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LED及其驱动电路设计基础

作者:时间:2017-10-27来源:网络

  前言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/368548.htm

  照明伴随着人类文明的发展已经有几千年的历程。从最原始的钻木取火到种类繁多的各种光源,如白炽灯、卤素灯、日光灯、节能灯、灯等等,照明产品不断向着高效、节能、环保、高科技方向发展。的诞生和发展为人类照明提供了高质量、绚丽多彩的光环境。它被广泛的应用于民用照明、工业照明、医疗照明、汽车照明等不同领域。随着在各个领域的不同应用需求,电路也在不断进步和发展。本文针对LED和电路设计作了相应的介绍、分析和展望。

  LED 和传统光源相比较的特点

  相对于传统光源,LED具有显著的优势:

  LED发光是由电能直接转换成光的过程。比较起传统光源,如白炽灯先由电能转化为热能,然后再由热能转化成光能的发光的发光过程,LED具有高光效,节能的优势,此外在适当的驱动条件下,LED灯具有寿命长等特点。

  LED具有发光响应块,光源造型多变,色彩控制灵活的优点。

  LED和传统光源相比具有良好的低温特性。

  LED和传统光源相比,不存在诸如水银、铅等环境污染物,因此更加绿色环保。

  尽管LED比较起传统光源具有名显优势,但是目前LED灯成本较高,驱动电路设计、光学系统、机械设计比较复杂。

  LED 发光原理

  LED–Light Emitting Diode发光二极管,是一种能发光的半导体电子元件。LED发光是一种注入式电致发光。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。而光的波长决定了光的颜色。

  发光波长:

  式中:h—普朗克常数; c—光速;—半导体的禁带宽度。

  LED 发光原理如图1所示:

  

  图1 LED 发光原理

  LED 结构

  LED基本机构包括LED芯片、电极、焊接线,以及构成LED整个封装机械部件和光学部件如LED芯片支架、透镜、硅胶、环氧树脂、荧光粉等。

  LED分为单芯片封装,多芯片封装产品。随着科技的发展部分保护元件或部分电路元件也和LED芯片一同封装。

  单芯片LED 基本结构如图2,图3所示:

  

  图2 SMD封装 LED结构   图3 插件封装 LED结构

  LED 主要参数

  电参数

  最大正向工作电流IF:是指LED正常工作情况下,允许加在LED的最大的正向电流值。

  最大浪涌电流IFM:允许加在LED的最大的浪涌电流值。

  正向工作电压VF:是在给定的正向电流下得到的二极管正向工作电压。

  最大反向电压VR:LED PN结所允许的最大反向电压。

  额定功率PD:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流乘积的最大值。

  光学参数

  峰值发射波长p:光谱辐射功率最大的值所对应的波长。

  光谱半波宽Δλ:峰值发射波长的辐射功率的1/2所对应两波长的间隔。

  光通量Φv:通过发光二极管的正向电流为规定值时,器件光学窗口发射的光通量。

  光强:点光源在给定方向上,单位立体角内发出的光通量,单位坎德拉(Cd)。

  半值角θ1/2和视角:θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。半角值二倍为视角(半功率角)。

  色度坐标x、y、z:1931CIE-XYZ系统,就是在RGB系统的基础上,用数学方法,选用三个理想的原色来代替实际的三原色。从而将CIE-RGB系统中的光谱三刺激值 和色度坐标r、g、b均变为正值。

  显色指数CRI:与标准的参考光源相比较,一个光源对物体颜色外貌所产生的效果。换句话说,CRI是一个光源与标准光源(例如日光)相比较下在颜色辨认方面的一种测量方式。

  色温TC(Color Temperature):光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时,称黑体的温度(TC)为光源的色温度。

  其它参数

  操作温度:发光二极管可正常工作的环境温度范围。

  热阻:热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比,LED的热阻定义(Rth j-s):从PN结(j) 到焊点(s)的热阻。

