母板負(fù)載處省卻大量空間 負(fù)載處功耗較小 把負(fù)載點(diǎn)電容器移到VTM的輸入 減低電容量 1/k2 倍 額外空間及成本減省,提供靈活配置,效率高達(dá)97% PRM 97%+ VTM 96%+ (5VOUT) VTM 90%+ (1.1VOUT) 效率高 = 所需氣流或散熱片體積較細(xì)小,高效率,PRM: 高帶寬控制回路 VTM: 低阻抗、1MHz 負(fù)載點(diǎn)電流倍大,PRM+VTM 輸入48V, 輸出1.2V, 0-100A, 800A/s

11、負(fù)載步跳, 220F 輸出電容下沖小于 30mV,速度,VTM 低輸出紋波,1.5V VTM 輸出紋波 100A負(fù)載, 沒有輸出電容,CH1: Vout 50mV/div Timebase: 500ns,V: 100mV,1/t: 2.9MHz,1.5V VTM 輸出紋波 100A 負(fù)載, 帶100F陶瓷電容,V: 14mV,CH1: Vout 20mV/div Timebase: 500ns,PRM + VTM 低輸出紋波,滿載，標(biāo)稱輸入電壓及帶 80 F 輸出電容,更多的組合,完整的 DC-DC 方案,負(fù)載,源,采用 PRM 及 VTM,PRM,分比母線,Vf,寬輸入母線,負(fù)載,PRM 調(diào)

12、控分比母線電壓 (VF) 達(dá)至 VTM 輸出穩(wěn)壓 VTM 轉(zhuǎn)換電壓及隔離負(fù)載 效果: 高效能分布，穩(wěn)壓，轉(zhuǎn)換及隔離,PRM 及 VTM反饋方式,VTM,PRM + 2x VTM = 200A (只需3片 VI 芯片),VTM 并聯(lián)極為簡單, 無需變更自適環(huán)元件的數(shù)值 可用 2 片 VTM 便達(dá)至 200A 輸出(低壓 ),可達(dá)至 1kW 或以上 可參考并聯(lián) PRM 的應(yīng)用筆記,PRM / VTM 并聯(lián)陣列,PRM 可驅(qū)動 2片VTM 自適環(huán)可達(dá)至 1% 調(diào)整率 可輕易達(dá)至 100V、隔離及穩(wěn)壓的輸出,PRM+VTM輸出串聯(lián)，只需3片芯片就可達(dá)至100V,PRM + 多片 VTM = 多路輸出,

13、PRM設(shè)定為本地環(huán)模式 因此，各VTM 的輸入電壓均相同 可達(dá)至 2.5% 穩(wěn)壓 (滿載時(shí)，輕載的調(diào)整率更佳) 單一PRM可驅(qū)動2片VTM，或可外加電路以驅(qū)動更多VTM,PRM = 非隔離的穩(wěn)壓器,PRM + VTM 恒電流電源,PRM可在非常準(zhǔn)確的控制做成恒流源(設(shè)定的1%內(nèi)) 電路是兼容所有 PRM 電路也可配合所有 VTM 在整個(gè)輸出電壓范圍內(nèi)均可恒電流輸出 可驅(qū)動所有標(biāo)準(zhǔn)的 LED (3V, 4V, 5-55V 系列),應(yīng)用 VI 芯片在固態(tài)照明 (LED),PRM + VTMs,24V, 綠光 (24V VTM),14V, 黃光(16V VTM),6V, 藍(lán)光 (6V VTM),48

14、Vin PRM,PRM 作為恒流源的原理,主要的外加恒流控制電路,LED陣列,3 55V 輸出,PRM 作為恒流源的原理,用小型的分流器測量PRM 的輸出電流 以差動放大器把電流放大，與參考電壓比較 再反饋遺誤差信號至 PRM 的 SC 埠以控制 PRM 的實(shí)際輸出，達(dá)至 VTM 輸出電流穩(wěn)定,控制 PRM 電流的優(yōu)點(diǎn),只需控制 PRM 低電流（少于5A），再利用 VTM 的電流倍增能力，即可控制高達(dá) 100A 負(fù)載電流 由于是低電流，用小的分流器便可，功耗亦相對減少 感應(yīng) PRM 的電流，更可保持電氣隔離 設(shè)計(jì)電路可適用于不同的 VTM 型號，即不同的 LED 陣列 用兩片芯片便可達(dá)至 30

15、0W 功率,PRM 恒流源的準(zhǔn)確度測試,PRM IOUT 誤差少于 0.3% PRM + VTM IOUT 誤差少于 1.3%,輸出電流準(zhǔn)確性 單 PRM, 48V 恒壓負(fù)載,預(yù)計(jì) 實(shí)際量度結(jié)果,輸出電流 (A),測量電流 (A),功率 光,22,500 流明,325W,300W,92%,PRM+VTM 功率 = 300W 功率密度 = 30 W/cm3 效率 = 92% 每個(gè)電路功耗 = 1.2W / 1,000 流明 假設(shè)每 1W LED有75流明 發(fā)放1,000流明約需14W的 LED 功耗,PRM VTM 作為恒流源的示范,以下 示范如何用 PRM-CC 及VTM 的評估板組合成一恒流

