LED固态光源与驱动技术Word格式.docx
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较高
高
宜室内
美氖灯
16W/m
较好
6000
日光灯
4～200
5000～8000
冷阴极
15W/m
需逆变
较低
10000
钨丝灯
15～200
不宜
节能灯
3～150
不宜调光
5000
LED灯
极低
直流12～36V
多种形式
10万
依据目前市场上的价格，将几种照明光源的性价比列在表4-2中。
表4-2几种光源的性价比
功率（w）
光通（lm）
光效（lm/w）
寿命（h）
市售价（每支）
价格（每lm）
白炽灯
40
480
12
<
2000
1.5元
0.0031元
普通荧光灯
36
55
>
3.5～4.0元
0.0016～0.002元
T5三基色荧光灯
28
2680
96
7～8元带镇流器40～60元
0.0030元0.0149～0.0224元
H型荧光灯
9
500～540
55～60
8000
4元，带镇流器10～12元
0.020～0.022元
螺旋节能灯
26
1540
60
带镇流器25元
0.0162元
Φ5mm白光LED
0.065
1.3～1.8
20～28
2.5～5.5元
1.9230～3.0556元
大功率白光LED
1
18
65元，含光学系统和电路108元
3.6111～6.0000元
日本白炽灯
720
0.50美元
0.0007美元
荧光灯
3500
97
10美元
0.0029美元
1.2LED的光学特性
LED是利用化合物材料制成P-N结的光电器件。
它具备P-N结结型器件的光学
特性光谱响应特性、发光光强指向特性、时闻特性。
发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。
（1）发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。
LED大量应用要求是圆柱、圆球封装。
由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：
位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°
。
当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。
发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。
（2）发光强度的角分布，是描述发光在空间各个方向上光强分布。
它主要取决于封装的工艺。
包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否。
白炽灯、荧光灯和充气灯，其光强分布范固几乎接近4空间；
但是LED接近2空间的配光曲线都是很少的，因为LED的方向性很强。
配光曲线一般都采用极坐标来表示，对于LED，只要0～180的极坐标就够了。
只需传统电光源使用坐标纸的一半。
1.3白光LED驱动技术
1.3.1白光LED驱动电源的分类及连接方式
白光LED工作的正向电压为3.4V，标准白光LED典型的正向电流为20mA，大功率白光LED典型的正向电流为350mA。
较高的白光LED正向电流（Flash模式，500～700mA）导致较高的正向电压，较低的正向电流（Torch或Uideo模式，100～350mA）则产生较低的正向电压。
白光LED的正向电压将依据工作状况而变化，其正向电压也会随着温度的上升产生数百毫安伏的漂移。
因此，有效的供电是保证白光LED正常工作的前提，因为白光LED的正向电压将依据电源的工作状况而变化，白光LED电流与正向电压关系见表4-3。
表4-3白光LED电流与正向电压关系
电流（mA）
最小电压VMIN（V）
典型电压（V）
最高电压VMAX（V）
200
2.78
3.27
3.77
350
2.79
3.42
3.99
700
3.05
3.76
4.47
1000
3.16
3.95
4.88
目前LED均采用直流驱动，因此LED需要一个电源适配器，即LED驱动电源。
在设计中应根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求，选择和设计LED驱动电源。
