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xx大学学士学位论文 大功率LED驱动电源研究摘要大功率LED以其高效、节能、环保、寿命长、可靠性高等优点正在逐渐取代传统的白炽灯、荧光灯成为新一代照明光源。随着大功率照明LED性能的提高及生产成本的降低，其应用领域正由屏幕背光源以及一些对亮度要求不高的景观照明领域向普通白光照明领域扩展。与此同时，与功率型LED配套的驱动集成电路的研发也由于功率型LED逐渐得到广泛的应用而迅速的发展。本文结合大功率LED的特性及对现有驱动电路的分析比较，研究制定基于恒流驱动方式的大功率LED驱动电源设计方法。根据现有大功率LED路灯的功率资料，提出了大功率LED路灯的设计方案，并设计出相应的驱动电路。该驱动电路配有线性调光功能，可根据需要，对外部部件参数进行修改，达到调光的功能，并可根据外部电路的变化，驱动不同功率的路灯，实现了驱动电路的多功能性，使用简单、方便。目前，大功率LED照明技术日趋成熟，大功率LED光源功效已经达到100lm/W以上，这使得城市路灯照明节能改造成为可能。LED路灯，特别是大功率LED路灯，正以迅猛的速度冲击传统的路灯市场。而相对大功率LED路灯应用中的驱动电路也正如雨后春笋般萌发。关键词大功率LED；道路照明；驱动电源High-Power LED Driver Power Research AbstractThe high efficiency LED lighting is gradually replacing incandescent and fluorescent lighting due to its unique attributes such as high efficiency, low energy consumption, low pollution, long life and high reliability. As the quality of power LED improves and the cost of power LED reduces, its application field has gradually turned from signal lighting and display lighting to general room lighting. Along with the development of power LED, the research of its driving IC has also been greatly accelerated.This article unifies the characteristic of LED and the existing driving circuits analytical study, summarizes that uses constant current drive type drive high efficiency LED is the most ideal way. According to the existing data of high efficiency LED Street lights power, proposed the high efficiency LED street lights design proposal, and designs the corresponding driving circuit. This driving circuit has the linear dimming function, which can be to regulate an external resistor to achieve dimming function, may according to the need, adjust an exterior resistance, achieves dimming function, and according to the exterior electric circuits change,driving different power street light, realized driving circuits multi-purpose, the use has been simple and convenient. At present，the high efficiency LED lighting techniques are day by day mature, high-power LED light source has reached the efficacy of 100lm / W or more, which makes energy-saving city street lighting possible. LED street lamps, especially high-power LED street lamps, is the rapid speed of the impact of the traditional street market. And