全面讲解LED驱动电源方案精.docx
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全面讲解LED驱动电源方案精
全面讲解LED驱动电源方案
一、什么是LED?
LED（LightEmittingDiode）,又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材
料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产
生可见光。
二、LED有哪些优点？
★高效节能一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电）
★超长寿命半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）
★光线健康光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线中含有紫外线和红外线）
★绿色环保不含汞和氙等有害元素，利于回收和利用，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰）
★保护视力直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）
★光效率高，发热小：
90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能）
★安全系数高所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，可用于矿场等危
险场所
★市场潜力大低压、直流供电，电池、太阳能供电即可，可用于边远山区及野外照
明等缺电、少电场所。
三、权威预测
半导体照明将在未来5-10年内取代现有传统光源。
朱来白光LED将更加便宜，市场总体容量将快速增长。
”许志鹏乐观地指出，据美国
能源部预测，2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被LED替代，可能形成一个500亿美元的大产业。
而日本提出，LED将在今年大规模替代传统白炽灯。
日、美、欧、韩等
国均已正式启动LED照明战略计划。
美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯将被嵌在芯片上的发光体---半导体灯替代。
日本计划到2008年用这种半导体灯替代50%的传统照明灯具。
科学家测量发现，在同样亮度下，LED的电能消耗仅为白炽灯的1/10,寿命则是白炽灯的100
倍。
由于LED具有节能、环保、寿命长、体积小等优点，专家们称其为人类照明史上继白炽灯和荧光灯之后的又一次飞跃。
根据美国能源部（DOE）的预计，传统照明器件的彻底
更新换代将在2010年开始启动，然而许多LED供应商都希望将这个启动时间再提前一到两年。
四、继澳大利亚欧盟欲让白炽灯两年内下课”
2007年3月9日在英国伦敦街头，成串的彩灯闪烁。
刚刚结束的欧盟首脑会议通过了一系列旨在提高能效的措施。
9日结束的欧盟春季首脑会议已经达成协议，两年内欧洲各国
将逐步用节能荧光灯取代能耗高的老式白炽灯泡，以减少温室气体排放。
在这之前，澳大利
亚已率先通过停止使用白炽光灯泡法令。
五、LED照明产值将超千亿美元同方正发力
同方股份副总裁兼董秘孙岷近日向记者透露，公司的高亮度LED照明项目已基本实现
产业化，目前已经有20条生产线投产，其产业化技术达到世界先进水平，规划2008年年底
生产线将达到50条，形成绿色照明的规模化效应。
预计我国2008年应用市场规模将达540
亿元，到2010年，中国半导体照明及相关产业产值将超过1000亿美元的规模，其中高亮度
芯片国内增长率将高达100%。
六、首尔半导体期望能取得全球照明市场之中1,000亿美元的份额。
韩国首尔半导体公司现正计划用LED取代传统的照明灯，目前Acriche60流明/瓦特的亮度在2007年第四季提升五成至80流明/瓦特，而每一模组为250流明；在2008年第四季达至120流明/瓦特，而每一模组为400流明，期望能取得全球照明市场之中1,000亿美元的份额。
七、澳大利亚与新西兰将率先停止使用白炽光灯泡
澳大利亚政府最近宣布，为了减少温室气体的排放量，澳大利亚将禁止除医疗用以外的
白炽灯的使用。
据此，到2012年时澳大利亚将减少400万吨温室气体的排放。
而据2007年2月21日《TheDominionPost》报道，新西兰能源部长DavidParker建议参照澳大利亚的做法，新西兰也应在未来两到三年内禁止使用普通白炽光灯泡，用节能环保
的荧光灯泡（FlorescentEcoBulb）取代。
澳大利亚环境部长MalcolmTurnbull说，澳大利亚2010年将推行新的民用照明标准，通过新标准的实施，2012年可减少温室气体排放400
万吨。
据悉，这种新型荧光灯泡主要从中国进口。
八、为什么首选楼道灯来应用LED
1,目前比较而言，LED的售价还较高，楼道灯是共用设施，共同承担大家就能接受。
2，楼道灯现在普遍是使用白炽灯，若换用LED灯，节电的效果就特别明显。
3，楼道灯在白天是熄灭的。
晚上就频繁的启动或关断。
不要说是节能灯，就是白炽灯都会很快的玩完。
但是LED灯却是不怕，因为它的发光机理与白炽灯和节能灯都不同，就恰恰非常的适应在高速的开关工作状态，绝对不会因为是这个原因而损坏。
LED灯的寿命很长，就免除了楼道灯经常需要维修的尴尬状况。
楼道灯是物业交电费，投入是一次性的，节约80%的电费是长期的，物业部门最
4,
5,
合算。
LED灯能直接替换现在的楼道灯吗？
不能。
