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LED驱动电源的拓扑结构电路

高工
2013-06-12 17:46:16    评分

随着 LED 的生产成本下降,其使用愈发普遍,所涵盖的应用范围从手持终端设备到车载,再到建筑照明。但驱动 LED 并非没有挑战,本文对 LED 特性及驱动 LED 时需要权衡的因素作了概述,并对适用于驱动 LED 和进行 LED 调光的各种开关电源拓扑进行了详 尽的讨论,此外还详细说明了这些电源的相关优点。
  LED 的高可靠性(使用 寿命超过 50,000 个小时)、较高的效率(>120 流明/瓦)以及近乎瞬时的响应能力使其成为极具吸引力的光源。与白炽灯泡 200mS 的响应时间相比,LED 会在短短 5nS 响应时间内发光。因此,目前它们已在汽车行业的刹车灯中得到广泛采用。
  驱动 LED
  驱动 LED 并非没有挑战。可调的亮度需要用恒定电流来驱动 LED,并且无论输入电压如何都必须要保持该电流的恒定。这与仅仅将白炽灯泡连接到电池来为其供电相比更具有挑战性。
  LED 具有类似于二极管的正向 V-I 特性。在低于 LED 开启阈值(白光 LED 的开启电压阈值大约为 3.5V)时,通经该 LED 的电流非 常小。在高于该阈值时,电流会以正向电压形式成指数倍递增。这就允许将 LED 定型为带有一个串联电阻的电压源,其中带有一则 警示说明:本模型仅在单一的工作 DC 电流下才有效。如果 LED 中的 DC 电流发生改变,那么该模型的电阻也应随即改变,以反映新 的工作电流。在大的正向电流下,LED 中的功率耗散会使设备发热,此举将改变正向压降和动态阻抗。在确定 LED 阻抗时充分考虑散热环境是非常重要的。
  当通过降压稳压器驱动 LED 时,LED 常常会根据所选的输出滤波器排列来传导电感的 AC 纹波电流和 DC 电流。这不仅会提高 LED 中电流的 RMS 振幅,而且还会增大其功耗。这样就可提高结温并对 LED 的使用寿命产生重要影响。
  如果我们设定一个 70%的光输出限制作为 LED 的使用寿命,那么 LED 的寿命就会从 74 摄氏度度下的 15,000 小时延长到 63 摄氏度度下的 40,000 小时。LED 的功率损耗由 LED 电阻乘以 RMS 电流的平方再加上平均电流乘以正向压降来确定。由于结温可通过平均功耗来确定,因此即使是 较大的纹波电流对功耗产生的影响也不大。
  例如,在降压转换器中,等于 DC 输出电流 (Ipk-pk = Iout) 的峰至峰纹波电流会增加不超 过 10% 的总功率损耗。如果远远超过上面的损耗水平,那么就需要降低来自电源的 AC 纹波电流以便使结温和工作寿命保持不变。 一条非常有用的经验法则是结温每降低 10 摄氏度,半导体寿命就会提高两倍。实际上,由于电感器的抑制作用,因此大多数设计就 趋向于更低的纹波电流。此外,LED 中的峰值电流不应超过厂商所规定的最大安全工作电流额定值。

  LED驱动电源的拓扑结构选择分析
  采用AC-DC电源的LED照明应用中,电源转换的构建模块包括二极管、开关(FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能,而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构,参见图3,其中反激拓扑结构是功率小于30 W的中低功率应用的标准选择,而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言,其尺寸的大小与开关频率有关,且多数隔离型LED驱动器基本上采用“电子”变压器。

 




关键词: 驱动     电源     拓扑     电路     电流     LED    

高工
2013-06-12 17:50:41    评分
2楼

采用DC-DC电源的LED照明应用中,可以采用的LED驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等,——回复可见内容——

 

 


高工
2013-06-12 17:51:48    评分
3楼

开关稳压器具有更高的能效,与电压无关,且能控制亮度,不足则是成本相对较高,复杂度也更高,且存在电磁干扰(EMI)问题。LED DC-DC开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SEPIC)等不同类型。其中,所有工作条件下最低输入电压都大于LED串最大电压时采用降压结构,如采用24 Vdc驱动6颗串联的LED;与之相反,所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构,如采用12 Vdc驱动6颗串联的LED;而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC结构,如采用12 Vdc或12 Vac驱动4颗串联的LED,但这种结构的成本及能效最不理想。
  采用交流电源直接驱动LED的方式近年来也获得了一定的发展,其应用示意图参见图5。这种结构中,LED串以相反方向排列,工作在半周期,且LED在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势,如避免AC-DC转换所带来的功率损耗等。但是,这种结构中LED在低频开关,故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外,在这种设计中还需要加入LED保护措施,使其免受线路浪涌或瞬态的影响。

 


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