relatively high-power LED street lighting applications, as the drive circuit is also mushroomed germination.Keywords High Efficiency LED；Street Light ；Driving Power不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II - -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 照明技术的发展与LED新光源11.2.1 照明技术的发展11.2.2 半导体照明技术的发展21.2.3 大功率照明LED的主要性能31.3 大功率LED照明技术发展情况41.3.1 国外大功率LED照明技术发展情况41.3.2 国内大功率LED照明技术发展情况51.3.3 大功率LED照明发展趋势51.4 论文研究内容7第2章 大功率LED光电特性及控制方式92.1 大功率LED的特性92.1.1 大功率LED伏安特性92.1.2 大功率LED光电特性102.1.3 大功率LED色温与光效特性102.2 大功率LED驱动电源设计原则112.2.1 基于大功率LED特性的设计原则112.2.2 基于电源效率的设计原则122.3 大功率LED驱动控制电路的分类132.3.1 简单驱动电路132.3.2 恒压驱动电路142.3.3 恒流驱动电路152.3.4 PWM调制驱动控制电路152.4 本章小结17第3章 控制驱动芯片的设计选型183.1 常用大功率LED的恒流驱动芯片183.2 芯片的选定183.2.1 单芯片构成的驱动电源183.2.2 多芯片构成的驱动电源193.2.3 芯片的选择193.3 PT4107恒流驱动控制芯片介绍193.3.1 PT4107基本性能203.3.2 PT4107管脚配置203.3.3 PT4107工作参数213.4 本章小结21第4章 基于PT4107大功率LED驱动电源的设计224.1 驱动电路总体设计224.1.1 系统构成224.1.2 整流模块224.1.3 驱动控制模块234.2 简单并联形式驱动电路254.3 具有保护隔离的并联形式驱动电路254.4 单元化形式的驱动电路264.5 设计电路的参数设定274.5.1 确定开关频率284.5.2 选择输入整流桥（D1）和热敏电阻NTC284.5.3 输入电容的选择（C1和C2）294.5.4 输出电感的选择304.5.5 开关MOSSFET管（Q11）和续流二极管的选择304.5.6 LED限流电阻的选择（R13）304.5.7 VDD限流电阻（R11）和保持电容（C13）的选择314.5.8 热敏电阻RT11的选择314.6 本章小节31结论32致谢33参考文献34附录A35附录B40千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景随着LED光效及总体发光量的不断提高，大功率LED照明在普通照明方面的市场也得到不断拓展，相应的电源驱动产品也随市场的升温如雨后春笋般萌发。2009年，抛开金融危机对世界经济的影响，欧美等国际市场对大功率LED电源的需求量还是很大，受金融危机影响较小。作为LED整体产品考虑，LED芯片本身的优越性如节能、寿命长、绿色环保等还要搭配后端驱动电源才能实现，LED自身要求直流供电即实现AC-DC的转换；色彩、亮度的变换即驱动电源提供调节功能等。随着LED应用的不断深入，人们逐渐认识到其后端驱动电源的重要性。怎样更好地使驱动电源和LED相匹配，既是LED生产厂家也是LED驱动电源厂家亟待解决的问题。一块好的LED灯芯，选择怎样的一款驱动电源才能达到理想的应用效果，以及一款好的驱动电源方案，究竟适合在怎样的场合应用，不同的LED芯片结构形式，对其电源驱动方式会有怎样的要求及不同的电源驱动方式又会对LED芯片本身造成怎样的影响等问题，都切实地摆在人们的面前。本文在大量调研的基础上，选取市场上主流芯片及电源驱动方式进行了大量的实验研究工作。最终设计出可用于LED照明用的大功率LED驱动电源。该专用电源系统具有一定的控制功能，可实现输出功率的实时控制。实现功率电源的程序化管理和半导体照明电源的节能控制技术。作为LED照明系统的重要组成部分，在大功率LED日益成为市场主流的今天，它将有很好的推广应用前景。2008年中国LED恒流源驱动芯片市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励LED恒流源驱动芯片产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目逐渐增多。投资者对LED恒流驱动芯片行业的关注越来越密切，这使得LED恒流驱动芯片行业的发展需求增大。 虽然大功率LED现在还不能大规模取代传统的白炽灯，但它们在室内外装饰、特种照明方面有着越来越广泛的应用，因此掌握大功率LED恒流源驱动器的设计技术，对于开拓大功率LED的新应用至关重要。大功率LED在北京奥运会上的大量应用，表明LED照明技术在电子和照明行业的发展前景是非常广阔的。 