由于现在大家使用的楼道灯是白炽灯，根本就无法用LED灯或节能灯去替换，
所以如果要换用LED灯就必须也要同时换用声光控开关。
现在有专用的一体化的LED声光
控楼道灯，直接就使用220V的市电，非常方便使用。
我们将强烈建议楼道灯的使用电压用
九、
直流的24V，其好处和原因我们会另文介绍。
随着技术发展和成本的降低，LED灯取代节能
灯也就成为必然的了。
十、LED驱动电源的分类及特性
1、按驱动方式可分为两大类：
（1）恒流式：
a、恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高；
b、恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。
C、恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。
d、应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量；
（2）稳压式：
a、当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化；
稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。
c、
以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平
均;
亮度会受整流而来的电压变化影响。
2、按电路结构方式分类
（1）电阻、电容降压方式：
通过电容降压，在闪动使用时，由于充放电的作用，通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片。
易受电网电压波动的影响，电源效率低、可靠性低。
（2）电阻降压方式：
通过电阻降压，受电网电压变化的干扰较大，不容易做成稳压电源，降压电阻要消耗很大部分的能量，所以这种供电方式电源效率很低，而且系统的可靠也
较低。
（3）常规变压器降压方式：
电源体积小、重量偏重、电源效率也很低、一般只有45%60%，所以一般很少用，可靠性不高。
180〜240V，波纹
（4）电子变压器降压方式：
电源效率较低，电压范围也不宽，一般干扰大。
（5）RCC降压方式开关电源：
稳压范围比较宽、电源效率比较高，一般可以做到70%〜80%,应用也较广。
由于这种控制方式的振荡频率是不连续，开关频率不容易控制，负载电压波纹系数也比较大，异常负载适应性差。
（6）PWM控制方式开关电源：
主要由四部分组成，输入整流滤波部分、输出整流滤
波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分。
PWM开关稳压的基本工作原理就是在
输入电压、内部参数及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导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定
（即相应稳压电源或恒流电源）。
电源效率极高，一般可以做到80%〜90%，输出电压、电
流稳定。
一般这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。
从以上介绍可以看出PWM控制方式设计的LED电源是比较理想的LED电源。
目前珠海市南宇星电子公司生产的金兴”牌LED开关电源就是PWM控制技术的开关电源，该类
LED电源经用户使用反映效果很好。
一、刚刚开始起步成本高
照明成本不仅涉及灯具的初始成本，还涉及灯具所消耗的能源成本，灯具无法正常工作
时更换灯具所需的劳动成本，以及所需灯具更换的平均频率。
从这一概念出发就很容易理解，为什么LED光源是白炽灯光源价格的50倍左右时，LED交通信号灯的市场就开始启动，而
当达到28倍时，就已形成新兴产业。
目前半导体照明主要以光色照明和特殊照明为主，以后将向普通照明扩展。
具体来讲，近几年内，半导体照明市场将广泛应用在各种信号灯、景
观照明、橱窗照明、建筑照明、广场和街道的美化、家庭装饰照明、公共娱乐场所美化和舞台效果照明等领域。
事实上，我们身边已经随处可见它的身影：
电脑显示灯、手机按键和屏
幕的背光源、汽车尾灯、建筑物灯光、交通信号灯……等等。
二、不一致性带来的问题：
理论上LED都一样，都是能发光的二极管，而实际上所有LED的电性能都是有差异的，众多的厂家都在抢生产进度、抓数量；每个厂家的生产工艺是不一致的，甚至相差很大，就是同一厂家的不同时间的工艺都是有差异的；生产发光二极管的半导体材料的纯度要求非常
高，不同厂家使用的半导体原材料的纯度是有差异的，这就使LED的发光强度与驱动电流
是不完全相同的，或者相差很大，而且耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了；由于封装工艺和封装材料的不同，使得整体的散热能力是不一样的，所有的厂家都在研究和
开发新材料，以求解决组合材料的热彭胀与散热的问题。
由此不难看出，LED发光二极管
在短期内仍存在个体之间的很大的差异，如果每个灯只用一个LED，那是很好控制的，而
且是真正的长寿命，例如电视机、DVD上的电源指示灯就是如此；而当我们用LED制作
照明灯具时，就不是用单个的LED，而是用多个，或上百上千个LED排成阵列接入电路，
再者，需要的亮度就不是指示灯所能做到的，而电流大了、小了亮度都要减弱，且会使寿命
在多个LED组成的连
LED。
这就是不一致性
大打折扣，甚而致于未出厂就坏掉了；因LED的差异性总是存在的，路中，当有几个坏掉时（通常是短路），会使电流增大而损坏其他的带的结果，也是制约其发展的因素之一。
三、驱动电路复杂成本高、故障率高
a.