1．白光LED对驱动器的要求[31][32][33][34][35]
驱动器可以看作是向白光LED供电的特殊电源，可以驱动正向电压降3.0V～4.3V的白光LED，并根据要求驱动串联、并联或多个白光LED，满足驱动电流的要求，对驱动器的主要要求如下：
（1）为满足便携式产品的低压供电，驱动器应该具有升降压功能，以满足1～3节充电电池或1节锂电池供电的要求，并要求能工作到电池终止放电电压为止。
（2）驱动器应有高的功率转换效率，以提高电池的寿命或两次充电之间的时间间隔。
目前高的功率转换效率可达80％～90％，一般可达60％～80％。
（3）在多个白光LED并联使用时，要求各白光LED的电流相匹配，使亮度均匀。
（4）功耗低，静态电流小，并且有关闭控制功能，在关闭状态时一般静态电流应小于1mA。
（5）白光LED的最大电流ILED可设定，使用过程中可调节白光LED的亮度（亮度调节）。
（6）有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路或保护。
（7）小尺寸封装，并要求外围组件少而小，使所占印制板面积小。
（8）对其它电路的干扰影响小。
（9）使用方便，价位低。
2．LED驱动电源的分类
从供电电压的高低可以将驱动器分成3类：
升压式DC/DC变换器或升压式（或升降压式）电荷泵变换器；
降压式或升降压式DC/DC变换器；
降压式DC/DC变换器。
可用作白光LED驱动电源的集成器件品种较多，大致可分为：
恒流源、电荷泵、开关电源三种。
3．LED的连接方式
在大多数应用中，白光LED驱动器通过并联或串联方式连接在一起，但在个别情况也可采用混合的串、并联配置方式。
对LED进行连接时采用串联、并联或混联的方式取决于应用的需要，每种配置方案都有本身的优点和不足之处。
4．LED驱动方法
用原始电源给LED供电有4种情况：
低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动、市电驱动。
不同的情况在电源变换技术实现上有不同的方案。
5．白光LED驱动电源应具有的要素
直流控制；
高可靠性；
高效率；
长寿命；
过压保护；
负载断开；
简便易用；
小尺寸。
1.3.2白光LED恒流驱动电路
1.LED驱动电路功能
LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件，给LED供电的电源必须注意以下事项：
（1）LED是单向导电器件，因此需要用直流电流或单向脉冲电流给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3~4V。
（3）LED的I-V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。
（4）LED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不能直接用电压源供电，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。
（5）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的电流的增加而增加，但不成正比，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。
因此，LED驱动电路应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小尺寸以及简便易用等特点。
（1）直流控制
LED是电流驱动器件，其亮度与正向电流呈正比关系。
有以下两种方法可以控制LED正向电流：
一种方法是采用电压源驱动LED。
这种驱动方式最大不足就是LED正向电压很小的变化都会导致LED很大的变化。
另外，在输入电压一定的情况下，镇流电阻的压降和功耗都会影响整体的效率。
另一种方法是采用恒流源驱动LED，这是首选的LED驱动方式。
采用恒流源驱动可以保证无论正向电压如何变化，都可产生恒定的LED亮度。
（2）高效率
当今社会强调节能环保，电源的高效率已成为一个重要的研究方面，同时效率的提高可以减少系统发热量，降低工作温度，延长LED寿命。
