分析照明用LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯分析照明用LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用-技術(shù)方案1、引言

"低碳生活"（low-carbonlife）就是把生活作息時(shí)間中所耗用的能量盡量減少，從而減低二氧化碳的排放量。低碳生活，對(duì)于普通人來說是一種生活態(tài)度，同時(shí)也成為人們推進(jìn)潮流的新方式。它給我們提出的是一個(gè)"愿不愿意和大家共同創(chuàng)造低碳生活"的問題。但是我們應(yīng)該積極提倡并去實(shí)踐低碳生活，要注意節(jié)電、節(jié)氣、熄燈一小時(shí)…從這些點(diǎn)滴做起。除了植樹，還有人買運(yùn)輸里程很短的商品，有人堅(jiān)持爬樓梯，形形色色，有的很有趣，有的不免有些麻煩。低碳生活可以理解為：減少二氧化碳的排放，就是低能量、低消耗、低開支的生活。但前提是在不降低生活質(zhì)量的情況下，盡其所能的節(jié)能減排。"節(jié)能減排",不僅是當(dāng)今社會(huì)的流行語，更是關(guān)系到人類未來的戰(zhàn)略選擇。提高"節(jié)能減排"意識(shí)，對(duì)自己的生活方式或消費(fèi)習(xí)慣進(jìn)行簡單易行的改變，一起減少溫室氣體（主要減少二氧化碳）排放，意義十分重大。"低碳生活"節(jié)能環(huán)保，有利于減緩氣候變暖和環(huán)境惡化的速度。

2、LED工作原理

要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，首先要掌握其工作原理。LED的亮度主要與VF、IF有關(guān)。LED的伏安特性見圖1,其中VF是LED的正向壓降、IF是正向電流。當(dāng)正向電壓超過閾值（即導(dǎo)通電壓，如圖約1.7V）時(shí)，可近似認(rèn)為IF與VF成正比。由圖可知，LED的IF可達(dá)1A,而VF通常為2V~4V.

圖1:LED的VF與IF的關(guān)系

大功率，指發(fā)光功率大，一般指0.5W,1W3W5W或更高的。光強(qiáng)與流明是比小功率大，但同樣散熱也很大，現(xiàn)在大功率都是單顆應(yīng)用，加很大的散熱片。小功率一般是0.06W左右的?，F(xiàn)在LED手電一般是用小功率用的，光散不散，取決于LED的發(fā)光角度，有大角度小角度之分，小角度不散，大角度才散。市面上的手電筒一般是用草帽頭做的。效果很好?，F(xiàn)在就擔(dān)心有些廠家不重質(zhì)量，拿的次品LED做電筒，用不了多久就有死燈。

LED的亮度是跟LED的發(fā)光角度有必然關(guān)系的，LED的角度越小它的亮度越高，沒有什么超亮不超亮的，那是騙小孩的，如果是質(zhì)量好的LED不管是哪家LED廠家生產(chǎn)的大家的亮度都差不多的，只是生產(chǎn)工藝不一樣，使用壽命略有不同，因?yàn)榇蠹矣玫亩际悄菐准覈獾腖ED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有幾百M(fèi)CD,如果是15度角的亮度就要去到一萬多兩萬MCD的亮度了，亮度相差好幾十倍了，如果是用于照明用的，在戶外是用大功率的LED了，亮度就更高了，單個(gè)功率有1W,3W,5W,還有的是用多個(gè)大功率組合成一個(gè)大功率的LED,功率去到幾百都有。

LED的正向壓降變化范圍比較大（可達(dá)1V以上），而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會(huì)引起IF較大的變化，從而引起亮度的較大變化。但一般的整流電路的輸出電壓隨著電網(wǎng)電壓的波動(dòng)也會(huì)變化，由此可知，采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的特性。因此，LED驅(qū)動(dòng)通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)。

3、LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)

由LED的工作原理知道，要使LED保持的亮度狀態(tài)，需要恒流源來驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)的任務(wù)既要保持恒流特性，還要保持較低的功耗。為了滿足以上要求，通常采用的控制電流的方法有：通過調(diào)節(jié)限流電阻的大小實(shí)現(xiàn)控制電流；通過調(diào)節(jié)限流電阻上的基準(zhǔn)電壓來調(diào)節(jié)電流；PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)電流控制。LED的驅(qū)動(dòng)技術(shù)與開關(guān)電源中應(yīng)用的技術(shù)十分類似，LED驅(qū)動(dòng)電路是一種電源轉(zhuǎn)換電路，但輸出的是恒定電流而非恒定電壓。無論在任何情況下，都要輸出恒定而平均的電流，紋波電流要控制在一定的范圍內(nèi)。

正向壓降（VF）和正向電流的（IF）關(guān)系曲線，由曲線可知，當(dāng)正向電壓超過某個(gè)閾值（約2V），即通常所說的導(dǎo)通電壓之后，可近似認(rèn)為，IF與VF成正比。見表是當(dāng)前主要超高亮LED的電氣特性。由表可知，當(dāng)前超高亮LED的IF可達(dá)1A,而VF通常為2~4V.