220V的交流市电。
LED
LED灯，要配备不同的
在电压匹配方面，LED不象普通的白炽灯泡，可以直接连接是2--3.伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的电源适配器。
b.在电流供应方面，LED的正常工作电流在15mA-18mA，供电电流小于15mA时LED的发光强度不够，而大于20mA时，发光了强度也会减弱，同时发热大增，老化加快、寿命缩短，当超过40mA时会很快损坏。
为了延长LED照明灯的使用寿命，简易电源是不能使用的，而常用集成电路电源、电子变压器、分离元件电源等，但都要设计恒流源电路和恒压源电路供电的方式，大电流驱动时，要配大功率管或可控硅器件，另加保护电路，这样就使LED的电源供应器电路很复杂，故障率增加。
元件成本、生产成本、服务成本都将升高。
而目前LED本身的成本就高，加上电源的成本，这就大大地限制了市场的竞争力与购买群体，LED照明灯的优势大打折扣，这也是制约其发展与普及的又一关键问题。
四、解决问题的方法与可行性分析：
解决问题的方法可用自复位过流保护器WHPTC元件
如果用WHPTC过流保护器作保护，将是另外一种结果，从原理可知，当电路的电流超过规定值时会讯速的自动保护，在排除故障后又自动复位，无需人工更换。
对LED而言，
电压的变化不是LED损坏的直接原因，而电流的增大才是LED的真正杀手。
显而易见，利
用WHPTC的这个特性，在LED的电路保护上具有绝对的优势，让简易电源供电变为现实。
实践证明，在LED电路出现故障以前就有效保护了。
在简易电源上，这个优势特别突出。
对如下3图分析可见，因有了WHPTC后可省去恒流、恒压电路，LED的质量也提高了。
器件成本、生产成本、故障率、服务成本等，都大大降低。
也大大增加了产品的市场竞争力。
所以谁先使用WHPTC，谁先占领市场。
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严
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使用WHPTC前后的拓扑结构比较图
II
1
浅谈LED产品老化我们在应用LED时经常会出现这样种问题，LED焊在产品上刚开
始的时候是正常工作的，但点亮一段时间以后就会出现暗光、闪动、故障、间断亮等现象，给产品带来严重的损害。
引起这种现象的原因大致有：
1.应用产品时，焊接制程有问题，例如焊接温度过高焊接时间过长，没有做好防静电
工作等，这些问题95%以上是封装过程造成。
2.LED本身质量或生产制程造成。
预防方法有：
1.做好焊接制程的控制。
2.对产品进行老化测试。
老化是电子产品可靠性的重要保证，是产品生产的最后必不可少的一步。
LED产品在老化
后可以提升效能，并有助于后期使用的效能稳定。
LED老化测试在产品质量控制是一个非
常重要的环节，但在很多时候往往被忽视，无法进行正确有效的老化。
LED老化测试是根
据产品的故障率曲线即浴盆曲线的特征而采取的对策，以此来提高产品的可靠性，但这种方
法并不是必需的，毕竟老化测试是以牺牲单颗LED产品的寿命为代价的。
LED老化方式包括恒流老化及恒压老化。
恒流源是指电流在任何时间都恒定不变的。
有频率的问题，就不是恒流了。
那是交流或脉动电流。
交流或脉动电流源可以设计成有效值恒定不变，但这种电源无法称做「恒流源」。
恒流老化是最符合LED电流工作特征亲羁蒲
y腖ED老化方式；过电流冲击老化也是厂家最新采用的一种老化手段，通过使用频率可调，
电流可调的恒流源进行此类老化，以期在短时间内判断LED的质量预期寿命，并且可挑出
很多常规老化无法挑出的隐患LED。
有效防止高温失灵-PTC热敏电阻用作LED限流器近
年来，发光二极管（简称LED）的发展已取得巨大进步：