LED驱动器的效率测量与典型电源的效率测量不同。
典型电源效率的定义是输出功率除以输入功率。
而对于LED驱动器来说，输出功率并非相关参数，重要的是产生预期LED亮度所需要的输入功率值。
这可以简单的通过LED功率除以输入功率来确定。
这样定义效率的话，电流检测电阻中的功率会导致电源功率耗散。
因此在保证LED亮度的情况下，较低的电源电压可以提高效率。
（3）PWM调光
作为显示用背光模组，不仅需要得到较高的亮度和稳定度，还要考虑到色度方面的要求。
这就需要能对RGB三原色进行精确的调整，LED驱动电路应具有良好的调光能力。
可采用两种调光方法：
模拟调光与脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）调光。
模拟调光即通过改变恒流驱动的输出电流峰值大小控制LED亮度，这种方法的缺点是会出现LED光谱偏移，并且需要采用模拟控制信号，因此使用率一般不高。
PWM调光通过改变输出电流的占空比来控制LED亮度，不会造成LED光谱的偏移。
为确保人的肉眼感觉不到PWM脉冲所造成的LED明灭变化，PWM信号的频率必须高于100Hz，最大PWM频率取决于电源启动及反应时间。
一般LED驱动器应能够接受高达50kHz的PWM频率。
（4）安全保护
要提高电路的可靠性，电路必须要有过压、过流等保护电路，不能因为电路故障而造成LED的损坏。
在恒流模式下工作的电源需要采用过压保护功能。
无论负载为多少，恒流驱动器都可以产生恒定的输出电流。
如果负载电阻增大，驱动器的输出电压也必须随之增大。
如果驱动器检测到过大的负载电阻，或者负载断开，输出电压可能超出IC或其他分立元件的额定电压范围，这就需要过压保护功能。
而LED是电流驱动器件，过大的电流会直接损坏LED，因此必须要有过流保护电路。
2.恒流驱动的散热考虑
就系统设计而言，在设计LED恒流驱动电路时首先要了解LED的恒流参数。
目前LED芯片的制造商很多，国内外LED的差异主要在于相同电参数的情况下，发光流明数可能不同，因此设计中要清楚地认识到LED功率并不是决定发光效率的唯一参数。
例如，同样是1W的LED，有的LED可以达到40lm的亮度，而有的只能达到20lm的亮度，这是因为LED光学效率还取决于材料和制作工艺等诸多环节。
在设计中若为了提高发光效率而采取加大LED驱动电流的办法，如对于同一只1W的LED，加大驱动电流后，亮度可以从20lm提高到40lm，但是LED的工作温度也相应升高了。
一旦温度超过LED的限温点，就会影响LED的寿命和可靠性，这是设计恒流驱动过程中需要注意的问题。
此外，LED照明系统的光学效率不仅取决于LED恒流驱动方案，还与整个系统的散热设计密切相关。
为缩小体积，将LED驱动电路与散热部分贴近设计，这样容易影响可靠性。
一般来说，LED照明系统的热源基本就是LED本身，热源太集中会产生热损耗，因此LED驱动电路不能与散热系统紧贴在一起[36]。
应采取下列散热措施：
（1）LED采用铝基板散热；
（2）功率器件均匀布局；
（3）尽可能避免将LED驱动电路与散热部分贴近设计；
（4）抑制封装至印制电路基板的热阻抗；
（5）提高LED芯片的散热顺畅性以降低热阻抗。
3.LED驱动电路设计
HV991X是款灵活简单的LED驱动器IC，效率不超过93%，可减少相关组件的数量，从而降低了系统成本。
HV9910可将8～450VDC电压源转换为一个恒流源，从而为串联或并联的大功率LED提供电源。
HV991X应用恒定频率峰值电流控制的脉宽调制（PWM）方法，采用了一个小电感和一个外部开关来最小化LED驱动器的损耗。
不同于传统的PWM控制方法，该驱动器使用了一个简单的开关控制来调整LED的电流，因而简化了控制电路的设计。
该驱动器具有内置的降低亮度控制，能协同外部范围在0%～100%的PWM信号工作，也可以利用外接线性可调电压来实现LED亮度控制。
HV9911引脚排列如图4-1所示。
图4-1HV9911引脚排列图
IC内部提供稳压电路输入电压为9～250V，可输出7.75电压提供给IC内部电源使用，若需要提供输入电压范围，可外接一个200V的ZW接于输入电压与IC的VIN端之间，这可使得输入电压范围提升至450VDC，也可以使IC内部稳压电路所产生的功率损耗分散一部分在ZenerDiode上。
