全站搜索
当前时间:
文章正文
LED驱动电源的现状和未来发展趋势
作者:管理员    发布于:2013-08-30 14:07:28    文字:【】【】【
    发光二极管(LED)是一种将电能直接转化成光能的发光器件,与传统光源相比,具有绿色环保、节能高效、安全性高等优点,应用越来越广泛。为使LED稳定可靠地工作,必须根据LED的特性和应用环境配置合适的驱动电源。LED种类和用途繁多,如室内外固定照明、车灯或手持照明设备、各种指示灯、显示器背光、照相机闪光灯、激光设备等。照
明用LED作为绿色环保光源受到越来越多的关注,并已经得到长足的发展。 
  传统照明光源由于原理和技术上的瓶颈,光效难以提高;比如白炽灯是通过高温来发光,热损耗增大。LED实现了电能到光能的直接转换,可以获得更高的光效。现在,已经批量生产的白光LED光效已经达到100~130lm/W以上,超过了传统的高压钠灯和金卤灯;LED光效还在不断提高,LED照明高效节能的优势越来越突出。另外,LED还具有电压低、体积小、寿命长、维护成本低、绿色环保、坚固抗震等优势。
  据了解,我国照明耗电约占全国发电总量的12%左右,采用高效照明产品替代白炽灯的节能减排潜力巨大。大力发展LED照明技术,逐步淘汰白炽灯和其它低效率高耗能的照明设备,对于促进中国照明电器行业结构优化升级、推动实现“十二五”节能减排目标任务、积极应对全球气候变化具有重要意义。
  去年底,国家发展改革委、商务部、海关总署、国家工商总局、国家质检总局联合印发了《关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告》。按照《公告》部署,至2016年将逐步淘汰白炽灯,禁止进口和销售15瓦及以上普通照明白炽灯。预计可新增照明电器行业产值约80亿元(人民币)、新增就业岗位约1.5万个,形成年节电480亿千瓦时、年减少二氧化碳排放4800万吨的能力。今年,科技部又发布了《半导体照明科技发展“十二五”专项规划》。部署大力发展LED照明的相关技术和产业。
  本文在分析LED特性的基础上主要介绍照明用LED驱动电源的现状和发展。
1 LED的特性以及对驱动电源的要求
  与普通二极管一样,发光二极管也可抽象成PN节。当二极管正向偏置,电子在P区与空穴复合时,发生电能到光能的转换,使二极管发光。
  1)伏安特性
  图1为当温度保持在某个正常工作温度时LED的伏安特性。可见LED的伏安特性与普通二极管类似,有正向死区和反向死区;当正向偏置电压超过门限电压von时,LED导通工作并发光;当反向偏置超过击穿电压vbreak时,LED反向击穿。从第一象限可以看到,在正向导通后当正向电流iF增大时,正向电压vF缓慢增大。各种型号的LED器件都有额定电压和电流范围。vF过小,无法提供足够iF,甚至LED不会发光;vF过大,会使iF急剧增大;会因温度升高而烧毁LED。所以应该将vF控制在合适的范围内,一般在2.5~3.5V之间。由于正向电压vF小幅改变就能导
致正向电流iF大幅变化,而且只要将iF控制在合适的范围内,就能保证vF为正常值。
  所以,而且LED驱动电源总是采用直流电源,采用电流控制比电压控制更加合理。
  2)势垒电势与温度特性
  另一方面,与普通二极管一样,势垒电势形成门限电压von。温度升高时势垒电势降低,就是说LED的正向工作电压都是具有负的温度系数。如果用恒定电压源供电,当LED温度升高时正向压降vF减小,会使电流进一步增大,导致温度更高,形成恶性循环;高温会导致LED发光效率衰退,甚至损坏。
  因此,照明用LED总是用恒定电流型直流电源驱动。
 
  3)发光效率与电流限制
  LED的正向电流越大,光通量越高,但电流与光通量之间是非线性关系。不失一般性,以欧司朗公司的LCW CQAR. EC系列LED芯片为例,如图2,随着正向电流增大,光通量增大,当正向电流增大到一定程度