已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率LED。
不久之后，LED照明的成本将降至与传统冷阴极荧光灯
（简称CCFL）类似的水平。
这使得人们对LED的下述应用兴趣日浓：
汽车照明灯、建筑
物内外的LED光源、以及笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。
大功率LED技术的发展提
高了设计阶段对散热的要求。
就像所有其它半导体一样，LED不能过热，以免加速输出的
减弱，或者导致最坏状况：
完全失效。
与白炽灯相比，虽然大功率LED具有更高效率，但
是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。
因而，可靠的运作就需要良好的散热，并要求在设计阶段就考虑高温环境。
设计LED驱动电路尺寸时，也必须考虑温度因素：
必
须选择其正向电流，以确保即使环境温度达到最高值，LED芯片也不会过热。
随着温度的
升高，就需要通过降低最高容许电流，即降低额定值，来实现降温。
LED制造商把降额曲
线纳入其产品规格中。
有关此类曲线，参见图
1。
T（C）图1
由于Rout不随温度而变，因此LED电流也不受温度影响。
将固定电阻换成随温度变化的电路，即可实现对LED电流的温度管理。
下列图表阐明
了如何使用PTC热敏电阻来改善标准电路。
示例1:
有反馈回路的恒流源
图2中电路1为常用的驱动电路。
其恒流源包括一条反馈回路。
当调节电阻两端的反馈
电压达到因IC而异的VFB时，LED电流就不变了。
LED电流因而被稳定在ILED=VFB/Rout。
<1）
Vo111
o
02LED的儒统驱动方式
图2LED的传统驱动方式
图3所示为上一电路改良型：
此电路借由PTC热敏电阻，生成随温度变化的LED电流。
通过正确选择PTC热敏电阻、Rseries以及Rparallel，此电路与专用驱动IC和LED组合相匹配。
其中，LED电流可经由下列方程式计算得出：
60度
热敏电阻后LED电流可在0度和40度之间提升达40%，并且LED
图3所示电路阐明了LED电流（参见图3）的温度依赖性。
与针对最高运行温度为的恒流源相比较，使用PTC亮度也能提高同等百分比。
图3采用PTC热敏电阻的温度监测和电流降频
示例2:
调节电阻与LED无串联的恒流源
图2所示电路2为另一常见的恒流源电路：
电流通过连接驱动IC的电阻得以确定。
然而
在这种情况下，调节电阻并未与LED串联。
Rset和ILED之间的比率由IC规格明确。
因
此，运用20KQ的串联电阻和TLE4241G型驱动IC,最终产生的LED电流为30mA。
图4
所示为标准电路改良型，其中也含有一个PTC热敏电阻，尽管此处采用WHPTC热敏电阻。
±5C（标准系列）或±3C（容许误差
在感测温度，元件电阻可达4.7KQ,且容许误差值为
值精确系列）。
Rseries容许误差范围小，在低温时支
15K时，由于PTC热敏电阻的阻值
图4所示为随外界温度而变化的LED电流。
固定电阻配总电阻。
只有在低于PTC热敏电阻的感测温度大约开始增加，电流才会开始下降。
在感测温度（总电阻
=Rseries+RPTC=19.5KQ+4.7KQ=24.2KQ）时的电流大约为23mA。
PTC电阻在温度更高时急剧上升，迅速引发断路，从而避免因温度过高出现故障。
Viout
«
图4
示例3:
无IC简单驱动电路
如图2所示电路3,LED也可在无驱动IC的情况下工作。
图示电路是通过车用电池驱动单一200mALED。
稳压器生成5V的稳定电源电压Vstab，以避免电源电压出现波动。
LED
在Vstab处运作，电流则通过与LED串联的电阻元件Rout决定。
在这类电路中，通过下一则等式可算出独立于温度的正向电流，在此等式中，VDiode是一个LED的正向电压：