  结温:LED P-N 结区所能承受的温度的额定最大值。

  常规特性曲线

  LED 常规特性曲线如下图所示。以下常规特性曲线基于OSRAM LCW CRDP.PC 规格书举例说明:

  

图4相对光通量和LED驱动电流 图5 LED 正向导通电流和LED正向导通压降

  

图6 LED温度和LED正向导通压降   图7相对光通量和LED温度

  

图8色坐标和LED温度   图9最大正向导通电流和LED温度

  

图10 LED抗脉冲电流冲击曲线

  LED在电路中的连接方式

  LED在电路中的连接方式主要包括串联、并联、串并联混合连接。

  LED 串联

  LED串联连接方式的特点是总压降等于所有LED压降之和,每颗LED电流相等。由于各串联LED工作电流相等,每颗LED的光通量输出和寿命具有良好的一致性。但是在光通量要求比较高而且LED驱动电流已经限定的情况下,需要较多颗数的LED串联, 因此LED串连的压降比较高,对于元件额定电压的选择,以及安规设计有比较高的要求。另外由于每颗LED正向导通压降的不同(特别是不同电压Bin的情况下)容易造成不同批次或同一批次不同LED负载电压公差比较大,特别是相对于同样流明输出的LED并联情况下LED负载变化范围比较宽。在恒流精度要求比较高的情况下要求驱动电路有比较好的负载调整率。

  LED串联使用并在恒流驱动条件下,当其中一颗或几颗短路时,其它未短路的LED可以正常工作,但其中任何一颗或几颗LED开路情况下,其它LED 将无法点亮。

  LED串联,如下图11所示:

  

  图11 LED串联电路

  LED 并联

  并联连接方式的特点是总电流等于各并联LED电流之和,加载在各串LED的电压相等。由于LED最大电流的限制,可用多个较小额定电流的LED并联来实现较高的光通量输出。由于LED并联电压相对比较低,因此对LED驱动电路元件的额定电压要求比较低,额定电流要求比较高。但是如果各LED正向导通压降不同(特别是在LED不同电压Bin的情况下),容易造成各LED不均流,从而导致LED亮度不均匀。随着LED结温的不断升高,这种不均流将加剧,在不均流比较严重的情况下如果驱动电流大于LED最大工作电流时容易造成LED损坏。为减小此种不均流现象,可以通过选用同一电压Bin的LED 进行并联使用。

  LED并联使用,当其中某一颗或几颗LED开路时,其它LED在未过流的情况下可以工作。但其中任何一颗LED短路情况下,其它并联LED灯将无法点亮。

  LED并联,如下图12所示:

  

  图12 LED 并联电路

  LED 串并联混合连接方式

  LED串并联或LED矩阵的连接方式随着光通量要求的不断提高和光学设计的多样化需求在LED灯中广泛应用。在同样流明输出的情况下(特别是对于较高流明输出的LED灯的电路设计),这种串并联混合的连接方式既避免了多颗LED串联导通压降比较高的问题,又可以兼具LED并联连接方式的优点,即可以用多个较低功率的LED和较低LED驱动电压的方式来实现更高的光通量输出。但是由于LED正向导通压降的不同(特别是在LED不同电压Bin的情况下),串并联混合连接电路中不均流问题仍然存在。

  LED 串并联混合连接方式,当某颗或某串LED损坏,在其它LED未过流驱动的情况下,未损坏的LED仍然可以点亮工作。

  LED串并联混合连接如下图13所示:

  

  图13 LED串并联电路

  LED矩阵如下图14所示:

  

  图14 LED矩阵

  LED 驱动器的主要实现方式

  恒流驱动

  恒流驱动电路输出的电流是基本恒定的,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的驱动电路。恒流驱动是比较理想的LED驱动方式。

  常用的恒流驱动电路可分为线性LED恒流驱动电路和开关模式LED恒流驱动电路。

  对于线性恒流LED恒流驱动电路,其具备电路简单,成本较低的特点。由于不需要电感,高频变压器,电解电容等元件,大大降低了电路成本和提高了EMI特性,延长了LED驱动器的使用寿命。

