LED电源设计PPT课件

1、LED电源设计,Content,LED应用简介 LED电源设计方法 恒流供电设计原理分析 分比式架构分析 典型电路分析 设计实例,LED应用简介,VI 芯片元件,高效率 LED的应用,LED 的技术走向 更高效,Cree, APEC 2007,光源效率趋势,实验室最佳,量产最佳,光度 (流明/瓦),LED 的优势,相比于现有照明技术，例如灯泡，光管，高强度放电 (HID) 等等，LED 有以下优势: 省电 细小 高可靠性、耐用 (50,000小时，一般灯泡只有约1,000小时) 适合恶劣环境应用 快速起动，可高速调节光暗 颜色纯度高 不含有害物质,LED电源设计方法介绍,VI 芯片元件,LED

2、 普及要解决的问题,LED全面应用于所有照明方案，还需要解决以下问题: 成本 用RGB组成白光时，温度和老化而形成的色彩偏差 电源驱动设计方案,本课程内容,LED 的工作原理,正向偏压使电流通过而发光 LED 的主要电气参数为VF 及 IF 不同材料 (颜色)构成的LED有不同VF值 光度则与IF成正比，但各型号均有最大值 其他参数为亮度、波长、发光角度、效率及功耗等,LED本身为发光二极管，有P-N结的电气特性,LED伏安特性,LED伏安特性是非线性的，很小的电压变化就会引起很大的电流变化。 可以看出，电源电压的10%的变化（3.4V-3.1V），就会引起正向电流的3.5倍的变化（从350m

3、A变到100mA）。 电源电压在3.3V时正向电流为20mA的LED，如果用3节干电池供电，新的电池电压超过1.5V，3节就是4.5V，LED的电流就会超过100mA，很快就会烧坏。,LED伏安特性的温度特性,伏安特性-负温度系数,温度系数通常是-2mV/。即随温度的升高，其伏安特性左移。 大功率LED芯片，由于功率大，散热不容易，温升问题严重。,假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA，而温度升高到85时，电流就会增加到3537mA，但其亮度并不增加。电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。,LED电源驱动方案（1）,恒压供电 : 电源的输出电压需高于LED的总压降，并能提

4、供足够的电流(功率) 优点是简单，设计容易 由于LED的 IF 对 VF 的变化极敏感，必须要以电阻设定工作电流 但电阻将限制LED串列的数量，及做成不必要功耗,LED电源驱动方案（2）,恒流电源 : 最理想的驱动方式，恒定电流亦使光度稳定 没有串联电阻引致的功耗 成本相对较高，需建另外设计恒流控制电路 电源的恒流输出电压需高于LED 的总压降,恒压源加电阻,负载线，斜率 = 1/R,恒流源,负载线，斜率 = 1/R = ,思考,用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流？ 几个LED并联，能不能用恒压电源？ 多个LED并联后，采用恒压电源供电，能不能用不同的串联电阻来使电流平衡？ N个LED串

5、联后，假如用恒压电源供电，其温度效应（由温升而引起的电流增加）将会扩大N倍， 这是因为所有LED串联以后相当于各个LED的伏安特性沿电压轴串联 综上所述，给LED供电，要采用恒流电源供电，电流恒定以后，不管温度怎么变化，伏安特性如何左移，电流都不变！结温也就不会恶性循环了！,恒流供电设计原理分析,VI 芯片元件,恒流供电LED电源设计应考虑的问题,高可靠性 高效率 高功率因素 浪涌保护 保护功能 （在恒流输出增加温度负反馈） 防护方面 (物理部分） 驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配 EMI/EMC,目前LED均采用恒流供电，因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源。它的功

