1、文檔可能無法思考全面，請瀏覽后下載! 1 / 10LEDLED 驅動電源及調光驅動驅動電源及調光驅動【摘要摘要】LED】LED 自自 2020 世紀世紀 6060 年代誕生以來，在各個鄰域已經得到廣泛的應用，年代誕生以來，在各個鄰域已經得到廣泛的應用，LEDLED 照明無處不在，正在改變著我們照明無處不在，正在改變著我們的生活。的生活。LEDLED 被稱為第四代光源，具有節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長、低功耗、低熱、高亮度、防水、微型、防震、易調被稱為第四代光源，具有節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長、低功耗、低熱、高亮度、防水、微型、防震、易調光、光束集中、維護簡便等特點。光、光束集中、維護簡便等特點。LE

2、DLED 的應用，需要合適的驅動控制電路，本文研究工作是針對新型的應用，需要合適的驅動控制電路，本文研究工作是針對新型 LEDLED 照明設計合適照明設計合適的智能調光，調色溫驅動電源。的智能調光，調色溫驅動電源。【關鍵詞關鍵詞】LED】LED；驅動電源；調光；調色溫；驅動電源；調光；調色溫文檔可能無法思考全面，請瀏覽后下載! 2 / 10目目 錄錄1 LED 概述概述.21.1 引言.21.2 LED 光源.21.3 LED 的原理.31.4 LED 的特點.41.5 LED 應用中存在的問題.52 LED 驅動電源分析驅動電源分析.52.1 LED 驅動電源.52.2 LED 驅動電源的發(fā)

3、展過程.52.3 LED 驅動電源的特點.62.4 LED 驅動電源的分類.62.4.1 按驅動方式分類.62.4.2 按電路結構方式分類.62.5 LED 電源的不足.73 LED 調光驅動的方法調光驅動的方法.73.1 可控硅調光.73.2 線性調光.73.3PWM 調光.73.4 遙控調光.73.5 分段調光.8參考文獻參考文獻 .8文檔可能無法思考全面，請瀏覽后下載! 3 / 101 LED 概述1.1 引言 LED（Light-Emitting Diode）發(fā)光二極管是一種能將電能轉化為光能的半導體電子元件。這種電子元件早在 1962 年出現，早期只能發(fā)出低光度的紅光，之后發(fā)展出其他

4、單色光的版本，時至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提高到相當的光度。而用途也由初時作為指示燈、顯示板等。隨著技術的不斷進步，發(fā)光二極管已被廣泛的應用于照明、顯示器和電視機采光裝飾。白光 LED 的發(fā)光效率正在是迅速提高，商品化器件的發(fā)光效率已大大超過白熾燈的水平，120lm/W的白色 LED，發(fā)光效率已與熒光燈的水平相當，并在穩(wěn)步增長。由于 LED 還具有無污染、壽命長、耐振動、抗沖擊的鮮明特點，白光 LED 是 LED 產業(yè)中唯一被看好的新興產品。在全球溫室效應日趨明顯對能源短缺的憂慮再度升級的背景下，白光 LED 在照明市場的前景備受全球矚目。歐洲、美國、日本、韓國等發(fā)達

5、國家投入大量人力，并成立專門的機構推動白光 LED 研發(fā)工作于實際應用；國內眾多的照明企業(yè)及其他電子產品生產企業(yè)，都瞄準了 LED 未來的巨大市場，必將推動 LED 產業(yè)更迅速地發(fā)展。11.2 LED 光源(1) 第一代光源-白熾燈1879 年,美國愛迪生發(fā)明了具有實用價值的碳絲白熾燈,使人類從漫長的火光照明時代進入電氣照明時代。也宣告了第一代光源-白熾燈的誕生。現代白熾燈是靠電流加熱燈絲至白熾狀態(tài)而發(fā)光。其具有光譜連續(xù)，顯色性好，結構簡單，可調光，無頻閃等優(yōu)點，使得其在隨后的數十年間取得了快速發(fā)展。(2) 第二代光源-低氣壓氣體放電燈20 世紀 30 年代，荷蘭科學家開發(fā)出第一支熒光燈，隨后