1.2 照明技术的发展与LED新光源1.2.1 照明技术的发展纵观人类照明史的发展，主要经历了火光照明、白炽灯照明、荧光灯照明三大阶段。最近兴起的半导体固体照明被认为是继荧光灯照明之后，人类照明史上的又一次历史性飞跃。从本质上讲，照明史的发展就是人类不断提高照明效率的过程。最初的火光照明采用燃烧化学燃料的方法来获得人类所需的光源。但由于火光的大部分光谱位于可见光光谱的范围之外，而且燃烧产生的90%的能量均转化成了热能，因此火光照明的效率非常低。加上化学燃料的燃烧经常伴随着对环境有污染的气体的产生，人们便开始了寻找和开发发光效率更高的照明器件的历程。白炽灯的发明是人类照明史上的一次重大飞跃。首先，它摒弃了传统的化学燃料，而采用电能作为发光驱动能源，因此具有无污染、易输运的优点。其次，虽然其发光频谱大部分还是落在可见光频谱之外，但它的出射光的峰值位于可见光谱的附近，因此发光效率比燃烧发光高得多。一般来说，普通的白炽灯的发光效率约16lm/w。第三种照明技术是荧光灯照明，荧光灯利用电能作为驱动能源来激发低压汞蒸气产生波长约为253.7nm的窄带紫外出射光，该紫外光照射灯管内壁上的荧光粉，激发它产生占满整个可见光谱的白光。由于荧光灯的出射光波长几乎全部集中在可见光谱的某一窄带范围内，因此其发光效率大大高于白炽灯，一般为851m/w。半导体固体发光器件为近几年兴起的第四代照明器件。它的发光机理为:当在半导体发光二极管(LED,light-emitting diode)的两端加上正偏的电压时，大量的电子空穴对注入半导体，当电子和空穴在半导体中的某些特殊活性区域中复合时，即产生光子，这些光子的能量和半导体的禁带宽度有关。像荧光灯一样，由于LED的出射光为位于可见光光谱范围内的窄带光，所以看上去有颜色。要使它变成接近自然光的白光，还需将出射的窄带有色光转化成占满整个可见光光谱的白光。1.2.2 半导体照明技术的发展1907年Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用;更难处理的是碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了。20世纪20年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光，但再一次因发光暗淡而停止研究。 1936年，George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电子器件的研发和业界认识的逐步深入，最终出现了“电致发光”这个术语。20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化稼发明了第一个具有现代意义的LED，并于60年代面世。在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里，需要进一步研究以便能高效率的在室温下工作。第一个商用LED虽然仅能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。60年代末，在砷化稼基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。磷化稼的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。 20世纪70年代中期，磷化稼开始被用作发光光源，随后可发出灰白绿光。LED采用双层磷化稼芯片(一个红色另一个是绿色)能够发出黄色光。就在此时，前苏联科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。尽管它不如欧洲的LED高效，但在70年代末，它能发出纯绿色的光。几乎与此同时，HP公司与TI公司也推出了带7段红光显示屏的计算器。 20世纪80年代早期到中期对砷化稼磷化铝的使用，使得第一代高亮度LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。到20世纪90年代早期，采用钢铝磷化稼生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。第一个有历史意义的蓝光LED也出现在20世纪90年代早期，再一次利用金钢砂-早期的半导体光源的障碍物，依当今的技术标准去衡量，它与前苏联以前开发的黄光LED一样光线暗淡。20世纪90年代中期，出现了超亮度的氮化稼LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光钢氮稼LED。超亮度蓝光芯片是白光LED的核心，在这个发光芯片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自芯片上的蓝色光并将其转化为白光。利用这种技术制造出任何可见光的LED。今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。LED的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程 。