6、能是把交流市电转换成合适LED的直流电。根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求，在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点：,LED电源驱动方案,除传统DC-DC砖式及配置式电产品外，现有的趋势是利用新型集成电路芯片设计高效及高功率密度的LED电源方案。,传统 DC-DC砖式转换器架构,Regulation = 稳压 稳定这两点的输出电压,Transformation = 转换 把电压从一形式转为另一形式(在这里，是把DC转变为AC),Isolation = 电气隔离,DC-DC方块图,现在主流的电源设计架构,PRM = 预稳压模块 只负责稳压工作 (Regulation),VTM =电压

7、转换模块 只负责转换及隔离 (Isolation & Transformation),Regulation = 稳定这两点的输出电压,Transformation = 转换 即把一电压转为另一电压(简单的说，可视为升压或降压，但实际上还把DC转变为AC及后又还原为DC),Isolation =电气隔离,相应的LED电源设计方案,把传统的DC-DC功能分为2个部分，从而对每一功能作出优化，达至以下的优点: 分开功率转换级别:稳压及电压转变 降低系统分布损耗 减少DC-DC转换路径上重复的功能 降低负载点功耗而增加系统效率 并非折衷的改良而是全新的功率分布调配 灵活的部件 适合DC-DC转换的细小

8、高效能组件 提供重要优势 高功率密度 (体积及重量) 效率高 设计上灵活 速度(快速响应),66,分比式架构分析,VI 芯片元件,预稳压模块 (PRM),零电压开关升 / 降压拓朴及控制技术 高频开关 (1 MHz),采用零电压开关升 / 降压拓朴,初级升 / 降压控制,预稳压模块 (PRM)-典型参数（Vicor）,特点 功率达 320W 面积只有 7.1cm2 或 1.1in2 功率密度 60W/cm3 (1,100W/in3) 效率达 97% (于300W 负载时 ) 输入: 24V (18-36V): 30V (18-60V): 48V (38-55V 或 36-75V) 输出:稳压

9、(26-55V) VTM,电压转换模块 (VTM),专利正弦振幅转换器 (SAC) 零电流、零电压， 1 MHz 开关頻率,拓朴,P = 功率变压器 D = 驱动变压器,电压转换模块 (VTM),隔离 有如直流变压器 具电流倍增及电压降幅能力 V048 系列 输入:26 55 Vdc (源自PRM 的分比母线 ) 输出:0.8 55 Vdc 输出电流:3 100 A 穩压:1% (与PRM一起应用自适环模式) 效率:达 96%,特点,PRM 及 VTM 型号,PRM,VTM,从输入规格选择 PRM 型号,从输入规格选择 VTM 型号,DC-DC 转换,稳压= PRM (预稳压) + VTM (

10、变压隔离) 48VIN (或 24VIN)至 0.8 - 55VOUT,负载,分比式功率架构的优势,使用2片VI芯片从48V直接到负载而达100A PRM可远程置放 使母板负载处省却大量空间 负载处功耗较小 把负载点电容器移到VTM的输入 减低电容量 1/k2 倍 额外空间及成本减省,提供灵活配置,效率高达97% PRM 97%+ VTM 96%+ (5VOUT) VTM 90%+ (1.1VOUT) 效率高 = 所需气流或散热片体积较细小,高效率,PRM: 高带宽控制回路 VTM: 低阻抗、1MHz 负载点电流倍大,PRM+VTM 输入48V, 输出1.2V, 0-100A, 800A/s

11、负载步跳, 220F 输出电容下冲小于 30mV,速度,VTM 低输出纹波,1.5V VTM 输出纹波 100A负载, 没有输出电容,CH1: Vout 50mV/div Timebase: 500ns,V: 100mV,1/t: 2.9MHz,1.5V VTM 输出纹波 100A 负载, 带100F陶瓷电容,V: 14mV,CH1: Vout 20mV/div Timebase: 500ns,PRM + VTM 低输出纹波,满载，标称输入电压及带 80 F 输出电容,更多的组合,完整的 DC-DC 方案,负载,源,采用 PRM 及 VTM,PRM,分比母线,Vf,宽输入母线,负载,PRM 调