由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，光通量（φV）與IF的關(guān)系曲線，因此，采用恒流源驅(qū)動(dòng)可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大（可達(dá)1V以上），而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會(huì)引起較大的，IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以，采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)。

LED的溫度與光通量（φV）關(guān)系曲線，由下圖可知光通量與溫度成反比，85℃時(shí)的光通量是25℃時(shí)的一半，而一40℃時(shí)光輸出是25℃時(shí)的1.8倍。溫度的變化對(duì)LFD的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

⑴限流法

如圖2所示，這是傳統(tǒng)的電路。電網(wǎng)電壓通過降壓、整流、濾波后，通過電阻限流使LED穩(wěn)定工作。這種電路的致命缺點(diǎn)是：電阻R上的功耗直接影響了系統(tǒng)的效率，再加上變壓器損耗，系統(tǒng)效率約50%.當(dāng)電源電壓在±10%的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，流過LED的電流變化將≥25%,LED上的功率變化超過30%.電阻限流的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、成本低、無電磁干擾；但是電流會(huì)隨著VF的變化而改變亮度，效率很低，散熱難。

圖2:限流法

二極管改為空心通直線，電容為平行直線，刪除'+'號(hào)，符號(hào)改為斜體，腳注改為小寫正體

⑵穩(wěn)壓法

圖3是在圖2的基礎(chǔ)上加了一個(gè)集成穩(wěn)壓元件MC7809,使輸出端的電壓基本穩(wěn)定在9V,限流電阻R可用得很小，不會(huì)造成LED的電壓不穩(wěn)。但是，此電路效率還是低。因?yàn)镸C7809和R1上的壓降仍占很大比例，其效率約為40%左右。這就稱不上是節(jié)能照明產(chǎn)品。為了達(dá)到既能使LED穩(wěn)定工作，又能保持高的效率，應(yīng)采用低功耗的限流元件和電路來使系統(tǒng)效率提高。線形穩(wěn)壓法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、外部元件少、效率中等、成本較低。

圖3:穩(wěn)壓法

二極管改為空心通直線，電容為平行直線，刪除'+'號(hào)，符號(hào)改為斜體，腳注改為小寫正體

⑶PWM法

PWM脈寬調(diào)制，即用脈寬調(diào)制的方法，改變LED驅(qū)動(dòng)電流的脈沖占空比來控制光的亮度。是利用簡單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光技術(shù)。使用者只需提供寬、窄不同的數(shù)字脈沖，即可實(shí)現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度。此驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是，通過一個(gè)電感器將能量傳遞給負(fù)載，通常是用一個(gè)PWM控制信號(hào)，對(duì)MOSFET晶體管觸發(fā)導(dǎo)通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)。通過改變PWM的占空比和電感器的充放電時(shí)間，對(duì)輸入電壓和輸出電壓的比率進(jìn)行調(diào)節(jié)。這類電路常見的結(jié)構(gòu)包括降壓、升壓、降壓-升壓等類型。優(yōu)點(diǎn)是高效、穩(wěn)定，但容易產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲，成本高，設(shè)計(jì)復(fù)雜。

圖4:PWM法

上圖的符號(hào)改為斜體

圖4的PWM信號(hào)，經(jīng)過三極管VQ1的基極連接到P溝道MOS管的柵極上。P溝道MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)，采用簡單的NPN三極管驅(qū)動(dòng)放大電路，以改善MOS管的導(dǎo)通過程，減少驅(qū)動(dòng)電源的功率。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)MOS管時(shí)，會(huì)引起被驅(qū)動(dòng)MOS管的快速開通和關(guān)斷，這就可能造成被驅(qū)動(dòng)MOS管漏源極間電壓的振蕩。一則引起射頻干擾，二則有可能造成MOS管遭受過高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問題，需在被驅(qū)動(dòng)MOS管的柵極與驅(qū)動(dòng)電路的輸出之間串聯(lián)一只無感電阻。當(dāng)PWM波輸出高電平時(shí)，三極管VQ1導(dǎo)通，從而使MOS管的柵極電壓低于源極電壓，MOS管的源極和漏極導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮。當(dāng)PWM波輸出低電平時(shí)，VQ1截止，LED熄滅。

4、典型照明LED驅(qū)動(dòng)方案

目前LED市場主要有日本的日亞化學(xué)（Nichia）、豐田合成（ToyodaGosei）、美國Cree公司、歐洲飛利浦（PhilipsLumileds）和歐司朗（Osram）5家掌控。照明LED驅(qū)動(dòng)芯片制造商，國內(nèi)利用較多的有華潤矽威科技和臺(tái)灣點(diǎn)晶科技的產(chǎn)品，國外利用較多的有安森美和美國國家半導(dǎo)體等芯片。