(在图2中增大到1000mA以上),光通量的增量就会越来越小。对于照明LED,如果为了增加光通量而过于增大电流,电流增大带来的损耗将超过光通量增大带来的收益。这也是采用恒流控制的原因之一。
  4)温度、光衰与寿命
  LED的一般工作环境不能超过100℃,结温不能超过125℃。当结温超过限制,LED的寿命就会急剧下降,结温过高时会直接损坏。当前市场上不同定额的单个LED芯片的额定电流基本分布在200~1500mA,允许的最大电流脉冲最高只比自身的额定电流高出30%,长时间工作在额定电流之上更是不允许的。
  LED结温升高,它的光通量就会下降。仍然以OSRAM公司的LCW QAR. EC系列LED芯片为例,在正向电流700mA的情况下其结温与光通量的关系如图3所示。当结温超过25℃之后,随着结温增加,光通量衰减(光衰)越来越大。
  在各种照明用灯具中,LED的工作寿命是最长的,可达5万~10万小时。LED的寿命并不是计算到它损坏停止发光为止;一般来说,当LED在额定工作电流时的光通量衰退到初始光通量的70%时,视为其寿命终结。
  LED的光通量衰退是不可避免的,上述5万~10万小时的寿命是在正常工作条件下的情况。除了制造工艺和质量的原因,使得LED光通量衰退(光衰)的主要原因是高的管芯温度。长期管芯温度过高会造成不可逆的永久性光衰,这是造成LED寿命缩短的主要原因。
  因此,设计合理的散热条件对于保证或延长LED的工作寿命是至关重要的;特别是在较大功率的室外照明的情况,比如大功率公共广场照明。
  5)响应速度与频闪
  当电流变化时, LED的光输出具有微秒级的快响应速度,可以工作于直流或单向高频脉冲电流。这对于动态显示来说是优势,不如用于LED动态视频显示。但对于白光照明来说就是一个问题,快速响应可能会带来了光输出在视觉上的频闪。光输出波动程度与驱动电流的脉动程度相关,电流变化越大,光输出波动也就越大;光输出波动频率与驱动
电流的频率相同;但是,由于人眼的视觉储留时间较长,对于较高频率的光输出波动,人眼已经感觉不到视觉上的频闪。
  直流驱动LED光效最高,LED驱动中的纹波电流会带来光效损失。用纹波量较小的电流(纹波峰-峰值小于电流平均值的35%)驱动LED,对光效无显著影响。同时,如果电流纹波幅值的比例较小时,人眼也不会感觉到频闪。
  因此,LED的驱动电源应该提供一个脉动较小的直流电流,其脉动频率应该至少在人眼的频闪敏感频率以上。
 
  6)对LED驱动电源的要求
  综合以上分析,照明用LED管芯对驱动电源有如下要求:
  (1)稳定的直流驱动电流;
  (2)电流脉动尽量小;
  (3)如果电流有脉动,其频率应该较高;
  (4)对LED设计合理的散热条件——尽管这一条与驱动电源无关,但很重要;
  LED驱动电源可由交流市电网供电,也可由直流电池供电。当采用交流市电网供电时,一般包含整流、滤波、DC-DC变换、电气隔离、保护等功能。从用电安全、节约用电、减小干扰、可靠性等方面考虑,还应该对LED驱动电源有下列要求:
  (5)高的变换效率
  变换效率是指输出到LED的驱动功率占驱动电源从电网吸收的总功率的百分比;二者之差在LED驱动电源实现变换和控制的过程中以热量的方式损耗掉了。尽管每个LED照明灯的功率都很小,但是照明用电的总量却非常可观。因此提高LED驱动电源的效率非常重要。
  (6)高的功率因数
  在LED驱动电源中设计功率因数校正功能,对于减小供电线路损耗,提高电力网的效率非常重要。
  (7)电气隔离
  LED驱动电源由电压较高的交流市电网供电,但是LED工作在较低的安全电压下;为了用电和维护安全,应该在二者之间设计电气隔离。
  (8)保护功能
  一般应有过温度、过电流和开路保护等。