12、控分比母线电压 (VF) 达至 VTM 输出稳压 VTM 转换电压及隔离负载 效果: 高效能分布，稳压，转换及隔离,PRM 及 VTM反馈方式,VTM,PRM + 2x VTM = 200A (只需3片 VI 芯片),VTM 并联极为简单, 无需变更自适环元件的数值 可用 2 片 VTM 便达至 200A 输出(低压 ),可达至 1kW 或以上 可参考并联 PRM 的应用笔记,PRM / VTM 并联阵列,PRM 可驱动 2片VTM 自适环可达至 1% 调整率 可轻易达至 100V、隔离及稳压的输出,PRM+VTM输出串联，只需3片芯片就可达至100V,PRM + 多片 VTM = 多路输出,

13、PRM设定为本地环模式 因此，各VTM 的输入电压均相同 可达至 2.5% 稳压 (满载时，轻载的调整率更佳) 单一PRM可驱动2片VTM，或可外加电路以驱动更多VTM,PRM = 非隔离的稳压器,PRM + VTM 恒电流电源,PRM可在非常准确的控制做成恒流源(设定的1%内) 电路是兼容所有 PRM 电路也可配合所有 VTM 在整个输出电压范围内均可恒电流输出 可驱动所有标准的 LED (3V, 4V, 5-55V 系列),应用 VI 芯片在固态照明 (LED),PRM + VTMs,24V, 绿光 (24V VTM),14V, 黄光(16V VTM),6V, 蓝光 (6V VTM),48

14、Vin PRM,PRM 作为恒流源的原理,主要的外加恒流控制电路,LED阵列,3 55V 输出,PRM 作为恒流源的原理,用小型的分流器测量PRM 的输出电流 以差动放大器把电流放大，与参考电压比较 再反馈遗误差信号至 PRM 的 SC 埠以控制 PRM 的实际输出，达至 VTM 输出电流稳定,控制 PRM 电流的优点,只需控制 PRM 低电流（少于5A），再利用 VTM 的电流倍增能力，即可控制高达 100A 负载电流 由于是低电流，用小的分流器便可，功耗亦相对减少 感应 PRM 的电流，更可保持电气隔离 设计电路可适用于不同的 VTM 型号，即不同的 LED 阵列 用两片芯片便可达至 30

15、0W 功率,PRM 恒流源的准确度测试,PRM IOUT 误差少于 0.3% PRM + VTM IOUT 误差少于 1.3%,输出电流准确性 单 PRM, 48V 恒压负载,预计 实际量度结果,输出电流 (A),测量电流 (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% 每个电路功耗 = 1.2W / 1,000 流明 假设每 1W LED有75流明 发放1,000流明约需14W的 LED 功耗,PRM VTM 作为恒流源的示范,以下 示范如何用 PRM-CC 及VTM 的评估板组合成一恒流

16、电源 片中以Lumileds 的 Luxeon Flood LED 模块作负载，其标称规格为VF = 21V, IF = 1.05A,母线转换模块 (BCM),特点,隔离、但非稳压 具电流倍增及电压降幅能力 正絃振幅转换器 (SAC) 零电流、零电压， 1 MHz 开关頻率 驱动 niPOL 或 VRM 的理想元件 性能表现 功率达 300W，封装面积只有 7.1 cm2 (1.1 in2) 功率密度 60W/cm3 (1000W/in3) 效率 95% 48V输入型号 (通讯及数据系統用) 输入: 48V (38-55V) 输出 : 1.5 - 55V 高压输入型号 (350V 分布式电源,