1.2.3 大功率照明LED的主要性能随着LED效率的迅速提高、成本的不断下降，LED市场正在由手机的背光源和汽车仪表照明，以及亮度要求不高的特殊照明和景观照明领域向普通白光照明领域扩展。大功率LED照明光源与传统的白炽灯、荧光灯照明光源相比，有如下优点:1. 高效节能性。大功率LED照明第一个突出的优点就是节能。虽然按一般光效定义的LED的发光效率并不算高，但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光区域，效率可达到80%90%，而白炽灯的可见光转换效率仅为10%20%。预计未来大功率LED照明的耗电量仅为相同亮度白炽灯的10%20%。2. 光色纯，光线质量高。单一颜色LED的光谱狭窄，谱线单一集中在可见光波段。3. 寿命长。普通白炽灯和荧光灯的寿命一般为1000小时，而大功率LED灯的寿命却可达到10万小时。4. 可靠、耐用。大功率照明LED以其特殊的电子结构保证其工作时有良好的稳定性和可靠性，甚至在水下也能长时间稳定地工作。而且它没有传统灯泡的钨扮、玻璃壳等易损部件，维护费用低廉。LED的工作温度范围也很宽，在-40C 85C之间均能正常工作。5. 应用灵活。体积小，便于造型，可做成点、线、面等各种形式。6. 响应快。白炽灯的响应时间为毫秒级，而大功率LED的开关响应时间为纳秒级，无频闪。因其响应时间短，作汽车灯反应快，可延长刹车的反应时间，故能减少交通事故的发生几率。7. 环保。大功率LED的工作电压为34伏左右的直流电，因而没有电磁干扰。光谱中没有紫外线和红外线，不同于口光灯点亮后会产生汞蒸汽及二氧化碳和其它温室气体等污染物，LED产生的废弃物可回收，无污染，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。同时，其荧光粉的用量也仅为普通荧光灯的于分之一，利于稀土资源的可持续利用。8. 控制灵活。通过控制电路很容易调控亮度，实现多样的动态变化效果。虽然与传统照明光源相比，大功率照明LED有着诸多优势，但目前大功率LED要广泛应用于照明领域还存在以下问题:发光效率较低，单管发射功率小，价格昂贵。与现有照明灯具相比，半导体照明要进入普通照明市场还需满足以下基本要求 ，首先要求单颗LED有足够大的光通量，这样才能使被照的物体产生足够的亮度。现在单颗LED的光通量是以流明，甚至是以毫流明为单位来量度的。与一般的照明需要千流明甚至更高光通量的要求相距甚远。其次，照明光源不应是单色的，而应是白色的。根据照明场合的不同，光源的色温可高或低，但它们的色度坐标点都应该非常接近黑体辐射的轨迹。另外，它们的光谱特性应保证它们有很好的显色性，能真实再现受照物体自身原有的色彩。这就需要在单色LED的基础上研究，开发白光LED。第二，现在普遍采用的照明光源，如白炽灯、荧光灯和高强度放电灯产生光的成本都比较低，大功率照明LED只有大幅度地降低自身的生产成本才有可能与它们竞争。当然，由于LED寿命长，灯具的利用效率高，成本略高于普通光源也还是可以接受的。总而言之，为了实现真正意义上的半导体照明，我们需要研究、开发并生产出光效高、单颗功率大、价格合理的白光LED。1.3 大功率LED照明技术发展情况1.3.1 国外大功率LED照明技术发展情况 对于LED这种将电能转化为光能的发光器件的研究很早就开始了。第一只LED产品是1962年在GE公司做出的。如今，LED照明产业竞争的焦点集中在大功率高亮度白光LED。高亮度红、黄LED于1993年开始量产。1995年，高亮度蓝色、绿色LED也相继进入量产，使LED的发光波长覆盖从红色到蓝色整个可见光谱范围，而且具有高达30%的发光效率。随之而来的白色LED的成功研制，更大大拓展了LED的应用领域，从此开始形成了一个朝阳无限的LED照明产业。 我国在高亮度LED这一领域起步较晚，从1993年开始，中科院半导体所、北京大学等单位在国家863计划和自然科学基金的支持下，在相关领域开始了许多研究工作。但目前在材料质量、器件指标等方面与国际先进水平还有很大差距，特别是在半导体用于照明的一些关键性产业技术上还未能攻克。LED产品中技术壁垒最高的是上中游产品的生产，目前窥视这一巨大商机的厂家不少，但由于技术、资金和产业化工艺的限制，国内真正能实现规模化生产的企业屈指可数。 目前，LED照明产业竞争的焦点集中在大功率高亮度白光LED。各国政府均大力扶持白光LED的发展，美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项积极推行，如日本的“21世纪的照明计划”计划将耗费60亿日元推行半导体照明；美国的“下一代照明计划”时间是从2000-2010年，计划投资5亿美元；欧盟的“彩虹计划”已在2000年7月启动，通过欧共体的资助推广应用白光LED 。 美国在LED照明的产业技术开发上一直处于领先地位。由Philips Lighting和Agilent(原HP)于1998年合资兴办的Lumileds是一家致力于功率型白光LED生产，封装研究和开发的公司。该公司拥有多项功率型白光二极管封装方面的专利技术。 日本在功率型高亮度LED的研制与产业化开发方面在国际上处于领先水平，日业化工、丰田合成和住友电子处于领先地位。日亚公司由于在InGaN LED技术和生产白色LED的荧光粉材料上拥有多项专利，在InGaN白色LED芯片供应上一直占有优势地位。