16、電源 片中以Lumileds 的 Luxeon Flood LED 模塊作負(fù)載，其標(biāo)稱規(guī)格為VF = 21V, IF = 1.05A,母線轉(zhuǎn)換模塊 (BCM),特點(diǎn),隔離、但非穩(wěn)壓 具電流倍增及電壓降幅能力 正絃振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 零電流、零電壓， 1 MHz 開關(guān)頻率 驅(qū)動 niPOL 或 VRM 的理想元件 性能表現(xiàn) 功率達(dá) 300W，封裝面積只有 7.1 cm2 (1.1 in2) 功率密度 60W/cm3 (1000W/in3) 效率 95% 48V輸入型號 (通訊及數(shù)據(jù)系統(tǒng)用) 輸入: 48V (38-55V) 輸出 : 1.5 - 55V 高壓輸入型號 (350V 分布式電源,

17、 380V 功率因數(shù)校正) 輸入 : 350V 或 380V 輸出 : 10 13V,P = 功率變壓器 D = 驅(qū)動變壓器,BCM 型號,BCM,a Vin=38 53 Vdc,以BCM 作 DC-DC 轉(zhuǎn)換,48VIN 至 1.5 - 48VOUT 352VIN 至 11VOUT 或 44VOUT 384VIN 至 12VOUT 或 48VOUT,或,負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓IC,采用 BCM 作母線轉(zhuǎn)換,BCM 可用作驅(qū)動市場上大量廉價(jià)的 niPOLs 達(dá)至多路低壓輸出 niPOL 的輸入電容可整合至 BCM 的輸入端，達(dá)至節(jié)省成本及空間效果,L,niPOL,L,niPOL,L,niPOL,L,niP

18、OL,負(fù)載,源,負(fù)載,負(fù)載,負(fù)載,BCM 評估板,以 BCM 作為中轉(zhuǎn)電壓驅(qū)動 LED,BCM 可提供低壓母線以驅(qū)動市場上大量廉價(jià)的 LED 驅(qū)動芯片 BCM 的隔離及安全低壓輸出，達(dá)至節(jié)省成本及空間效果,LED陣列,DC 輸入,LED陣列,LED陣列,LED陣列,1/16 磚 輸出達(dá) 300W 效率達(dá) 96%,以 BCM 作為中轉(zhuǎn)電壓驅(qū)動 LED,384V,AC V,例如 Vicor FE375-1 (2,200W),HV BCM,12V,LED驅(qū)動芯片,LED驅(qū)動芯片,LED陣列,LED驅(qū)動芯片,帶PFC AC-DC,或,其它,1/16 磚 輸出達(dá) 300W 效率達(dá) 95%,應(yīng)用例子: 大

19、屏幕電視,以 LED 作 LCD 背光 客戶應(yīng)用多個(gè) 48V 轉(zhuǎn) 4V (200W) 的BCM 驅(qū)動 LED 控制板 未用 BCM 方案前需以5.5V 分布 500A至多塊LED電路板 改用 BCM 后只需以 48V分布 20A 至多塊LED電路板,BCM 的應(yīng)用示范,稍后會有一個(gè)錄像示范如何用 BCM 去驅(qū)動 LED 陣列 片中以 LED 標(biāo)稱規(guī)格為 VF = 9V, IF = 1.4A,EMI 濾波,高頻濾波組件是細(xì)小的 高壓、濾波組件是低電流 的設(shè)計(jì),B384F120T30,EMI,沒有濾波,濾波后 (使用前頁的電感),共?；ハ嗟窒档?EMI 高頻噪聲只需細(xì)小濾波組件,QPI 系列,*

20、 可并聯(lián),可衰減150kHz 30MHz 共模 (CM) 及差模 (DM)傳導(dǎo)噪聲，符合EN55022-B級要求 有48V/60V 及 24V/28V輸入電壓 內(nèi)獨(dú)有有源濾波電路，達(dá)至優(yōu)越衰減表現(xiàn)、高效率、體積小及纖薄,適用的有源濾波器,QPI-12 典型應(yīng)用,適用的有源濾波器,QPI-12 濾波器 額定電流7A 效率達(dá) 99%,QPI-10 濾波及熱插拔功能 帶 6A 斷路器及 12A 延遲限流器 符合 ATCA PICMG 3.0 規(guī)格及EN55022-B級 效率達(dá) 99%,QPI-10 典型 ATCA 應(yīng)用,12.5 x 25mm LGA封裝,25 x 25mm LGA封裝,QPI-12

21、 衰減曲線,QPI-12 + PRM + VTM 的傳導(dǎo)噪聲表現(xiàn),QPI-12 + BCM 的傳導(dǎo)噪聲表現(xiàn),QPI-12 表現(xiàn),EN55022 B級,EN55022 B級,共模噪聲衰減 40dB 1MHz 差模噪聲衰減 70dB 1MHz,QPI-12 輸入 EMI 濾波,QPI-10 表現(xiàn),QPI-10 衰減曲線,QPI-10 + VI 芯片的傳導(dǎo)噪聲表現(xiàn),EN55022 B級,QPI-10帶熱插拔功能輸入 EMI 濾波,共模噪聲衰減 40dB 1MHz 差模噪聲衰減 70dB 1MHz,M-FIAM7,符合 Mil-Std-461E 傳導(dǎo)噪聲要求 符合 Mil-Std-1275A/B/D、Mil-Std-704A-F， 及 DO-160E 輸入瞬變要求 符合 Mil-Std-810， Mil-Std-202 環(huán)境工作要求 輸入浪涌限流 輸入反向保護(hù) “半磚” 封裝,適用濾波器,總結(jié),如何設(shè)計(jì)具備體積小，功率密度高，效率高，瞬變響應(yīng)快，及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)的LED電源？ 分比式功率架構(gòu)容許靈活配置芯片及優(yōu)化功率傳輸。 簡單的控制電路即可把 PRM 設(shè)置成恒流電源，可推動大功率 LED 陣列。 BCM 則可作為中轉(zhuǎn)架構(gòu)的橋梁，提