（1）華潤矽威的LED驅(qū)動(dòng)芯片

華潤矽威科技推出的PT4207采用SOP8封裝，是一款高壓降壓式LED驅(qū)動(dòng)控制芯片，能適應(yīng)從18V到450V的輸入電壓范圍，可支持上百個(gè)LED的串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，占空比可達(dá)100%,以保證系統(tǒng)的高效能。內(nèi)置輸入電壓補(bǔ)償功能，極大改善了PT4207在不同輸入電壓下的LED電流穩(wěn)定性。PT4207內(nèi)置一個(gè)350mA開關(guān)，并配備外部MOS開關(guān)驅(qū)動(dòng)端口。對(duì)于350mA以下的應(yīng)用無需外部MOS開關(guān)，對(duì)于高于350mA的應(yīng)用可采用外部MOS管擴(kuò)展電流。LED電流可通過外部電阻設(shè)定。通過多功能調(diào)光DIM管腳，可使用電阻或DC電壓線性調(diào)節(jié)LED電流，也可使用數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行PWM調(diào)光。PT4207具有多種保護(hù)功能，包括負(fù)載短路保護(hù)、開路保護(hù)、過溫度保護(hù)等。適合AC/DCLED日光燈、RGB背光LED驅(qū)動(dòng)、LED環(huán)境裝飾燈等各種應(yīng)用。PT4207的典型應(yīng)用線路如圖5所示。

圖5:LED日光燈驅(qū)動(dòng)芯片PT4207典型應(yīng)用線路

二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號(hào)改為斜體，腳注改為小寫正體

（2）安森美LED驅(qū)動(dòng)芯片

安森美半導(dǎo)體NCL30000是一款的產(chǎn)品，成本低，性能佳。這器件集成了PFC、DC-DC轉(zhuǎn)換和LED驅(qū)動(dòng)器，簡單易用，其小型SOIC封裝也有利于小巧設(shè)計(jì)和低成本。NCL30000采用緊湊型的8引腳表面貼裝封裝，使用臨界導(dǎo)電模式反激架構(gòu)，以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在寬AC輸入電壓范圍內(nèi)提供大于0.95的高功率因數(shù)。典型應(yīng)用包括LED驅(qū)動(dòng)器電源、LED嵌燈、三端雙向可控硅開關(guān)組件（TRIAC）可調(diào)光LED燈及功率因數(shù)校正恒壓電源。其典型應(yīng)用原理圖如圖6所示。

圖6:NCL30000典型應(yīng)用原理圖

二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號(hào)改為斜體，腳注改為小寫正體

（3）美國國家半導(dǎo)體LED驅(qū)動(dòng)芯片

恒流降壓型，Vin范圍：LM34053V-15V/LM3405A3V-22V;基準(zhǔn)電流源：200mV;工作頻率：0.550/1.6MHZ;PWM調(diào)光。典型應(yīng)用為：家用照明、路燈、廣告裝飾等。LM3405典型應(yīng)用原理圖見圖7.

圖7:LM3405典型應(yīng)用原理圖

二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號(hào)改為斜體，腳注改為小寫正體

（4）臺(tái)灣點(diǎn)晶科技LED驅(qū)動(dòng)芯片

DM413是全彩驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)置灰度產(chǎn)生器，采用PWM脈寬調(diào)制方式。專為LED照明、裝飾、大屏顯示等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。恒流輸出：100mA;輸出承受電壓：17V;串行時(shí)鐘頻率：20MHz;芯片工作電壓：3.3V--5.5V.DM413具有若干信號(hào)輸入輸出引腳及多個(gè)功能設(shè)定引腳。信號(hào)通過輸入接口給DM413相應(yīng)的輸入引腳。3個(gè)輸出引腳用于連接LED,可分配給R,G,B三個(gè)顏色，同一個(gè)輸出引腳接相同顏色的LED,根據(jù)配色需要，每個(gè)輸出引腳可接一個(gè)或多個(gè)LED.控制器輸出接口具有三條信號(hào)線：一條串行數(shù)據(jù)輸出線，一條時(shí)鐘信號(hào)輸出線及一條鎖存信號(hào)線。這三條線分別接到驅(qū)動(dòng)芯片相應(yīng)的3個(gè)引腳上。和一般的串行移位機(jī)制相同，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，串行數(shù)據(jù)在驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部移位寄存。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送接收完畢，控制器向驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送鎖存信號(hào)，使LED驅(qū)動(dòng)芯片鎖存已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，同時(shí)會(huì)根據(jù)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。該方式控制LED以人眼分辨不出的高頻率快速亮滅，根據(jù)芯片所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)設(shè)定亮和滅所占的比例，即實(shí)現(xiàn)灰度級(jí)別的控制。DM413的典型應(yīng)用原理圖見圖8.

圖8:DM413典型應(yīng)用原理圖

二極管改為空心通直線，電阻為長方形，符號(hào)改為斜體，腳注改為小