  (9)体积小、成本低、可靠性高
2 照明LED驱动电源技术方案
  针对不同的用途和工作条件,各种专用的LED驱动电源控制芯片获得了广泛的应用。这些芯片可以配合一种或多种主电路拓扑使用,内部集成了检测功能、恒流控制算法和保护功能;有的还集成了功率开关管;具有体积小、响应快、能耗低、可编程的特点。当前市场上的LED驱动电源技术方案大多采用专用芯片,配合适当的主电路拓扑,达到控制和保护的目的。
  从供电角度驱动电源可以分为AC-DC和DC-DC两类,DC-DC拓扑主要应用于电池、稳压电源供电,如移动电源、车灯;AC-DC拓扑主要应用于市电供电,如室内外照明。
 
  1)降压斩波拓扑
  图4为最简单的电流输出型降压斩波电路拓扑。开关管S导通时电感电流增大,S关断时电感电流经过二极管D续流继续为LED供电,同时电感电流减小。通过控制开关管S的栅极控制信号的占空比,就可以控制LED电流保持恒定。开关管移到电感L的后面,使得开关管源极接地,从而方便了驱动。该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容,降低了
成本。但是,Buck变换器是降压变换器,不适用于输入电压低或者LED串联较多的场合。当然实现恒流控制还需要一套反馈和控制电路。
  Supertex公司的HV9921系列是此类电路的一种典型控制芯片,其典型应用如图5所示。HV9921/22/23系列内部集成了MOSFET开关,可以接受85~264VAC交流电压的直接整流输入,但输出功率较小,适合装饰灯等低功率照明;采用了峰值电流控制策略,能很好地控制驱动电流为恒值。由于输入电压较高,可驱动多个串联的LED。其他专门用作降压斩波电路驱动的芯片还有AMC7150、IRS254(0,1)、PT4115等。
  2)升降压斩波拓扑 
  升降压斩波电路既可以升压,也可以降压。通过反馈控制可以保持输出电流恒定不变。图6是一个典型的升降压斩波电路。与降压电路类似,该电路开关管S的源极直接接地,方便了对开关管的驱动。升降压变换器虽然比降压变换器多一个电容,但可以提升输出电压的绝对值。因此,在输入电压低,并且需要驱动多个LED串联时应用较多。但是,在图6的升降压斩波电路中,LED的电流并不等于电感的电流,需要以某种方式检测LED中的电流i,并通过闭环反馈控制实现恒定电流控制。
  很多电源控制芯片都是既可以用于降压斩波又可以用于升降压斩波。华润矽威公司的PT4107是此类电路的一种典型控制芯片。根据华润矽威的数据,PT4107效率可达85%,可用于mA级到1A以上输出电流的控制。推荐的电源电压输入为0~20V,如果用于市电照明则需外加前级降压电路。PT4107内部集成了频率抖动技术,EMI显著减小。PT4107的另一
特点是集成了峰值电流补偿控制技术,可以直接实现恒定电流控制。其典型应用如图7所示,是一款可以实现恒流控制的降压斩波电路,改变图中R3的阻值就可以调节LED中的电流。类似的驱动芯片还有还有MAX16833、HV9910等。
 
 
 
 
  3)Sepic单端初级电感变换器拓扑
  Sepic变换电路的前级类似于Boost电路,使得电源输入端电流连续纹波很小,EMI低;易于实现输入-输出间的电气隔离;通过适当的控制方法也可以实现功率因数校正;输出既可实现升压又可实现降压,输入-输出电压比的调节范围宽;同时Sepic电路的效率可达90%,能够较好地满足LED对驱动电源的要求。但是,Sepic变换电路直接输出的是电压而不是电流,需要通过电流检测和反馈控制来实现恒流控制。图8是一个典型的Sepic变换电路的基本拓扑。现在,National Semiconductor已推出了可用于Sepic电路的驱动芯片LM3421,它也可用于Buck、Boost、Buck-Boost电路。
  4)反激式变换器拓扑
