低損耗LED驅動器

1、上網日期: 2009年11月06日窗體頂端窗體底端有 10 名讀者發(fā)表評論申請免費雜志訂閱收藏打印版推薦給同仁發(fā)送查詢精品文章 LED替代傳統(tǒng)照明，方向性錯誤？ 斯里蘭卡漁民使用環(huán)保節(jié)能LED燈 如何為低壓便攜設備背光應用選擇LED驅動器方案更多精品文章關鍵字：LED驅動器 升壓轉換器 檢流放大器 供稿：美信公司 摘要：現今有很多不同的方案可以為高亮度LED (HB LED)供電。由于多數系統(tǒng)采用電池供電，能效成為延長電池使用壽命和系統(tǒng)工作時間的關鍵。提高電池的使用效率還有助于加快系統(tǒng)的“綠色”進程。在電池的有效使用期限內，相同充電次數下，延長兩次充電之間的時間間隔有可能使電池的有效使用時間延

2、長數百小時。這意味著送到垃圾填埋場或危險廢物處理場進行銷毀的電池數量會大大降低。 低功耗照明的驅動器通常采用簡單的線性穩(wěn)壓器，將其配置成恒流模式(圖1a)。 線性穩(wěn)壓器具有設計簡單等優(yōu)點。然而，其主要缺點在于功耗較大，因為工作時，多余的電壓通過檢流電阻和調整管本身的發(fā)熱耗散掉。這樣的熱損耗還嚴重阻礙了 系統(tǒng)的“綠色”進程。熱損耗越大，對冷卻裝置(風扇或大金屬散熱器)的要求越高，消耗的能量也越多，并會占用更大的空間和重量，同時也意味著材料成本和制 造時間的增加。 一種替代的解決方案是采用開關模式調節(jié)架構，例如buck或boost調節(jié)器(圖1b)。這類調節(jié)器通 常需要一個0.8V至1.3V的反饋電

3、壓，用于調節(jié)流過LED的電流。用來建立該電壓的電流測量電路通常是與LED串聯的一個小電阻。電阻兩端的電壓作為 反饋電壓，可以為LED維持恒流供電。這種架構降低了調節(jié)器本身的損耗，但檢流電阻的功耗使系統(tǒng)損耗仍然存在。 圖1a. 簡單的線性穩(wěn)壓架構由于調整管和電流設置電阻而存在較大功耗。該電路的優(yōu)點是簡單、沒有任何EMI，但它僅適用于低電壓應用，而且存在一定的發(fā)熱。圖1b. 基本的開關模式調節(jié)方案，功耗主要來自檢流電阻的能量損耗。該方案效率極高，并可實現升壓。不過，電路相對復雜并且會產生EMI。為了降低檢流電阻的功耗，應采用低損耗電流檢測電路，例如采用電阻/運放結合的方式提供開關轉換器所要求的反饋

4、電壓?？梢圆捎脤Ｓ玫木軝z流放大器，例如 MAX9938H，為檢流電阻兩端的電壓產生100V/V的檢測增益。這一方案能夠把反饋電路的損耗降至幾個毫瓦，甚至可以采用電路板上的一小段覆銅引線 作為小的檢流電阻，成本幾乎為零，由此可見，該方案具有很大吸引力。在圖2所示電路中，boost轉換電路采用了MAX9938H檢流放大器，并使用MAX8815A升壓轉換器通過兩節(jié)NiMH串聯電池為其供電。MAX8815A 工作在最高2MHz的開關頻率下，效率高達97%。高開關頻率最大限度減小了外部元件的尺寸；而內部補償功能則減少了外部元件數量，適用于成本和空間敏感 產品。該轉換器可以在兩節(jié)NiMH或NiCd電池或