Sumitomo住友电子向美国CREE公司一年内订购了一亿美元的LED合同，这将是CREE一年的全部生产能力，住友很显然是想独霸整个高亮度LED的市场。2003年8月，松下电工开发出亮度达到3001m的白光照明灯具，相当于40W白炽灯的亮度，并于2004年春开始了商品化销售。 德国的OSRAM号称刚刚建立了世界上最先进的芯片生产线，将主要用来生产LED和半导体激光器。由于OSRAM是世界上第二大灯泡生产厂商，因此用LED制成新型节能长寿灯是他们的新目标。 美国加州大学固态发光及显示中心则寻求白色LED之外的其它解决方案，目前该中心正在进行一项由政府扶持的项目，主要针对下一代照明。2006年，美国加利福尼业州SanJose(圣荷塞市)、Agilient技术实验室公布了一种新的LED试制样品。该实验室利用一种新技术概念，使光效最大可达1001m/w。1.3.2 国内大功率LED照明技术发展情况国内，lmmlmm倒装结构白光LED在标准电流(350mA)下光通量可达到40 lm以上。2003年6月17日，国家科学技术部联合教育部、信息产业部、建设部、中科院、中国轻工联合会、中国照明学会、中国照明电器协会8个部门、行业，及北京、上海、浙江、广东、江苏、江西、长春等17个地方政府正式宣布成立国家半导体照明工程协调领导小组，标志着我国的半导体照明工程正式启动。在台湾，LED相关的公司有几于家，其产能也在迅速的膨胀，己成为世界上最大的LED生产基地。2002年，日本住友和台湾博达共同投资在台湾成立了博友科技，专门从事单芯片ZnSe白光LED芯片的生产。由于看到白色LED在下一代光源新技术应用中的巨大潜力，2002年9月台湾成立了由11家顶级LED公司组成的“下一代光源新技术研发集团”,该组织专注于以白色LED为核心的下一代LED新技术的研发。1.3.3 大功率LED照明发展趋势在过去的30多年中，正像Haitz定律预示的那样，每1.52年单颗LED的光通量就提高一倍。然而自大功率型Luxeon LED问世后，光通量增长的速率似乎比以前又有所提高，如图1-1所示，LumiLeds乐观地估计，在今后的二年里，LED的光效每年将增加l0lm/w。美国光电工业发展协会于2002一年制定了半导体固体照明灯在未来几年的发展目标和远景。对半导体照明的各项性能指标，如发光效率，寿命，单灯光通量，性价比以及显色指数等提出了阶段性的目标。图1-1 LED光通量增长曲线表1-1中显示的是半导体照明LED灯的发展趋势和远景。可以看出，2007年照明LED灯的目标是在市场上能够与白炽灯相抗衡，实现发光效率751m/W使用寿命超过2万小时，单灯光通量大于2001m，显色指数做到80。2012年照明LED灯的市场定位为占领荧光灯市场，实现发光效率1501m/W，使用寿命超过10万小时，单灯光通量大于10001m，显色指数做到大于80。科学家预测，在未来的5至10年，这种灯芯很可能逐渐成为下一代照明的主流产品，其主要应用领域包括:大屏幕显示、车灯、交通灯、景观灯等领域。高亮度蓝光二极管(LED)已解决了发光二极管的三原色的缺色问题，因此彻底解决大屏幕全彩色显示问题。高亮度发光二极管近年来主要应用于大屏幕彩色显示、汽车尾灯、交通信号灯、多媒体显像和手机及小屏幕LCD背光源等领域。高亮度蓝光二极管的出现，不仅仅是丰富了色彩，有了红橙黄绿青蓝紫全彩，更为重要的意义是由此产生了白光半导体灯。目前，世界上生产蓝光二极管的半导体公司纷纷和老牌灯泡制造商结盟，抢占这个可以说是未来最大的照明市场。可见半导体灯已对传统的白炽灯发起了挑战，一个全新的半导体照明灯时代即将来临。表1-1 半导体固体照明灯的发展目标和远景技术LED 2002LED 2007LED 2012LED 2020白炽灯荧光灯发光功率(lm/W)25751502001685寿命(khr)2020100100110通量(lm/lamp)252001，0001，50012003，400输入功率(W/lamp)12.76.77.57540流明花费($/klm)20020520.41.5灯的花费($/lamp)54580809575照明市场主打低通量产品白炽灯荧光灯有望成为LED家庭用的照明灯采用白光LED是科技发展的必然趋势。家庭用白光LED照明灯发光效率高、使用寿命长是不争的事实，只是目前还需等待产业化生产的技术成熟和成本的进一步下降。荧光节能灯从产品诞生到进入千家万户百姓家庭普及也差不多经历了于年的时间。家庭用照明灯的发光效率及平均寿命比较如表1-2(为2006年统计数据)。表1-2 家用照明灯发光效率及平均寿命的比较参数白炽灯(40W)荧光灯(36W)节能荧光灯(511W)白光LED(1W)发光效率(lm/W)716506050703045平均寿命(h)1K-2K2K-12K6K-8K50K-80K欧美等国在2007年2月和3月分别通过政府决议，在未来二年逐步取消白炽灯，提倡使用节能灯和LED照明灯。由此，LED照明灯进入千家万户揭开序幕，其市场需求量将是一天文数字。集成电路和灯具厂商纷纷开始行动，奔向这个巨大市场。大功率照明灯用LED制造技术突飞猛进，今天已经能大批量生产，而且在增加LED发光效率(lm/w)方面努力；从AC到DC恒流源输出、经济而有效地驱动大功率照明灯用LED的电源驱动芯片，也正在引起更多的集成电路开发厂商的投入。