IC的VDD端工作电压也可提高，由一个二极管连接至外部电压，此二极管的作用是避免将外部电压若低于IC内部稳压电路的输出电压时照成IC的损坏，最大的外接静态稳定电压为12V（瞬态电压为13.5V），因此11V±
5%的电压源始理想的外部提升电压值。
IC内部提供1.25%、2%精密参考电压，这参考电压可用来设定电流参考值，以及输入电流限制值，此参考电压也同时提供IC内部设定过电压保护。
振荡电路可经由外部电阻设定振荡频率，此电阻跨接于RT及GND端之间，则IC工作于定频模式，另外，若电阻跨接于RT与GATE端间，则IC工作于固定关闭时间模式（此模式不需要斜率补偿控制使电路稳定）。
定频时间或关闭时间可设定于2.8～40ms之间。
IC在定频工作模式下，将所有SYNC端连接在一起，多个IC可工作在单一频率。
少数应用必须外加一个大电阻于SYNC到GND端之间，用来抑制杂散电容所造成的振铃，当所有SYNC连接在一起时，应使用相同电阻值跨接于每一个IC的RT与GND端之间。
闭环回路控制的构成是连接输出电流信号至FDBK端，同时将电流参考连接至IREF端，补偿网络连接至COMP端（传导运算放大器的输出端）。
放大器的输出受PWM调光信号控制，当PWM调光信号为高时，放大器的输出端连接至补偿网络，当PWM调光信号为低时，放大器的输出端与补偿网络被切断，因此补偿网络内的电容电压可维持到PWM调光信号再度回复高位时，补偿网络才又连接放大器的输出端，这样可确保电路正常工作以及获得非常好的PWM调光反应，而不需要设计一个快递的控制电路。
信号可用于驱动外部连接的FET，IC激活时，
信号维持低点位，IC激活过后，此端被拉高，这使得外电路的LED与升压电路连接，并使LED发光。
假如输出端有过电压或短路情形发生，内部电路会将
信号拉低，并使LED与升压电路断开。
断开LED与升压电路的连接，可确保输出电容不会随着PWM调光信号的周期而充放电。
PWM调光信号到
信号与保护电路的输出以AND方式连接，以确保保护电路动作时能够覆盖PWM调光控制的输入。
信号也受控于PWM调光控制信号，PWM调光信号为低时，
信号也为低，但当PWM调光信号为高时，
信号却不一定为高。
输出短路保护的动作原理是，当检测输出电流大于2倍参考电流设定值时，保护动作。
过电压保护的动作原理是，当OVP端的电压大于1.25V时，保护动作。
两个信号被送至一个OR再送到保护锁定电路。
当有任一保护动作发生时，保护锁定电路会将GATE及
同时关掉。
一旦有保护动作发生时，必须将电源重启，才能使保护锁定电路恢复重置。
而在IC激活时需要注意一下两点：
（1）当VDD与PWMD连接在一起，通过电路上的输入电压的连接或断开来激活时，IREF所连接的电容必须为0.1µ
F，而VDD上所连接的电容值需小于1µ
F以确保可靠地激活IC。
（2）若电路使用外部信号激活或关闭，而输入电压一直保持常开启时，则IREF及VDD所使用的电容值可增加。
调整IREF端的电压值可实现输出电流的线性调整，其方法是采用可变电阻、分压电阻网络或外部提供参考电压连接至IREF端。
但是，一旦IREF端的电压低到非常小时，IC的短路电流保护比较器的误差电压（OFFSET）可能会造成短路保护发生误动作，这时必须将IC电源关掉重启，重新激活电路，为了避免此误动作，IREF端的最低电压为20～30mV。
HV9910内部的PWM调光功能能够达到非常快速的调光响应，克服了传统升压电路不能实现非常快速PWM调光的缺点。
PWMD控制的IC内部三个点：
（1）GATE信号到开光FET。
（2）
信号到断开FET。
（3）运算放大器到补偿网络的输出端。
当PWMD信号为高时，GATE信号与
可以工作，同时运算放大器的输出端连接到补偿网络，这使得升压电路可以正常工作。
当PWMD信号为低时，GATE信号与
被停止工作，能量无法从输入端转移到输出端，但是，为避免输出电容放电到LED而造成LED电流下降时间被拉长，这个放电电容同时也会使得电路重新连接工作时，LED电流的上升时间会被拉长。
因此，避免输出电容的放电是相当重要的。
IC输出
信号断开FET，使得LED的电流几乎立刻的下降到零电流，因此输出电容并没有被放电，所以当PWMD信号回复高位时输出电容不需要额外的充电电流，这使得上升时间非常快速。