另一做法是将WHPTC的径向引线式PTC热敏电阻以及两个固定电阻相组合后，替代上述固定电阻，如图所示。
由于LED电流的绝大部分流经PTC热敏电阻本身，因此需要选择一个较大的径向引线式元件。
PTC将因为流经电阻本身的电流而导致发热，因此会一直减少电流，无论环境温度为何（如图5所示）。
并联两个或更多片式PTC热敏电阻会将电流分流，但此方案仍存在局限性。
图5无需IC的温度补偿驱动电路
电流值主要是通过适当选择两个固定电阻来设置的。
这两个电阻也在改进电路方面也起
到重要作用，因为它们将产生的LED正向电流的允差保持在较低水平。
这在正常工作温度
范围内尤其重要，因为此时PTC热敏电阻本身的阻值允差仍较高。
第二个并联固定电阻也
能确保PTC不会在极端高温情况下彻底关闭LED，因此，电流不会降至低于下列等式计算
的所得值：
这项性能在例如汽车电子这样的应用中极其重要，因为安全要求不允许照明灯彻底关闭。
背景资料：
LED的温度依赖性
像所有半导体一样，LED的最高容许结点温度不能超过，以免导致过早老化或者完全失效。
如果结点温度要保持在临界值以下，那么外界温度升高时，最高容许正向电流则必须
下降。
不过，如果运用散热器，在特定的外界温度时正向电流可以增加。
LED的光输出随
着芯片结点温度的升高而下降。
上述情况主要发生在红色和黄色LED，白色LED则与温度
关系较小。
光照效率和正向电流保持同步增长，不过，安装在结层和环境之间的LED所具
备的高热阻率可以降低乃至逆转这种作用，这是因为随着结点温度的上升，发射光会降低。
此外，当结点温度上升且LED正向电压与温度保持同步增长时，发射光的主波长会以+0.1nm/K的典型速率增长。
各种白光LED驱动电路特性评比1996年，日亚化学的中村
氏发现蓝光LED之后，白光LED就被视为照明光源最具发展潜力的组件，因此，有关白光LED性能的改善与商品化应用，立即成为各国研究的焦点。
目前，白光LED已经分别应用
于公共场所的步道灯、汽车照明、交通号志、可携式电子产品、液晶显示器等领域。
由于白
光LED还具备丰富的三原色色温与高发光效率的特性，一般认为非常适用于液晶显示器的背光照明光源，因此，各厂商陆续推出白光LED专用驱动电路与相关组件。
鉴于此，本文
就LED专用驱动电路的特性与今后的发展动向进行简单阐述。
1定电流驱动的理由
1.1白光LED的光度以顺向电流规范
白光LED的顺向电压通常被规范成20mA时，最小为3.0V，最大为4.0V，也就是若单纯施加一定的顺向电压时，顺向电流会作大范围的变化。
ffll六种随机取样白光LED的
陋向电庾与服向电邀特性
谨；——三转随i?
L取样「厂自荒|疋【〉的、下轴肚；
*—三甘陆W图1是从A、B两家LED企业的产品中随机取三种白光LED样品进行顺向电压与顺向
电流特性检测的结果。
根据检测结果显示，若利用3.4V顺向电压驱动上述六种白光LED时,
顺向电流会在10~44mA范围内大幅变动。
表1为白光LED的电气与光学特性。
表1白光LED的电*^与光学特性
项0
符号
乗件
标淮值
单位
聽向电压
—
—
—
3.6
40
逆向电旅
—
—
—
—
50
小
光度
等级T
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由于白光LED的光度与色度是以定电流方式量测的，所以，为获得预期的亮度与色度,
通常是用定电流驱动。
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表2为光学坐标的等级（rank）（IF=25mA,Ta=250C）。
1.2避免顺向电流超越容许电流值
LED的绝对最
为确保白光LED的可靠性，基本上就是需要设法避免顺向电流超过白光大设计值（定格值）。
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