全面讲解LED驱动电源方案精.docx

1、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 （Light Emitting Diode ）,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

2、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

3、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

4、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

5、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Acriche 60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

6、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The Dominion Post报道，新西兰能源部长 David Parker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(Florescent Eco Bulb )取代。澳大利亚环境部长 Malcolm Turnbul

7、l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 LED1 ,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

8、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

9、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

10、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。180240V，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

11、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

12、，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

13、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

14、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

15、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。LEDLED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

16、，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WHP

17、TC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，

18、谁先占领市场。1*10 *：fc-5 6.* 66y -W1*1Il |WHFr严iJWHPTC至丰：:使用WHPTC前后的拓扑结构比较图II1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

19、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

20、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

21、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 L

22、ED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)Vo 111o0 2 LED的儒统驱动方式图2 LED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LE

23、D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20K Q的串联电阻和 TLE4241G 型驱动IC,最终产生的LED电流为30mA。

24、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3 C （容许误差在感测温度，元件电阻可达 4.7K Q,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15 K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=19.5K Q+4.7K Q=24.2K Q） 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

25、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 200mA LED。稳压器生成5 V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

26、 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

27、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，

28、发射光的主波长会以 +0.1 nm / 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

29、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Wif Ji厂自光in *的 F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1044mA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

30、0符号乗件标淮值单位聽向电压3.640逆向电旅50小光度等级Th72(K60toonPirM5()0讯划720ijipd尊1.16ft4和5fl0(in (J注：；工无丘的量；*?1谡至1网：2日亚、SCW館5右光.【十:廿的电毛轴，fix门U2(hiiA隶伴倒试时可说我怙龙丘5&蘆r刑此遽说定电应龙式职胡由于白光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。1光学生*的着塑V(USPJfiJ 1 OJJOOJShyCJfiT 1 03(15027&Vn鈿fl2fl3 OJXlO33ny3邓P Jtf5 I ftJrttlOJ刃VP2S7 J (UM55（JI fVK 划咆盘 llticiddm j翼动白妊I