就LED电源企业而言，2009年100W左右大功率电源市场的增幅将会有很大的提升。源于100W左右的LED光源与传统照明光源相比有着更突出的性价比，以及很快形成产业规模的LED路灯和景观照明市场。1.4 论文研究内容本文首先对照明技术的发展与LED新光源和大功率LED照明技术的发展情况做了详细的介绍，进而具体说明了大功率LED的特性，根据大功率LED驱动电源设计的原则，结合现有大功率LED驱动控制电路形式，分析比较了几种恒流驱动控制芯片，最后完成了三种可行的基于PT4107的驱动控制电源。由此，自行设计并完成了可用于LED道路照明用的大功率LED驱动电源。该专用电源系统具有一定的控制功能，可实现输出功率的实时控制及亮度的调节。第2章 大功率LED光电特性及控制方式2.1 大功率LED的特性 作为照明光源，我们关心的大功率LED的性能指标主要有亮度、光强、色坐标，色温，显色指数和发光效率。下面主要就搜集到的大功率LED的相关电学和光学特性进行了整理。2.1.1 大功率LED伏安特性图2-1为同一型号批次大功率LED器件的电流一电压特性之间的差异性。图2-1 同一批次随机挑选的白光LED的电流一电压特性之间的差异性上图所示的是不同白光LED之间，甚至是从同一产品批次中随机挑选的LED之间的正向电流电压特性的差异。可以看出，在恒定电压的驱动下，不同LED上流经的正向电流大小不同，导致发出的白光亮度不同，如图中虚线所示。而且，LED正向导通后，外加正向电压的细小变动都将引起LED电流的很大变化，从而导致出射光光强的变化。再如下图为某类LED正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值(约2V，区别于LED类型)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比16。如图2-2所示为VF-IF特性曲线图2-2 VF-IF曲线 由于LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量()与IF的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1V以上)，而由上图中的VF-IF曲线可知，VF的微小变化会引起较大的IF变化，从而引起亮度的较大变化。所以，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动。2.1.2 大功率LED光电特性 一般来说，随着输出功率增加大功率照明LED模块内部将温度上升，从而导致复合发光效率下降。另外，随着照明LED单灯功率的增大，管芯的尺寸随之增大，这将在芯片内部产生电场分布，同样会使发光效率下降。2.1.3 大功率LED色温与光效特性图2-3显示了用1mm1mm的大尺寸GaN基蓝光LED芯片和YAG，Ce黄光荧光粉在食人鱼支架上封装的大功率白光LED的色温和光功率随着电流的变化关系。电流增大，光功率随之增大，当正向电流为200mA时光功率达到13.8mw。大电流下，LED的功率并没有明显的饱和或下降，表明LED散热性能良好，因为不良的导热性将使得LED结温升高，导致复合发光效率的下降。根据相关色温公式(McCamy 1992)计算不同注入电流下的色温。色温随着电流的增加而下降，小电流下色温较高，为5300K，色坐标处于淡黄色区域，电流增加时，色温迅速降低，在50mA下降至4850K，然后色温随电流增加逐渐饱和。这表明随着电流增加，荧光强度相对蓝光LED发光强度有所增加。图2-3 色温和光功率随着电流的变化关系2.2 大功率LED驱动电源设计原则2.2.1 基于大功率LED特性的设计原则LED寿命方面，虽然单颗LED本身的寿命长达10万小时，但其应用时必须搭配电源转换电路，故LED照明器具整体寿命必须从光电整合应用加以考虑。但对照明用LED，为达到匹配要求，电源与驱动电路的寿命必须超过10万小时，使其不再成为半导体照明系统的瓶颈因素。在考虑长寿命的同时又不能增加太多的成本，电源与驱动电路的寿命与成本通常不肩超过照明系统总成本的三分之一，在半导体照明灯具产品发展的初期，必须平衡好电源与驱动电路的寿命与成本的关系。 原始电源有各种形式，但现有大部分电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作照明光源就要解决电源变换问题。LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件，LED驱动应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特点。给LED供电的电源必须注意以下事项:1. LED是单向导电器件，由于这个特点，就要用直流电流或者单向脉冲电流给LED供电。 2. LED是一个具有PN结结构的半导体器件，具有势垒电势，这就形成了导通门限电压，加在LED上的电压值超过这个门限电压时LED才会充分导通。LED的门限电压一般在2.5V以上，正常工作时的管压降为3V4V。 