  基于BCR420U的线性恒流LED驱动电路如下图15所示:

  

  图15 基于BCR420U的线性恒流LED驱动电路

  开关模式LED恒流驱动电路,比较起线性恒流驱动电路,具有高效率,高恒流精度的特点。根据不同输入输出条件可灵活选择升压,降压,升降压等拓朴结构。开关模式LED恒流驱动电路应用领域广泛。但开关模式的LED恒流驱动电路相对复杂,成本较高。

  基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驱动电路如下图16所示:

  

  图16 基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驱动电路

  恒压驱动

  恒压LED驱动电路,是输出电压基本恒定的。常用的恒压驱动电路可分为线性LED恒压驱动电路和开关模式LED恒流驱动电路。线性恒压LED驱动电路比较简单,成本低,适合驱动低功率LED,但电路效率比较低;开关模式恒压LED电路,比较起线性恒压电路效率比较高,可靠性好。由于LED伏安特性的非线性,很小的电压变化就会引起很大的电流变化,如果用恒压源直接驱动,LED电流会随着LED负载电压的微小变化而发生急剧变化,甚至会烧毁LED。因此在实际应用中, 恒压驱动电源一般会在LED负载前接入电阻限流或恒流LED驱动电路。图17所示为基于TDA4863-2G的恒压电路+BCR450线性恒流电路的LED驱动解决方案。

  

  图17基于TDA4863-2G的恒压+BCR450线性恒流的LED驱动解决方案

  恒功率驱动

  恒功率驱动电路输出功率基本恒定。比较起恒压驱动,在同样的LED负载电压变化情况下,恒功率LED驱动有较好的恒流精度。

  恒功率驱动电路主要以开关电源的拓扑结构为基础,应用于LED驱动电路中,其优点是可以减小由于LED结温升高造成的光衰。如图7所示,在LED灯点亮后结温升高,特别是在LED结温比较高的情况下,如果采用恒流驱动光通量输出将随着结温的升高而下降,也就是光衰现象。在恒功率驱动的情况下,随着LED结温的升高,负载LED的压降会降低,LED的驱动电流会有所增加,如图4所示,由于驱动电流的增加LED光通量输出将增加,因此弥补了由于LED结温升高造成的光通量减少现象,从而减小了LED 灯的光衰现象。

  交流驱动

  随着LED材料技术,封装技术的不断进步,AC LED已经问世并不断改进和发展。AC LED是指交流电直接驱动LED。一般来讲, AC LED为了得到高电压而使用多个LED芯片串联,并将两路LED反向并联,或者连同一些整流桥,电阻等其它电子元件封装在一起的模组。这种AC LED虽然操作简便(可直接交流电驱动)但频闪、总谐波失真以及LED灯珠的使用率等方面有待提高。

  脉冲驱动

  脉冲驱动是以高速开关的脉宽调制的方式来直接驱动LED,通过改变脉冲宽度或者开关频率的方式来改变LED驱动电流的有效值,从而改变LED的亮度。LED具有快速的瞬态响应特,当开关频率大于人眼的视觉闪烁频率,人眼观察的LED为连续发光。脉冲驱动适用于可调光LED电路,RGB混光LED电路,或者LED矩阵显示屏等电路中。

  相对于恒流驱动,由图4和图7所示,LED亮度和驱动电流以及温度的关系是非线性的,通过调整驱动脉冲占比的方式可实现更好的线性调光功能。色坐标和色温会随着LED随着结温的变化而偏移,在RGB混光电路的应用中,可同调整脉冲频率和占空比来补偿由于温度变化造成的色坐标和色温漂移。但是在脉冲驱动有效电流值和恒流驱动电流值相等的情况下,采用恒流驱动电路的效率会高于脉冲驱动电路。