当PWMD信号为低时，输出电流降至零，这使得相当大的误差信号至反馈至放大器的输入端，会造成补偿回路电容器上的电压上升至最高电位。
因此当PWMD信号回到高时，过高的补偿回路电压会控制电感峰值电流，而造成相当大的输出涌浪电流发生在LED上。
这样大的LED电流会使稳定时间被延长，当PWMD信号为低时，断开运算放大器与补偿回路是有助于维持补偿回路的电压不被改变。
因此当PWMD信号回到高时，电路立刻回复稳定而不会产生过大的LED电流。
HV9911驱动LED典型应用电路如图4-7所示，VIN与GND之间提供21V～27V的输入电压。
BOOST拓扑电路提供80V最高输出电压。
可驱动InGaN氮化铟镓LED的数目为20只。
如果不使用PWM，需要连接VDD来启动LED驱动器[37]。
在直流变换器中有几种常用的基本变换器拓扑，它们是BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型，此外还有SEPIC型和ZETA型等变换器。
BUCK降压型变换器可以在提供恒定电流的情况下保证很高的效率，能提供范围很宽的输入电压和输出电压，而且设计反馈控制电路也相对简单。
BUCK型变换器可以很容易的使工作效率超过90%，非常适合驱动高亮LED。
准备选用HV9911来设计BUCK型电压变换电路来驱动串联大功率LED。
HV9911是Supertex公司生产的第二代高电压LED驱动芯片，它是闭合环路的开关模式LED驱动器，并有一个负载调节运算跨导放大器，用于闭环控制输出电流，对PWM调光有良好的暂态反应。
HV9911包含了9V~250VDC输入电压稳压器，不需要额外电源，仅由单一输入电压提供IC工作电源。
同时内建了2%精密参考电压（全温度范围），能精确地控制LED串联电流，并包含了断路用的FET驱动电路。
当输出短路或过电压时，便会自动断开LED串对地的路径，此功能缩短了控制电路的反应时间。
芯片HV9911具有以下一些主要特点：
（1）开关模式LED驱动IC，可用于BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、SEPIC型变换器；
（2）输入电压范围9V-250VDC；
（3）工作效率高于90%；
（4）恒定电流LED驱动器；
（5）高PWM调光率；
（6）输出电流短路保护；
（7）输出过压保护。
HV9911内部原理图如图4-2所示。
图4-2HV9911内部原理图
HV9911主要功能工作原理如下：
（1）LED驱动电路恒流的原理
GATE引脚输出占空比变化的电压，以控制外部N沟道功率MOSFET的开关状态，从而控制DC-DC变换器的输出电流大小。
CS引脚检测外部MOSFET的漏极电流，在芯片内部经过斜率补偿以及波形变换，与CLIM电压进行比较，确保流过电感的电压在限定的范围内；
同时，FDBK引脚检测变换器输出电流的大小，与IREF设定电压进行比较，确保输出电流的恒定。
这两个比较值经过变换电路，形成PWM波形输入到GATE引脚。
（2）HV9911的PWM调光功能
PWMD引脚引入PWM控制信号，此信号在芯片内部经过逻辑组合电路，控制GATE引脚输出电压的占空比，从而达到控制输出电流的作用。
（3）HV9911过流及过压保护功能
在两种情况下，HV9911内部会产生一个控制信号，将
以及GATE引脚电压拉低至地电压，关断HV9911：
1.FDBK采集到的输出电流检测电压与IREF引脚电压的两倍进行比较，当FDBK脚电压超过IREF电压的两倍时；
2.用分压电阻将输出电压采样信号送入OVP引脚，当OVP电压超过REF电压（1.25V）时。
当HV9911进入保护状态后，只有在HV9911电源重启之后才能使系统恢复工作。
LED驱动电路如图4-3所示。
图4-3HV9911组成的LED驱动电路
1.4LED照明设计
LED照明必须满足或超过目标应用的照明要求。
根据设计指标，此套太阳能路灯方案选取白光LED，电气参数如表4-4：
表4-4LED所选参数
根据LED驱动输出电压为48V，LED电流为200mA，为满足LED功率为18W，可计算得出LED功率为9
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