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四代线性高压LED驱动方案及其发展趋势

作者:时间:2013-03-26来源:网络收藏

一. 高压LED

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/175445.htm

“高压LED”,一种是LED生产厂家提供串联好的小功率LED,如图1左图所示,它只是集成LED的一种,而右图所示的集成LED和前者的主要区别是,前者是全部串联,后者是串并联。集成LED的特点是在大晶片上采用开槽的方法,将其切割成若干小LED,然后用绝缘层把这些沟槽填平,按照串并联要求铺设连接各个LED的导线。

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图1 高压LED

无论哪种“高压LED”,本文所讨论的线性高压LED驱动方案,是较小电流(理论小于100mA),较高电压的LED驱动方案。

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图 2 LED 负载特性

LED 的负载特性如图2 所示,根据LED 的负载特性,需要有一种可控恒流源来控制。经过整流的工频交流电电压,如果将此电压直接加到输出LED 上面,这样的问题是无法实现恒流,即整个工频周期内通过LED 电流不恒定。一. 无法实现亮度的控制。二. LED 灯珠寿命大大缩短。

而高频开关电源,做 CC(恒流)控制是一种常见的办法。但性能提高的同时,成本大大提高。

在 LED 灯珠负载里串接有源或无源器件,使线路产生“恒流-变压”效果,这样在LED负载通过的就是恒定电流,而外接线路承受了变化的电压。这就是类似LDO(Low Dropout Regulator 低压差线性稳压器)的工作原理。下面详细介绍这种实现恒流的驱动方式及其发展趋势。

相比与高频开关电源,线性高压方案的优点主要有:一.省去了输入电解电容、输出电容,是一种无电解电容的线路。电解电容寿命是电源寿命的瓶颈,省去了电解电容,驱动电源寿命就延长了。二. 电路工作在工频线性模式,不是工作在高频模式,省去了高频电感,同时没有EMI的问题,省去了EMC电路。三,省去了高频电感等外围元件,进一步降低成本。

二. 四代HV LED 驱动方法

线性高压 LED 驱动方案发展到今天,已经经历了四代。

2.1 第一代阻容控制方法

阻容降压工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流,电容降压实际上是利用容抗限流,而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。如图3所示,由于整流管的导通电阻只有几欧姆,稳压管VS的动态电阻为10欧姆左右,限流电阻R1及负载电阻RL一般为100~200,而滤波电容一般为100uF~1000uF,其容抗非常小,可以忽略。若用R代表除C1以外所有元器件的等效电阻,可以画出图3下图的交流等效电路。同时满足了Xc1>R的条件,所以可以画出电压向量由于R甚小于Xc1,R上的压降VR也远小于C1上的压降,所以VC1与电源电压V近似相等,即Vc1=V。根据电工原理可知:串联电容的容抗为,以1uF、50Hz交流电为例,其容抗Xc=3185欧姆,整流后的直流电流平均值Id,与交流电平均值I的关系为Id=V/Zc。

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图3 阻容降压驱动高压LED示意

阻容降压线路极简,主要优点是低成本。缺点如下:1. 恒流不准,输入电压波动时,电流随之波动。2. PF值低,从输入端看,负载呈容性。 3. 电容耐受高压,选型较困难,寿命较短。

2.2 第二代单开关线性控制方法

恒流二级管(CRD, Current Regulative Diode)、恒流三极管(CCT, Constant Current Transistor)以及MOSFET(压控恒流源),按照控制方式来说,也是单开关控制方法。恒流二极管不同于普通的二极管,它的的负载曲线有一段较长的“恒流-变压”区,类似三极管的可变电阻区,如图4所示:

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图4 恒流二极管I-V曲线

恒流三极管比恒流二极管多一个控制管脚,特点是输出的恒流可以利用调整端加外部元器件进行调整,较适合做LED调光电路。另外一个特点是,若不使用调整电流时,它和CRD的性能及使用完全相同,工作曲线如下:

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图5 恒流三极管I-V曲线

MOSFET和恒流三极管的区别是:前者是压控电流源,后者是电流控制电流源。

LED灯珠负载中串接单个MOSFET,其工作在可变电阻区,检测输入交流电压幅值,按比例控制MOSFET门极,从而控制MOSFET漏极到源极压降,这样使多个串联LED灯珠的压降保持恒定,就保证了在一个半波导通的周期内LED的恒流。比较典型的是占空比半导体公司的高压工艺芯片DU1501,单芯片内集成控制器和高压MOSFET,是第二代单开关控制的经典简化方案。


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