6、又開發(fā)出了集成鎮(zhèn)流器于一體的緊湊型熒光燈。由于其采用創(chuàng)新性的氣體放電原理，即由受激發(fā)的汞蒸氣放電時發(fā)出的紫外線激發(fā)管內熒光粉而發(fā)光。其具有發(fā)光效率高，壽命長，光色好等優(yōu)點，使得其在家居、辦公、商業(yè)照明燈領域逐漸取代白熾燈成為使用最廣泛、最成功的燈種之一。近年來歐、美等發(fā)達國家以及古巴、菲律賓等發(fā)展中國家都頒布法令或制定逐步淘汰白熾燈的計劃，大力推廣高效節(jié)能的熒光燈。同時也對熒光燈提出了更高的要求，要求更長的壽命，更高的光效，更緊湊的結構，更環(huán)保的固汞，更少的汞量等綠色環(huán)保節(jié)能要求。在熒光燈開發(fā)成功的同時代，基于同樣工作原理的紫外線燈，也成功開發(fā)出來應用在殺菌消毒，固化，驗鈔等領域，隨著其工藝技

7、術水平的不斷提高，紫外線在其特殊的應用領域還將繼續(xù)不斷發(fā)揮其重要的作用。(3) 第三代光源-HID 高強度氣體放電燈（High Intensity Discharge）20 世紀 40-60 年代，科學家發(fā)現提高氣體放電的工作壓力表現出的優(yōu)異特性，又不斷地開發(fā)出高壓汞燈，高壓鈉燈，金屬鹵化物燈等高強度氣體放電燈,由于其具有功率密度高，結構緊湊，光效高，壽命長等優(yōu)點，使得其在大面積泛光照明、室外照明、道路照明及商業(yè)照明等領域得到廣泛應用。目前陶瓷金屬鹵化物燈代表了 HID 燈技術發(fā)展的最高水平。(4) 第四代光源-LED 發(fā)光二極管（Light Emitting Diode）20 世紀 60 年

8、代，科學家開發(fā)出第一個實用可見光 LED，隨后又相繼開發(fā)出各種單色光 LED。近年來，LED 光效不斷提升，并突破單一顏色的局限性，向白色光照明邁進。由于其采用固體半導體材料作為發(fā)光材料，加電后，半導體中的載流子發(fā)生復合，從而引起光子發(fā)射發(fā)出可見光。其具有結構緊湊，可控性好，啟動快，壽命長，環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點。從而開啟了其在照明應用領域新的一頁。21.3 LED 的原理 LED 本質是 PN 結，是電流驅動器件，當它兩端加上正向電壓時半導體中的少數載流子和多數載流子發(fā)生復合，放出的過剩能量將引起光子發(fā)射。采用不同的材料，可制成不同顏色有發(fā)光二極管。它的光強度隨著正向電流 IF 的變化而變化。在正向

9、導通之前，LED 幾乎無電流流過，當電壓超過開啟電壓時，電流急劇上升。因此 LED 屬于電流控制型半導體器件，其發(fā)光亮度 L（單位為 cd/mc2）與正向電流 IF，近似成正比3。文檔可能無法思考全面，請瀏覽后下載! 4 / 10LKIF式中 K 為比例系數在小電流下（IF1，10MA） ，M1.31.5；當 L10mA 時，m=l，此時上式可簡化為LKIF。 ，即發(fā)光亮度與正向電流成正比。另外，工作電流對光的顏色有一定的影響，隨著電流改變不僅亮度會發(fā)生變化，顏色也會跟著變化。 LED 的正向電壓和正向電流與管芯的半導體材料有關，使用時要根據所要求的顯示亮度來選取合適的 IF，值。若選取的值太

10、小，則不能完全發(fā)揮 LED 的性能，若選取的值太大，則很容易損壞 PN 結。I-V 特性是表征 LED 芯片的主要參數。LED 的伏安特性具有非線性、單向導電性等特征。典型的正向特性曲線測試如圖 1-1 所示：圖 1-1 高亮度白光伏安特性曲線從特性曲線可以看出，LED 在開啟以前有一段“死區(qū)” ，該區(qū)域的最大電壓叫做開啟電壓。對于不同材料制作成的 LED 其值不同，GaAsP 約為 1v，GaAsP 約為 1.2V，GAP 約為 1.8V1，GaN 約為 2.5V。開啟后的區(qū)域為正向工作區(qū)，正向電流 IF，和外加電壓呈指數關系3：式中 IF。為反向飽和電流。由于伏安特性正向指數式變化，LED