17、 380V 功率因数校正) 输入 : 350V 或 380V 输出 : 10 13V,P = 功率变压器 D = 驱动变压器,BCM 型号,BCM,a Vin=38 53 Vdc,以BCM 作 DC-DC 转换,48VIN 至 1.5 - 48VOUT 352VIN 至 11VOUT 或 44VOUT 384VIN 至 12VOUT 或 48VOUT,或,负载点穩壓IC,采用 BCM 作母线转换,BCM 可用作驱动市场上大量廉价的 niPOLs 达至多路低压输出 niPOL 的输入电容可整合至 BCM 的输入端，达至节省成本及空间效果,L,niPOL,L,niPOL,L,niPOL,L,niP

18、OL,负载,源,负载,负载,负载,BCM 评估板,以 BCM 作为中转电压驱动 LED,BCM 可提供低压母线以驱动市场上大量廉价的 LED 驱动芯片 BCM 的隔离及安全低压输出，达至节省成本及空间效果,LED阵列,DC 输入,LED阵列,LED阵列,LED阵列,1/16 砖 输出达 300W 效率达 96%,以 BCM 作为中转电压驱动 LED,384V,AC V,例如 Vicor FE375-1 (2,200W),HV BCM,12V,LED驱动芯片,LED驱动芯片,LED阵列,LED驱动芯片,带PFC AC-DC,或,其它,1/16 砖 输出达 300W 效率达 95%,应用例子: 大

19、屏幕电视,以 LED 作 LCD 背光 客户应用多个 48V 转 4V (200W) 的BCM 驱动 LED 控制板 未用 BCM 方案前需以5.5V 分布 500A至多块LED电路板 改用 BCM 后只需以 48V分布 20A 至多块LED电路板,BCM 的应用示范,稍后会有一个录像示范如何用 BCM 去驱动 LED 阵列 片中以 LED 标称规格为 VF = 9V, IF = 1.4A,EMI 滤波,高频滤波组件是细小的 高压、滤波组件是低电流 的设计,B384F120T30,EMI,没有滤波,滤波后 (使用前页的电感),共模互相抵消降低 EMI 高频噪声只需细小滤波组件,QPI 系列,*

20、 可并联,可衰减150kHz 30MHz 共模 (CM) 及差模 (DM)传导噪声，符合EN55022-B级要求 有48V/60V 及 24V/28V输入电压 內独有有源滤波电路，达至优越衰减表现、高效率、体积小及纤薄,适用的有源滤波器,QPI-12 典型应用,适用的有源滤波器,QPI-12 滤波器 额定电流7A 效率达 99%,QPI-10 滤波及热插拔功能 带 6A 断路器及 12A 延迟限流器 符合 ATCA PICMG 3.0 规格及EN55022-B级 效率达 99%,QPI-10 典型 ATCA 应用,12.5 x 25mm LGA封装,25 x 25mm LGA封装,QPI-12

21、 衰減曲線,QPI-12 + PRM + VTM 的传导噪声表现,QPI-12 + BCM 的传导噪声表现,QPI-12 表现,EN55022 B级,EN55022 B级,共模噪声衰减 40dB 1MHz 差模噪声衰减 70dB 1MHz,QPI-12 输入 EMI 滤波,QPI-10 表现,QPI-10 衰減曲線,QPI-10 + VI 芯片的传导噪声表现,EN55022 B级,QPI-10带热插拔功能输入 EMI 滤波,共模噪声衰减 40dB 1MHz 差模噪声衰减 70dB 1MHz,M-FIAM7,符合 Mil-Std-461E 传导噪声要求 符合 Mil-Std-1275A/B/D、Mil-Std-704A-F， 及 DO-160E 输入瞬变要求 符合 Mil-Std-810， Mil-Std-202 环境工作要求 输入浪涌限流 输入反向保护 “半砖” 封装,适用滤波器,总结,如何设计具备体积小，功率密度高，效率高，瞬变响应快，及噪声低等优点的LED电源？ 分比式功率架构容许灵活配置芯片及优化功率传输。 简单的控制电路即可把 PRM 设置成恒流电源，可推动大功率 LED 阵列。 BCM 则可作为中转架构的桥梁，提