3LED的电流-电压特性是非线性的，流过LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势后再除以回路的总电阻(电源内阻、引线电阻和LED体电阻之和)。因此，流过LED的电流和加在LED两端的电压不成正比。 4LED的PN结的温度系数为负，温度升高时LED的势垒电势降低。由于这个特点，所以LED不易直接用电压源供电，必须采用限流措施，否则随着LED工作时温度的升高，电流会越来越大，以至损坏LED。流过LED的电流和LED的光通量的比值也是非线性的。LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加，但却不成正比，越到后来光通量增加得越少。因此，应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。另外，LED也和其他光源一样，所能承受的电功率是有限的。如果加在LED上的电功率超过一定数值，LED也可能损坏。由于生产工艺和材料特性方面的差异，同型号的LED的势垒电势以及LED的内阻也不完全一样，这就导致LED工作时的管压降不一致，再加上LED势垒电势具有负的温度系数，因此，LED不易直接并联使用。2.2.2 基于电源效率的设计原则 功率型LED应用于各种场合的照明，通过近几年业界的共同关注和推进已得到快速的发展，LED早已不仅仅局限于指示类应用领域，随着其应用的不断扩大譬如功率型LED路灯、功率型LED隧道灯、功率型筒灯等等都已得到很好的推广应用，但所有这类灯具目前都存在驱动源性能指标不够理想的局面，这就导致灯具的稳定性和可靠性无法得到保障。 针对目前功率型LED灯具驱动电源存在的问题，我们结合自身开发和选用功率型LED恒流源的考虑，以期共同推动LED照明产品整体质量的提高。1必须针对LED具体要求来设计和选用驱动源 LED的正向伏安特性和普通二极管类似，外加正向电压稍有变化，其正向电流将产生很大变化，致使LED内部损耗及发热快速上升，严重影响LED的正常工作和寿命。为了防止这种情况发生，大功率LED一般必须采用恒流方式供电。为了尽可能提高电流源的效率，减少发热，电流源的输入电压必须得到合理控制，使其最大值在扣除内部压降后同电流一样，也与LED需要的总电压相匹配。内部损耗小了，电流源的可靠性才能得到保障。2必须尽可能提高电能利用率，以达到最大节能效果 LED的最大优点是节能。电流源可以用电池供电，但更多的应用是由AC-DC降压变换器来担当，整流器是将交流变为直流的第一步。整流器和平滑滤波器结合工作的结果是使电网输入电流波形发生畸变，电能利用率降低，通常只有约60%或更低，这就是说，一个60W的LED灯在不考虑变换损耗的情况下，从电网吸收的功率实际是60/0.6=100W，白白浪费了40W或更多，并产生大量谐波污染电网，危害着其他用电设备。为了节能和减少污染，在开发和选用时必须重视更新换代。凡50W的电源其功率因数和产生的谐波必须满足相关的标准要求。也就是说50W的LED灯不仅功率因数(PF)，而且其谐波干扰也必须满足这类标准要求。3尽可能使LED电源电压向安全低压标准靠拢 由于新兴的LED照明业还未来得及建立行业标准或国家标准，LED电源的设计基本取决各个企业开发应用产品的考虑。介于LED本身是低压工作器件，结合通讯、汽车照明、与太阳能供电配套、工矿灯安全照明等的特点，行家认为大功率LED电源的供电电压以接近48V、36V、24V、15V、5V等标准电压为好。4有完善有效的安全保护功能 电流源应具有安全保护功能，这些保护包括：过流保护、短路保护。隔离式的前级AC-DC变换可以自然地为LED提供安全工作条件，不应轻易改用非隔离式结构。5AC输入电压范围 通常取额定值的15-20%作为输入源电压的公差范围。但这给产品的生产管理和在世界范围内的销售带来不便。因而现代电子设备产品通常要求输入交流电压范围能达85265VAC，这样无疑增大了设计成本，体积及设计难度。为满足这一通用输入要求，实现的途径一般有两个：一是直接按85265VAC进行系统设计；二是按220VAC20进行系统设计，并设一选择开关，其实质是220VAC输入时选用桥式整流方式，而110VAC输入时改用倍压整流方式。6输出级的设计 LED驱动源设计可以在普通稳压源的基础上增加电流检测，使稳压、稳流由同一反馈回路完成，也可以在电压源输出端增加一级恒流变换级驱动LED。为了提高驱动源的可靠性，恒流驱动源最好选用集成芯片设计，这便于实现外部调光，减少外围元件，使结构更紧凑。同时精心设计输出级使其输出电流和电压符合LED照明要求，是保证亮度稳定和提高可靠性的重要环节。7EMI要求 与所有电子类产品一样，功率型LED灯具必须能满足相关的EMI国际和国家标准要求。2.3 大功率LED驱动控制电路的分类由于大功率LED在寿命上具有很大优势，所以发展前景非常广阔，其中最被看好的照明应用是汽车、医疗设备和仪器仪表及其它特种照明环境。但这些应用对LED驱动系统设计也提出了新的要求，包括：输入电压范围一般要求为6V到24V；具有冲击负载保护、反相和过压保护；待机功耗非常低；低带隙基准以减少电流检测损耗以及具有PWM调整亮度的功能等。 针对这些需求，工程师们提供了全系列LED驱动器设计方案，可以为用户提供全面的LED驱动器解决方案。