  反激式变换器本质上是升降压变换器拓扑的一个变形,由于使用了一个变压器(本质上是一个隔离形的电感),可以实现输入-输出间的电气隔离。输出驱动电压由匝比和占空比共同控制。反激转换器不断地通过变压器存储和输送能量,磁芯只工作在磁化曲线的一个象限,使得磁芯利用率低,体积较大。一般反激式驱动电路适用于较小功率的场合,比如居室照明;而不适合用于路灯或广场照明等大功率场合。反击式控制的集成芯片很多,比如UC3842系列,这里不再罗列。
  5)电气隔离的半桥式拓扑
  半桥式拓扑前后级电气隔离,只比前述拓扑多一个开关管,输出电压也是由匝比和占空比共同控制。变压器磁芯的磁化曲线正负对称,在同等功率下与单向工作的反激式变压器相比体积小很多。半桥式拓扑适合于工作在功率较大的场合。半桥拓扑的控制芯片有IR的IRS2548D,TI的TPS92020等。IRS2548D耐压高,栅极驱动电流可达500mA,集成了外部功率因数校正的控制电路;TPS92020的特点是集成了谐振开关驱动的控制电路,可以提供高达350kHz的开关频率。图9是半桥式拓扑的一个典型电路。
  对LED驱动电源的寿命影响最大的元器件是电解电容。一般来说,相对于标准条件下的表面温度,电容表面温度每升高10℃,寿命就会减少一半。如果能够不用电解电容,可以避免因电解电容影响寿命;或者使用耐压较高一些的电解电容,可以缓解电解电容对寿命的影响。当然提高变换器效率以减少发热,以及设计较好的散热条件是减小温升、延
长寿命的一个重要途径。
  3 发展趋势
  1)   国家政策扶持
  今年,科技部发布了《半导体照明科技发展“十二五”专项规划》。重点部署了白光LED芯片制备,高光效、高可靠、低成本的核心器件产业化,核心装备和关键配套原材料国产化等核心和关键技术的发展;重点布局了低成本、替代型和多功能创新型半导体照明产品及系统开发,半导体照明创新应用产品开发及示范等内容。到2015年,产业化白光LED器件光效将达到国际同期先进水平(150-200lm/W),硅基半导体照明、创新应用、智能化照明系统开发等达到世界领先水平;产业规模达到
5000亿元。
  2)大幅提高LED的光效
  目前,制约LED照明市场发展的主要因素还是LED的光效。综合光效和寿命两个因素,与其它所有的照明方式相比LED照明无疑具有最大的优势。但是,目前市场上销售的LED的光效大多不超过100lm/W,使得LED灯珠发热严重;严重影响其寿命。这一问题受到了世界范围的广泛关注,预计在近几年LED的光效会快速提高到150-200lm/W。
  3)较大功率的LED驱动电源
  随着LED光效的提高,加上散热技术的完善,LED的单灯照明功率会提高。因此,对大功率LED驱动电源的需求也会越来越大。
  4)LED驱动电源技术
  LED驱动电源的电路拓扑和控制芯片的技术都已经很成熟。将来的发展趋势主要有以下几个方面。①针对LED特点开发相应的控制方式,比如当输入电压和环境温度等因素发生变动时,相应地控制和改变LED电流的大小,以最大限度地延长LED的使用寿命。②在LED驱动电源中包含功率因数校正电路。前面说过,尽管LED的单灯功率都很小,但是照明用电量却很大,因此提高驱动电源的功率因数意义重大。③提高驱动电源的效率。④研发相应地专供LED驱动电源使用的集成电路芯片。
4 总结
  白光LED照明是照明技术的发展趋势。LED照明具有很多优点,比如光电转换效率高、因其方向性使得发光利用率高、寿命长、无污染、色温范围广、耐振动、低压安全等。LED驱动电源是推广LED照明的关键技术,必将得到重视和快速发展。国家已制定了相应的技术标准、发展规划和扶持政策。LED照明技术以及相关的驱动电源技术必将得到发展和推广。

脚注信息
版权所有 Copyright(C)2013-2019天津雷竞技注册照明科技有限公司 津ICP备13003870号