  基于BCR321U的脉冲驱动RGB调光电路如下图所示:

  

  图18 基于BCR321U的脉冲驱动RGB调光电路

  不同光环境对LED和LED驱动器的设计需求

  随着LED技术的发展,LED在民用,工业,汽车等领域的应用更加广泛。因此,在不同的应用场合对LED和LED驱动器的要求也有所不同。

  室内照明

  对于室内照明产品,通常以替换传统灯为主的标准化接口的LED灯为主,其输出功率比较小。

  因此LED和LED驱动器要求:一,高效节能,寿命长,性价比高。二,高质量的光学特性,比如说高显色指数和宽光谱的LED光源,并且光源需要具有良好的稳定性(其中包括无频闪和良好的线性调光等)。三,造型新颖的个性化的灯具。

  室外照明

  对于室外照明产品,具有操作温度,湿度环境比较恶劣,功率比较大,系统比较复杂的特点。

  因此LED和LED 驱动器要求:一,高效率,可靠性好,寿命长。二,除了对LED驱动电路要求比较高以外,整个系统的光学设计和散热,防水设计也尤为重要。三,对于比较复杂的系统进行标准化,模块化设计。四,智能灯光控制系统设计更加广泛应用。

  特殊照明

  对于特殊照明种产品类繁多,设计需求多样化,行业标准不完善等特点。随着特殊照明产品的发展使LED的应用具有无限种可能性。

  例如低温照明产品要求LED和LED 驱动器低温下可以正常工作,并且高效节能,可靠性好,光衰小。

  例如医疗照明产品,对LED光学特性有特殊要求,例如:LED?光手术灯, ?需要过滤红外线以避免造成红外线灼伤问题,高显色性,特定的光学设计,如无影灯。另外医疗照明产品对于LED 驱动器具有较高的可靠性和寿命要求。

  例如汽车照明产品,要求LED和LED 驱动器具有良好的高低温特性,较高的可靠性和寿命。同时满足特定的光学设计和行业法规要求等。

  LED 驱动电路的发展展望

  一,小型化方向发展

  随着LED灯性能,装配,低成本的要求不断提高,LED驱动电路电路趋向于高效率,精简,高密度装配发展方向。特别是消费类照明产品,电路拓扑结构由相对比较复杂的隔离方案趋向于比较简单的非隔离方案。高压线性驱动模式的LED驱动方案也不断的发展和应用于LED产品中。

  二,主要元件高集成度方向发展

  随着LED 驱动电路的简单化要求,驱动电路集成度不断提高,特别是LED驱动IC集成度不断提高,外围元件不断精简,功能更加强大。另外作为光源重要组成部分的LED也衍生出具有高集成度的新产品,不仅实现多芯片封装,部分电路元件也被集成在LED中,比如AC LED,COB,OLED等。

  三,大功率驱动电源产品逐步向模块化,标准化发方向发展

  部分大功率LED 驱动电源产品尚处于恒压源配备恒流模块使用阶段,随着客户对产品性能、外观等方面要求的提高,配备恒流模块的恒压源产品将逐步被恒压恒流一体化的模块化产品所取代。

  四,智能化方向发展

  参数设定,运行监控,远程控制,系统可扩展性为LED智能化的主要方面。

  基于智能开发平台,通过更改软件设计,设定不同参数,对产品进行系列设计,功能扩展,有效缩短研发周。RGB 混光技术的智能控制技术的广泛应用实现LED的亮度,颜色和色温进行任意调节,来营造更加丰富高质量的光环境。遥控技术,通讯技术在LED领域的应用使产品应用更加便捷。

  结束语

  本文讨论了LED的基本参数和特性以及LED驱动电路的设计基础知识,并基于LED行业发展现状展望了LED驱动电路的发展方向。随着半导体元件技术的发展和电子技术的不断提高,经济可靠的LED驱动IC及品类繁多的半导体开关器件,可用于设计安全高效的LED驱动电路。



关键词: LED驱动 LED

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