2.3.1 简单驱动电路 如图2-4所示，简单驱动电源电路包括阻容降压、全桥整流、电容滤波、压敏电阻或瞬变电压抑制二极管等。但这种电路结构的电源效率只达到70%左右。下图为最简单阻容降压式电路结构，可以用在信号报警闪光灯上。图2-4 普通大功率LED直流驱动电路图2-5 所示电路中利用两只反并联的二极管对降压后的交流电压进行整流。该电路可以广泛应用于夜光灯、按钮指示灯以及要求不高的位置指示灯等场合。 图2-5 普通大功率LED交流驱动电路2.3.2 恒压驱动电路恒压驱动电路在外部输入的电压有变化时,恒压驱动芯片的输出电压均保持不变。它的架构非常简单，但LED的电流会随着落在LED两端的电压而改变，如果LED顺向偏压不一致或输入电压有些许变动都会对LED的亮度产生影响。如图2-6所示为恒压驱动电路。图2-6 恒压驱动电路2.3.3 恒流驱动电路与恒压模式驱动器相比，恒流模式驱动器可以控制流经LED的电流，而不受LED顺向偏压及输入电压的不同所影响，图2-7为恒流驱动电路。图2-7 恒流驱动电路2.3.4 PWM调制驱动控制电路1PWM控制方式为了实现LED恒流控制，大功率LED驱动器一般都有支持PWM调节的功能。PWM变换器通过重复通/断开关工作方式把一种直流电压(电流)变换为高频方波电压(电流)，再经过整流平波后变为另一种直流电压(电流)输出。对于这种变换器，有两种工作方式:一种是保持开关周期Ts不变，改变控制开关导通时间及占空比宽度调节(PWM)方式;另一种是保持导通时间不变，改变开关工作周期的脉冲频率调制(PFM)方式。如图2-8所示，PWM变换器有功率开关管、整流二极管及滤波电路组成。当输入、输出之间需要进行电气隔离时，可采用变压器进行隔离和升降压。PWM变换器的工作原理如下图所示。PWM基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。图2-8 PWM变换器的工作原理 PWM技术最初及更广泛的应用是在数控、调频等技术领域中，并已普遍应用于稳压开关电源控制方案中，在LED要求恒流驱动的电源控制方案中也得到很好应用。2PWM驱动方式PWM实现恒流/恒压的基础上，人们用PWM直接进行调光，前文已有阐述到因为LED的亮度受电流的控制，所以利用PWM改变平均电流的大小来实现光亮度的调节。PWM驱动电路是由PWM信号控制功率开关管的导通时间，又分为线性驱动和脉冲驱动。PWM电路原理分析知其直接驱动能力较弱，同样要配合功率开关管放大电路放大驱动能力。与PWM调节控制模式相区别，仍然保持脉冲的形式直接驱动LED，在一个脉冲周期内同样通过取样电阻实现恒流，这样的驱动形式既保持了峰值电流的可控且稳定，又可以实现平均电流的PWM调节。其应用存在于LED大屏幕驱动显示、大型LED液晶电视背光源驱动、信号报警闪光灯驱动、室内外彩饰亮度调节等，并且此类驱动芯片正不断涌现在更广泛的LED应用领域，随着大功率LED发光效率的不断提高，很可能会成为普通照明的驱动选择。3PWM驱动电路AC-DC转化实现交流电间接驱动LED，是现在对大功率LED的主流实现方案。如图2-9是飞利浦公司开发的一款高档次大功率LED驱动电源电路结构框图，此电路包括电磁干扰模块、AC-DC转换模块、PFC无功补偿模块、DC-DC转换模块、控制集成电路模块(即PWM脉宽调制模块)等，功率因数达到90%以上，寿命可达到50000h以上，同时还可完成100%到1%的调光控制。 图2-9 大功率集成驱动芯片原理图2.4 本章小结 LED驱动电源是LED灯具的关键所在，它就好比一个人的心脏，要制造高品质的、用于照明的LED灯具必须放弃恒压方式驱动LED。本章节主要讲述了大功率LED的特性，其中包括大功率LED的光学和电学特性，为设计大功率LED驱动电路奠定基础，并阐述了LED驱动方式的分类，分为恒压式和恒流式驱动电路，并做了简单的比较，为下文为什么要引用恒流式驱动芯片而不是恒压式驱动芯片做了说明，并将大功率LED驱动电路的发展趋势做了简要的介绍，对现有驱动电路进行比较分析，为整体电路的设计提供依据。第3章 控制驱动芯片的设计选型3.1 常用大功率LED的恒流驱动芯片由表3-1不难看出，各个恒流源芯片的输入电压存在一定的差别，大概分为三个类型，2.76V，430V，85450V，芯片的输出电流也存在一定的差别，也可分为三个类型，分别为小于1000mA、1000mA2000mA、大于2000mA，设计1W的LED路灯时，对电流的选择范围为小于1000mA就可以。当然，具体的芯片还要根据电路的需求最后选定。表3-1 几款常用驱动大功率LED的驱动芯片1W到10W的LED降压恒流驱动IC型号输入输出电流效率使能封装CMD71362.76V400mA-1A85%无SOT89-3CMD71352.76V350mA85%无SOT89-3CMD71322.76V320mA85%无SOT89-3CMD71282.76V280mA94%无SOT89-3CMD56122.76V1200mA94%无TO252PT4115830V1200mA94%有SOT89-5CMD7150440V1500mA94%有TO252-5AMC7150440V1500mA94%有TO252-5CMD736440V3000mA90