低损耗LED驱动器

1、上网日期: 2009年11月06日窗体顶端窗体底端有 10 名读者发表评论申请免费杂志订阅收藏打印版推荐给同仁发送查询精品文章 LED替代传统照明，方向性错误？ 斯里兰卡渔民使用环保节能LED灯 如何为低压便携设备背光应用选择LED驱动器方案更多精品文章关键字：LED驱动器 升压转换器 检流放大器 供稿：美信公司 摘要：现今有很多不同的方案可以为高亮度LED (HB LED)供电。由于多数系统采用电池供电，能效成为延长电池使用寿命和系统工作时间的关键。提高电池的使用效率还有助于加快系统的“绿色”进程。在电池的有效使用期限内，相同充电次数下，延长两次充电之间的时间间隔有可能使电池的有效使用时间延

2、长数百小时。这意味着送到垃圾填埋场或危险废物处理场进行销毁的电池数量会大大降低。 低功耗照明的驱动器通常采用简单的线性稳压器，将其配置成恒流模式(图1a)。 线性稳压器具有设计简单等优点。然而，其主要缺点在于功耗较大，因为工作时，多余的电压通过检流电阻和调整管本身的发热耗散掉。这样的热损耗还严重阻碍了 系统的“绿色”进程。热损耗越大，对冷却装置(风扇或大金属散热器)的要求越高，消耗的能量也越多，并会占用更大的空间和重量，同时也意味着材料成本和制 造时间的增加。 一种替代的解决方案是采用开关模式调节架构，例如buck或boost调节器(图1b)。这类调节器通 常需要一个0.8V至1.3V的反馈电

3、压，用于调节流过LED的电流。用来建立该电压的电流测量电路通常是与LED串联的一个小电阻。电阻两端的电压作为 反馈电压，可以为LED维持恒流供电。这种架构降低了调节器本身的损耗，但检流电阻的功耗使系统损耗仍然存在。 图1a. 简单的线性稳压架构由于调整管和电流设置电阻而存在较大功耗。该电路的优点是简单、没有任何EMI，但它仅适用于低电压应用，而且存在一定的发热。图1b. 基本的开关模式调节方案，功耗主要来自检流电阻的能量损耗。该方案效率极高，并可实现升压。不过，电路相对复杂并且会产生EMI。为了降低检流电阻的功耗，应采用低损耗电流检测电路，例如采用电阻/运放结合的方式提供开关转换器所要求的反馈

4、电压。可以采用专用的精密检流放大器，例如 MAX9938H，为检流电阻两端的电压产生100V/V的检测增益。这一方案能够把反馈电路的损耗降至几个毫瓦，甚至可以采用电路板上的一小段覆铜引线 作为小的检流电阻，成本几乎为零，由此可见，该方案具有很大吸引力。在图2所示电路中，boost转换电路采用了MAX9938H检流放大器，并使用MAX8815A升压转换器通过两节NiMH串联电池为其供电。MAX8815A 工作在最高2MHz的开关频率下，效率高达97%。高开关频率最大限度减小了外部元件的尺寸；而内部补偿功能则减少了外部元件数量，适用于成本和空间敏感 产品。该转换器可以在两节NiMH或NiCd电池或

5、单节Li+/Li聚合物电池供电时产生3.3V至5V的输出电压。 图2. 从图1b衍生而来，采用诸如MAX9938H的检流放大器将检流电阻的功耗降至几个毫瓦。相比图1电路几百毫瓦甚至更大的损耗，该电路的功耗降低了许多。MAX8815A具有两种工作模式：低功耗模式和重载条件下的固定频率、强制PWM模式。低功耗模式仅消耗30A的静态电流，空载或轻载条件下允许转换器仅在必要时才启动开关工作。低功耗模式在轻载时能够提供最高效率，最大限度地避免了能量的浪费，有效降低电池损耗。 另一种模式适用于重载条件(通常超过90mA)，采用固定频率、强制PWM模式，任何负载条件下均工作在固定频率。该模式便于噪声滤波，并

6、具有较低的输出纹波，不过功耗较大。 此应用中，MAX8815A工作在大功率的固定PWM模式，关断引脚用于控制驱动器的使能或关断。关断模式下，MAX8815A仅消耗100nA的电池电流，有助于延长电池的使用寿命和两次充电之间的时间间隔。 配合MAX8815A工作时，MAX9938H检流放大器对电流进行控制，从而保持流过LED的电流为固定的1A。该放大器的输入端集成了增益设置电阻，将增益设置在100V/V。此外，该器件还具有低于500?V (最大值)的VOS和低于0.5% (最大值)的增益误差，保持较高的精度等级。MAX9938H在静态模式下仅消耗1?A电流。通过调整不同的并联电阻值(有时可以采用