11、 在正向導通后其正向電壓的細小變動將引起電流的很大變化；另外，溫度也會影響 LED 的電氣特性，當環(huán)境溫度升高時，LED 的正向工作電壓將下降。假設流過 LED 的電流為 IF， ，管壓降為 V， ，則正常工作下的功耗 P=VF*IF。 LED 光輸出將隨著輸入電壓、環(huán)境溫度等因素的變化而變化。LED 的光輸出直接與 LED 電流相關，所以在 LED 應用中應控制補償輸入電壓變化和環(huán)境溫度等因素的變化。若 LED 的電流失控，LED 長期工作在大電流下將影響其可靠性和壽命。從理論上，相同材料、工藝的 LED 管性能完全一致，但在實際生產應用中不同批次或者同一批次的不同芯片在性能上都會有差異。對

12、于需要多個管子串聯和并聯工作的情況來說，個體之間的差異性也是驅動電路設計的考慮因素之一。 對于照明應用，超高亮度白光 LED 才是目標器件。HBLED 基本原理和普通信號顯示用 LED 原理上相似，但從原材料的選擇、芯片設計制造到芯片的封裝設計都要面臨許多特殊的問題。本文主要關注與驅動電路相關的特殊性能，至于 PN 結芯片的設計和封裝已超出了我們的討論范圍。大功率 LED 在室內外通用照明領域應用是其發(fā)展的最終目標。與普通儀表顯示用的 LED 不同的是，HBLED 的工作壓降和工作電流都相當大，一個 1W 管芯正常情況下的壓降為 3v4v 之間，工作電流能達到 300mA 以上。1.4 LED

13、 的特點文檔可能無法思考全面，請瀏覽后下載! 5 / 10(1)超長壽命。LED 的實際壽命超過 5 萬小時，為一般光源的幾倍甚至幾十倍。(2)高純度，鮮艷豐富的色彩。目前 LED 產品幾乎覆蓋整個可見光譜范圍且色彩純度高。而獲得彩色光的傳統方式是在白熾燈上加濾光片，這就大大降低了發(fā)光效率。(3)固體發(fā)光，抗震性能好，牢固可靠。(4)光源中沒有水銀，光束中不含紫外線。LED 是固體發(fā)光光源，綠色環(huán)保，特別適用于香水店、珠寶店、博物館、美術館等專業(yè)場所，可滿足其展示商品對照明的特殊要求。(5)節(jié)能、經濟且免維護。(6)LED 有很強的發(fā)光方向性，光通量利用率高且體積小，可方便 LED 燈具的外觀

14、設計和光強分布的控制。(7)動態(tài)的色彩控制，明暗可調，三基色的 LED 組合可采用 PWM 實現顏色的變化。(8)LED 可采用直流低壓供電，安全可靠。(9)LED 不受啟動溫度的限制，可瞬間啟動，啟動時間一般為幾個 ms，而且能瞬間達到全光通量輸出。11.5 LED 應用中存在的問題雖然 LED 作為照明光源有如此多的優(yōu)點，但由于超高亮 LED 也具有效率低、需要嚴格控制溫度、價格高這樣的缺點，近期內還不可能全面替代目前普遍使用的白熾燈或熒光燈。要做好半導體燈必須解決好三個方面的問題：(1)有光效高、成本低、壽命長的發(fā)光管單純的增加輸入功率，亮度也會增加，但 LED 芯片的發(fā)熱量也會隨之增加

15、，過多的發(fā)熱將損壞它的結晶和封箱而縮短其壽命，因此使輸入功率電能高效的轉為光能是重要的關鍵技術。(2)有工作可靠、性能好、成本低的驅動器。由于單個 LED 功率小，光亮度低，對于照明來說，不可能單獨使用，為此必須將多個 LED 組裝在儀器，設計成為使用的 LED 照明系統。這就存在 LED 選擇，使其特性保持相近的問題。由于多個 LED 在儀器組裝，還要考慮其中一個或一些 LED 出現問題時不能影響 LED 的照明，這就有一個電路保護的要求。(3)有熱設計、結構設計、造型設計好的燈體。LED 在照明過程中，同樣會出現發(fā)熱的現象，特別是多個 LED 組裝工作時，就有考慮其散熱問題。在這三個問題中

