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LED照明設計之驅動的選擇與設計技巧

2013-12-16 10:01:12點擊:

LED照明設計之驅動的選擇與設計技巧

LED照明設計之驅動的選擇與設計技巧


  LED的排列方式及LED光源的規范決定著基本的驅動器要求。LED驅動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED的電流,而無論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅動器基本的工作電路示意圖如圖1所示,其中所謂的“隔離”表示交流線路電壓與LED(即輸入與輸出)之間沒有物理上的電氣連接,最常用的是采用變壓器來電氣隔離,而“非隔離”則沒有采用高頻變壓器來電氣隔離。

  如何選擇LED驅動方式

  如今在市場上典型的LED驅動器包括兩類,即線性驅動器和開關驅動器;大概的適用范圍見圖2.如電流大于500mA的大電流應用采用開關穩壓器,因為線性驅動器限于自身結構原因,無法提供這樣大的電流;而在電流低于200mA的低電流應用中,通常采用線性穩壓器或分離穩壓器;而在200至500mA的中等電流應用中,既可以采用線性穩壓器,也可以采用開關穩壓器。

  開關穩壓器的能效高,且提供極佳的亮度控制。線性穩壓器結構比較簡單,易于設計,提供穩流及過流保護,且沒有電磁兼容性(EMC)問題。

  在低電流LED應用中,電阻型驅動器盡管成本較低且結構簡單,但這種驅動器在低電壓條件下,正向電流較低,會導致LED亮度不足,且在負載突降等瞬態條件下,LED可能受損;并且電阻是耗能元件,整個方案的能效較低,見圖2。

  例如在采用DC-DC電源的LED照明應用中,可以采用的LED驅動方式有電阻型、線性穩壓器及開關穩壓器等,基本的應用示意圖見圖3。

  電阻型驅動方式中,調整與LED串聯的電流檢測電阻即可控制LED的正向電流,這種驅動方式易于設計、成本低,且沒有電磁兼容(EMC)問題,劣勢是依賴于電壓、需要篩選(binning)LED,且能效較低。

  線性穩壓器同樣易于設計且沒有EMC問題,還支持電流穩流及過流保護(foldback),且提供外部電流設定點,不足在于功率耗散問題,及輸入電壓要始終高于正向電壓,且能效不高。開關穩壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關(FET)的開和關,進而控制電流的流動。

  開關穩壓器具有更高的能效,與電壓無關,且能控制亮度,不足則是成本相對較高,復雜度也更高,且存在電磁干擾(EMI)問題。LEDDC-DC開關穩壓器常見的拓撲結構包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉換器(SEPIC)等不同類型。

  其中,所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED串最大電壓時采用降壓結構,如采用24Vdc驅動6顆串聯的LED;與之相反,所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時采用升壓結構,如采用12Vdc驅動6顆串聯的LED;而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC結構,如采用12Vdc或12Vac驅動4顆串聯的LED,但這種結構的成本及能效最不理想。

  LED驅動設計5大技巧要領

  1、芯片發熱

  這主要針對內置電源調制器的高壓驅動芯片。假如芯片消耗的電流為2mA,300V的電壓加在芯片上面,芯片的功耗為0.6W,當然會引起芯片的發熱。驅動芯片的最大電流來自于驅動功率mos管的消耗,簡單的計算公式為I=cvf(考慮充電的電阻效益,實際I=2cvf,其中c為功率MOS管的cgs電容,v為功率管導通時的gate電壓,所以為了降低芯片的功耗,必須想辦法降低c、v和f.如果c、v和f不能改變,那么請想辦法將芯片的功耗分到芯片外的器件,注意不要引入額外的功耗。再簡單一點,就是考慮更好的散熱吧。

  2、功率管發熱

  功率管的功耗分成兩部分,開關損耗和導通損耗。要注意,大多數場合特別是LED市電驅動應用,開關損害要遠大于導通損耗。開關損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅動能力和工作頻率有關,所以要解決功率管的發熱可以從以下幾個方面解決:

  A、不能片面根據導通電阻大小來選擇MOS功率管,因為內阻越小,cgs和cgd電容越大。如1N60的cgs為250pF左右,2N60的cgs為350pF左右,5N60的cgs為1200pF左右,差別太大了,選擇功率管時,夠用就可以了。

  B、剩下的就是頻率和芯片驅動能力了,這里只談頻率的影響。頻率與導通損耗也成正比,所以功率管發熱時,首先要想想是不是頻率選擇的有點高。想辦法降低頻率吧!不過要注意,當頻率降低時,為了得到相同的負載能力,峰值電流必然要變大或者電感也變大,這都有可能導致電感進入飽和區域。如果電感飽和電流夠大,可以考慮將CCM(連續電流模式)改變成DCM(非連續電流模式),這樣就需要增加一個負載電容了。

  3、工作頻率降頻

  這個也是用戶在調試過程中比較常見的現象,降頻主要由兩個方面導致。輸入電壓和負載電壓的比例小、系統干擾大。對于前者,注意不要將負載電壓設置的太高,雖然負載電壓高,效率會高點。

  對于后者,可以嘗試以下幾個方面:

  a、將最小電流設置的再小點;

  b、布線干凈點,特別是sense這個關鍵路徑;

  c、將電感選擇的小點或者選用閉合磁路的電感;

  d、加RC低通濾波吧,這個影響有點不好,C的一致性不好,偏差有點大,不過對于照明來說應該夠了。無論如何降頻沒有好處,只有壞處,所以一定要解決。

  4、電感或者變壓器的選擇

  很多用戶反應,相同的驅動電路,用a生產的電感沒有問題,用b生產的電感電流就變小了。遇到這種情況,要看看電感電流波形。有的工程師沒有注意到這個現象,直接調節sense電阻或者工作頻率達到需要的電流,這樣做可能會嚴重影響LED的使用壽命。所以說,在設計前,合理的計算是必須的,如果理論計算的參數和調試參數差的有點遠,要考慮是否降頻和變壓器是否飽和。變壓器飽和時,L會變小,導致傳輸delay引起的峰值電流增量急劇上升,那么LED的峰值電流也跟著增加。在平均電流不變的前提下,只能看著光衰了。

  5、LED電流大小

  我們都知道LEDripple過大的話,LED壽命會受到影響。對于LEDripple過高影響有多大,一些LED廠表示30%以內都可以接受,不過后來沒有經過驗證。建議還是盡量控制小點。如果散熱解決的不好的話,LED一定要降額使用。也希望有專家能給個具體指標,要不然影響LED的推廣。

  針對本文,相信你會覺得LED驅動設計并不難,一定要做到心中有數,只要做到調試前計算,調試時測量,調試后老化,相信我們都可以輕松搞LED了。

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