7、覆铜引线)，例如修改或微调芯片的并联电阻，可以改变电流值。 该设计方案包括五个单元，因为最大限度地降低了调节器和控制环路的功耗，该方案有效延长了电池使用寿命。 灵活的系统故障保护电路设计简介上网日期: 2009年11月19日窗体顶端窗体底端有 1 名读者发表评论申请免费杂志订阅收藏打印版推荐给同仁发送查询精品文章 LED替代传统照明，方向性错误？ 斯里兰卡渔民使用环保节能LED灯 如何为低压便携设备背光应用选择LED驱动器方案更多精品文章关键字：系统故障保护 过流保护 过热保护 供稿：美信公司 摘要：将板卡插入一个带电系统时，需要严格控制浪涌电流以避免造成电路损坏/系统故障。本应用提供了一个简

8、单易用的电路，满足这些系统的需求，并可复位系统、对温度进行监测。 许多系统必须能够自动断开正在运行的电路的电源，此类系统包括雷达及X射线系统的高压电源的热关断，关断控制能够限制上电及热插拔期间的浪涌电流，确保板卡在上电之前处于就绪状态。总之，发生任何系统故障时电源都应保持关闭。 图1提供了一个灵活的应用电路，该电路可以限制电流或断开电源以响应用户命令或其它故障指示信号，具有手动复位(MR)、热保护及互锁开关输入等功能。 图1. 该电路提供通用的过流和热保护。例如，U1为断路开关IC，设计用于在热插拔中提供保护；它既可以放置在背板侧/主板侧，也可以在插卡侧/背板连接器的远端，在主电源保持供电的情

9、况下，如果板卡插入机架或主机能够避免上电故障。 可能出现的故障主要有两种，卡或远端设备提供了一个对地的低阻通路，从而拉低主机电源；或者是板卡只有部分连接到连接器，从而产生大量的错误数据。U1通 过在可编程启动周期内调节浪涌电流可以阻止第一种故障的发生，保证系统安全稳定。正常工作时，两个内部比较器提供短路和过流保护(双速/双电平处理)。第 二种故障可以通过检测U1的输出电流(ON)流过卡的外沿的两个引脚进行处理(图2)。 图2. IC (MAX4370)通过检测卡的外沿引脚的流通电流确保PC板卡连接到背板(a)或主机(b)。内部电荷泵产生外部n沟道MOSFET电源开关(Q1)栅极驱动器所需的电源

10、。发生故障时，U1锁存Q1的关断状态，直到外部复位信号清除。可以在U1的 漏极开路输出引脚(STAT)连接一个LED (或其它故障指示器，如音频报警器)，用于指示故障状况。检测到故障后，可以将ON引脚至少拉低20?s，以复位U1。 开关去抖器(U2)的输入具有15kV ESD保护和25V电路故障保护，其输入(如图中的常闭按扭开关所示)可以清除U1的闭锁状态或提供手动复位，内部上拉到VCC省去了外部上拉电阻。可以利用内部互锁或SPST开关取代按钮，提供一个断电信号，可以在板卡插拔时关闭部分电路。由于U2采用推挽式输出，不能直接与连接到U1 ON引脚的其它信号采用“逻辑或”连接，因此增加了Q2，以

11、实现“逻辑或”连接。 温度开关(U3)增添了热保护功能，其漏极开路输出可以直接与连接到U1 ON引脚的其它信号“线或”连接，也可以分别控制微处理器。利用其TO220封装，U3可以安装到散热片上，也可以选择表面贴封装(SOT23)，靠近已 知热源(如：R1、Q1或主负载)安装。本电路中，发生温度报警时，U3产生断电信号，从而保护电路。低功耗线性稳压器(U4)为低压器件U2和U3提供 5V电源，但U4并非为负载供电的系统电源。 安森美半导体分享LED照明设计基础知识上网日期: 2009年12月17日窗体顶端窗体底端有 6 名读者发表评论申请免费杂志订阅收藏打印版推荐给同仁发送查询精品文章 LED替

12、代传统照明，方向性错误？ 斯里兰卡渔民使用环保节能LED灯 如何为低压便携设备背光应用选择LED驱动器方案更多精品文章关键字：LED照明 LED驱动器 功率因数校正 供稿：安森美半导体 发光二极管(LED)继在中小尺寸屏幕的便携产品背光等应用获大量采用后，随着它发光性能的进一步提升及成本的优化，近年来已迈入通用照明领域，如建筑物照明、街道照明、景观照明、标识牌、信号灯、以及住宅内的照明等，应用可谓方兴未艾。 另一方面，LED照明设计也给包括中国工程师在内的工程社群带来了挑战，这不仅因为LED照明的应用范围非常广泛，应用的功率等级、可以采用的驱动电源种类及电源拓扑结构等，也各不相同。工程师们迫切