16、，發(fā)光管可以到生產廠家選用合適的產品，燈體結構設計許多打算生產半導體燈的廠家自己都有能力解決。但是對于不同的原始電源怎樣針對不同燈型做合適的電源變換驅動發(fā)光管，確是做好半導體燈的關鍵環(huán)節(jié)。針對不同的應用設計不同的驅動器，這就使驅動器的規(guī)格品種繁多，電路結構各異。考慮到在不久的將來 LED 會進入千家萬戶，故研究交流市電作為主要電源來驅動發(fā)光二極管的驅動技術，具有重要的意義。2 LED 驅動電源分析2.1 LED 驅動電源LED 驅動電源把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動 LED 發(fā)光的電壓轉換器，通常情況下：LED驅動電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流(如

17、電子變壓器的輸出)等。而 LED 驅動電源的輸出則大多數為可隨 LED 正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。LED 電源核心元件包括開關控制器、電感器、開關元器件(MOSfet)、反饋電阻、輸入濾波器件、輸出濾波器件等等。根據不同場合要求、還要有輸入過壓保護電路、輸入欠壓保護電路，LED 開路保護、過流保護等電路。42.2 LED 驅動電源的發(fā)展過程LED 驅動電源的發(fā)展大體分為四個過程。第一個過程：工業(yè)電源驅動早期 LED 照明驅動電源沒有專用的驅動 IC，尤其是大功率的戶外道路照明電源，大多都是用工業(yè)文檔可能無法思考全面，請瀏覽后下載! 6 / 10用的恒壓源來替代，應用電路比較復雜，部

18、分 IC 的功能在 L ED 照明電路中并不需要而被閑置，造成IC 資源的浪費而導致降價困難，不利于 LED 照明的推廣和應用。文檔可能無法思考全面，請瀏覽后下載! 6 / 10第二個過程：恒壓驅動跨過工業(yè)電源時代，市場上己有了 LED 專用的 IC，但由于對 LED 的特性缺乏足夠的認識，設計仍以恒壓源為主。LED 光源往往需要串聯電阻限流。此種驅動方式最大缺點是 LED 電阻會消耗大量的能量，使得 LED 的節(jié)能特性大打折扣，效率相對較低。此舉也加大了燈具對散熱的要求，同時要求 LED VF 值的一致性要好。第三個過程：恒流驅動隨著人類對 LED 特性的認識不斷加深逐漸發(fā)現，LED 驅動的

19、最佳方式應為恒流模式，這是由 LED本身的伏安特性及溫度特性決定的。市場上開始出現恒壓模塊組合的驅動方式。然而，這還沒有達到最佳狀態(tài)，因為恒壓源加恒流模塊二級驅動電源的效率不高。為改善效率慢慢過渡到二合一恒流驅動模式。自此，LED 驅動技術基本趨于穩(wěn)定和成熟。第四個過程：智能控制節(jié)能作為 LED 重要特性之一，在全球能源日益緊張的大背景下被寄予厚望。如何將 LED 節(jié)能的特性發(fā)揮到極致，進一步節(jié)約能源，由此產生了“二次節(jié)能”的概念。智能 LED 驅動電源逐漸走上舞臺，并得到快速發(fā)展和應用。52.3 LED 驅動電源的特點(1)高可靠：性特別像 LED 路燈的驅動電源，裝在高空，維修不方便，維修

20、的花費也大。(2)高效率：LED 是節(jié)能產品，驅動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內的結散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩 LED 的光衰有利。(3)高功率因素：功率因素是電網對負載的要求。一般 70 瓦以下的用電器，沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網的影響不大，但晚上使用照明量大，同類負載太集中，會對電網產生較嚴重的污染。對于 30 瓦40 瓦的 LED 驅動電源，據說不久的將來，也許會對功率因素方面有一定的指標要求。(4)驅動方式：現在通行的有兩種：其一是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路 LE

21、D供電。這種方式，組合靈活，一路 LED 故障，不影響其他 LED 的工作，但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電也就是“中科慧寶“改采用的驅動方式，LED 串聯或并聯運行。它的優(yōu)點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個 LED 故障，不影響其他 LED 運行的問題。這兩種形式，在一段時間內并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向。(5)浪涌保護：LED 抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些 LED 燈裝在戶外，如 LED 路燈。由于電網負載的啟甩和雷擊的感應，從電網系統會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致 LED 的損壞。因此

22、分析“中科慧寶“的驅動電源在浪涌保護方面應該有一定的欠缺，而至于電源及燈具頻繁更換，LED 驅動電源要有抑制浪涌的侵入，保護 LED 不被損壞的能力。(6)保護功能：電源除了常規(guī)的保護功能外，最好在恒流輸出中增加 LED 溫度負反饋，防止 LED 溫度過高;要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。42.4 LED 驅動電源的分類2.4.1 按驅動方式分類(1)恒流式：a、恒流驅動電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高；b、 恒流電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。c、 恒流驅動電路驅動 LED 是較為理想

23、的，但相對而言價格較高。d、應注意所使用最大承受電流及電壓值，它限制了 LED 的使用數量；(2)穩(wěn)壓式：文檔可能無法思考全面，請瀏覽后下載! 7 / 10a、當穩(wěn)壓電路中的各項參數確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化；b、 穩(wěn)壓電路不怕負載開路，但嚴禁負載完全短路。c、以穩(wěn)壓驅動電路驅動 LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串 LED 顯示亮度平均；d、 亮度會受整流而來的電壓變化影響。2.4.2 按電路結構方式分類(1)電阻、電容降壓方式：通過電容降壓，在閃動使用時，由于充放電的作用，通過 LED 的瞬間電流極大，容易損壞芯片。易受電網電壓波動的影響，電源效率

24、低、可靠性低。(2)電阻降壓方式：通過電阻降壓，受電網電壓變化的干擾較大，不容易做成穩(wěn)壓電源，降壓電阻要消耗很大部分的能量，所以這種供電方式電源效率很低，而且系統的可靠也較低。(3)常規(guī)變壓器降壓方式：電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有 45%60%，所以一般很少用，可靠性不高。(4)電子變壓器降壓方式：電源效率較低，電壓范圍也不寬，一般 180240V，波紋干擾大。(5)RCC 降壓方式開關電源：穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高，一般可以做到 70%80%，應用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù)，開關頻率不容易控制，負載電壓波紋系數也比較大，異常負載適應性差。(6)PWM

25、控制方式開關電源：主要由四部分組成，輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM 穩(wěn)壓控制部分、開關能量轉換部分。PWM 開關穩(wěn)壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調節(jié)主電路開關器件導通的脈沖寬度，使得開關電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定（即相應穩(wěn)壓電源或恒流電源）。電源效率極高，一般可以做到 80%90%，輸出電壓、電流穩(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護措施，屬高可靠性電源。12.5 LED 電源的不足LED 驅動電源目前存在不足的原因：(1)生產 LED 照明及相關產品的公司的技術人員對開關電源的了解不夠，做出的電源是可以

26、正常工作，但一些關鍵性的評估及電磁兼容的考慮不夠，還是有一定得隱患;(2)大部分 LED 電源生產企業(yè)都是從普通的開關電源轉型過來做 LED 電源，對 LED 的特點及使用認識還不夠;(3)目前關于 LED 的標準幾乎沒有，大部分都是參考開關電源和電子整流器的標準;現在大部分LED 電源沒有統一，所以量大部分都比較小。采購量小，價格就偏高，而且元器件供應商也不太配合;(4)LED 電源的穩(wěn)定性：寬電壓輸入，高溫和低溫工作，過溫、過壓保護等問題都沒有一一解決。首先是驅動電路整體壽命，尤其是關鍵器件如：電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命;是LED 驅動器應挑戰(zhàn)更高的轉換效率，尤其是在驅動大功率 LED 時更是如此，因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散，電源轉換效率的過低，影響了 LED 節(jié)能效果的發(fā)揮。目前在功率較小(1-5W)的應用場合，恒流驅動電源成本所占的比重已經接近 1/3，已經接近了光源的成本，一定程度上影響了市場推廣。43 LED 調光驅動的方法3.1 可控硅調光這種發(fā)展于白熾燈的調光技術，因白熾燈為純阻性負載，利用可控硅的斬波技術