13、需要系统地学习及了解更多有关LED照明设计的基础知识。有鉴于此，安森美半导体的产品应用总监Bernie Weir先生近期专门撰写相关培训资料，为工程师们传授相关的设计基础知识，内容涉及LED驱动器的通用要求、电源拓扑结构、功率因数校正、电源转换能效和驱动器标准，以及可靠性和使用寿命等其它问题，方便他们更好地设计入门及提高，从而更好地服务于LED照明市场。限于篇幅，本文是该培训资料的摘要介绍。 一、LED驱动器通用要求驱动LED面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供应商的LED正向电压也会有差异；另外，LED的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。

14、 另外，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED的排列方式问题。各种排列方式中，首选驱动串联的单串LED，因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压(Vout)如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。当然，用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向电压的应用，并获得其它优势。如在交叉连接中，如果其中某个LED因故障开路，电路中仅有1个LED的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。 图1：常见的LED排列方式。LED的排列方式及LED光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的

15、电流，而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器基本的工作电路示意图如图2所示，其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接，最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离”则没有采用高频变压器来电气隔离。 图2：LED驱动器的基本工作电路示意图。值得一提的是，在LED照明设计中，AC-DC电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置：1)整体式(integral)配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效及简化安装等；2)分布式(distributed)配置，即两者单独存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。 LED驱动器根据不

16、同的应用要求，可以采用恒定电压(CV)输出工作，即输出为一定电流范围下钳位的电压；也可以采用恒定电流(CC)输出工作，输出的设计能严格限定电流；也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作，即提供恒定输出功率，故作为负载的LED的正向电压确定其电流。 总的来看，LED照明设计需要考虑以下几方面的因素： * 输出功率：涉及LED正向电压范围、电流及LED排列方式等 * 电源：AC-DC电源、DC-DC电源、直接采用AC电源驱动 * 功能要求：调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制 * 其他要求：能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性等 * 更多考虑因素：机械

17、连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等二、LED驱动电源的拓扑结构采用AC-DC电源的LED照明应用中，电源转换的构建模块包括二极管、开关(FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，参见图3，其中反激拓扑结构是功率小于30 W的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言，其尺寸的大小与开关频率有关，且多数隔离型LED驱动器基本上采用“电子”变压器。 图3：常见的隔离型拓扑结构。采用DC-DC电源的LED照明应

18、用中，可以采用的LED驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，基本的应用示意图参见图4。电阻型驱动方式中，调整与LED串联的电流检测电阻即可控制LED的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容(EMC)问题，劣势是依赖于电压、需要筛选(binning) LED，且能效较低。线性稳压器同样易于设计且没有EMC问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，且提供外部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过PWM控制模块不断控制开关(FET)的开和关，进而控制电流的流动。 图4：常见的DC-DC LED驱动方式。开关稳压器具

19、有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰(EMI)问题。LED DC-DC开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SEPIC)等不同类型。其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED串最大电压时采用降压结构，如采用24 Vdc驱动6颗串联的LED；与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12 Vdc驱动6颗串联的LED；而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC结构，如采用12 Vdc或12 Vac驱动4颗串

20、联的LED，但这种结构的成本及能效最不理想。 采用交流电源直接驱动LED的方式近年来也获得了一定的发展，其应用示意图参见图5。这种结构中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免AC-DC转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中LED在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入LED保护措施，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。 图5：直接采用交流驱动LED的示意图。三、功率因数校正美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。

21、这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9；但是，这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC61000-3-2谐波含量标准中则规定了功率大于25 W的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真(THD)0.94。虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常0.95+)。 图6：有源PFC的应用电路示意图。PFC技术包

22、括无源PFC及有源PFC两种。无源PFC方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8或更高的功率因数。其中，在小于5 W至40 W的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7的功率因数。有源PFC(见图6)通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC通常提供升压，交流100至277 Vac的宽输入范围下，PFC输出电压范围达直流450至480 Vdc。如果恰当地设计PFC段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC转换来提供电流稳流。 四、能效问题

23、LED照明应用的能效需要结合功率输出来考虑。美国“能源之星”固态照明规范规定了照明器具级的能效，但并不涉及单独LED驱动器的能效要求。如前所述，采用AC-DC电源的LED应用可以采用两段式分布拓扑结构，故可能采用外部AC-DC适配器供电。而“能源之星”的确包含有关单输出外部电源的规范，其2.0版外部电源规范于2008年11月开始生效，要求标准工作模式下最低能效达87%，而低压工作模式下最低能效达86%；在此规范中，功率大于100 W时才要求PFC。 图7：美国能源部2008年秋季提出的LED照明灯具能效研发目标。而在采用AC-DC电源的LED应用中，要提供更高的AC-DC转换能效，就涉及到成本、尺寸、性能规范及能效等