5、單節(jié)Li+/Li聚合物電池供電時產生3.3V至5V的輸出電壓。 圖2. 從圖1b衍生而來，采用諸如MAX9938H的檢流放大器將檢流電阻的功耗降至幾個毫瓦。相比圖1電路幾百毫瓦甚至更大的損耗，該電路的功耗降低了許多。MAX8815A具有兩種工作模式：低功耗模式和重載條件下的固定頻率、強制PWM模式。低功耗模式僅消耗30A的靜態(tài)電流，空載或輕載條件下允許轉換器僅在必要時才啟動開關工作。低功耗模式在輕載時能夠提供最高效率，最大限度地避免了能量的浪費，有效降低電池損耗。 另一種模式適用于重載條件(通常超過90mA)，采用固定頻率、強制PWM模式，任何負載條件下均工作在固定頻率。該模式便于噪聲濾波，并

6、具有較低的輸出紋波，不過功耗較大。 此應用中，MAX8815A工作在大功率的固定PWM模式，關斷引腳用于控制驅動器的使能或關斷。關斷模式下，MAX8815A僅消耗100nA的電池電流，有助于延長電池的使用壽命和兩次充電之間的時間間隔。 配合MAX8815A工作時，MAX9938H檢流放大器對電流進行控制，從而保持流過LED的電流為固定的1A。該放大器的輸入端集成了增益設置電阻，將增益設置在100V/V。此外，該器件還具有低于500?V (最大值)的VOS和低于0.5% (最大值)的增益誤差，保持較高的精度等級。MAX9938H在靜態(tài)模式下僅消耗1?A電流。通過調整不同的并聯電阻值(有時可以采用

7、覆銅引線)，例如修改或微調芯片的并聯電阻，可以改變電流值。 該設計方案包括五個單元，因為最大限度地降低了調節(jié)器和控制環(huán)路的功耗，該方案有效延長了電池使用壽命。 靈活的系統(tǒng)故障保護電路設計簡介上網日期: 2009年11月19日窗體頂端窗體底端有 1 名讀者發(fā)表評論申請免費雜志訂閱收藏打印版推薦給同仁發(fā)送查詢精品文章 LED替代傳統(tǒng)照明，方向性錯誤？ 斯里蘭卡漁民使用環(huán)保節(jié)能LED燈 如何為低壓便攜設備背光應用選擇LED驅動器方案更多精品文章關鍵字：系統(tǒng)故障保護 過流保護 過熱保護 供稿：美信公司 摘要：將板卡插入一個帶電系統(tǒng)時，需要嚴格控制浪涌電流以避免造成電路損壞/系統(tǒng)故障。本應用提供了一個簡

8、單易用的電路，滿足這些系統(tǒng)的需求，并可復位系統(tǒng)、對溫度進行監(jiān)測。 許多系統(tǒng)必須能夠自動斷開正在運行的電路的電源，此類系統(tǒng)包括雷達及X射線系統(tǒng)的高壓電源的熱關斷，關斷控制能夠限制上電及熱插拔期間的浪涌電流，確保板卡在上電之前處于就緒狀態(tài)?？傊?，發(fā)生任何系統(tǒng)故障時電源都應保持關閉。 圖1提供了一個靈活的應用電路，該電路可以限制電流或斷開電源以響應用戶命令或其它故障指示信號，具有手動復位(MR)、熱保護及互鎖開關輸入等功能。 圖1. 該電路提供通用的過流和熱保護。例如，U1為斷路開關IC，設計用于在熱插拔中提供保護；它既可以放置在背板側/主板側，也可以在插卡側/背板連接器的遠端，在主電源保持供電的情

9、況下，如果板卡插入機架或主機能夠避免上電故障。 可能出現的故障主要有兩種，卡或遠端設備提供了一個對地的低阻通路，從而拉低主機電源；或者是板卡只有部分連接到連接器，從而產生大量的錯誤數據。U1通 過在可編程啟動周期內調節(jié)浪涌電流可以阻止第一種故障的發(fā)生，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定。正常工作時，兩個內部比較器提供短路和過流保護(雙速/雙電平處理)。第 二種故障可以通過檢測U1的輸出電流(ON)流過卡的外沿的兩個引腳進行處理(圖2)。 圖2. IC (MAX4370)通過檢測卡的外沿引腳的流通電流確保PC板卡連接到背板(a)或主機(b)。內部電荷泵產生外部n溝道MOSFET電源開關(Q1)柵極驅動器所需的電源

10、。發(fā)生故障時，U1鎖存Q1的關斷狀態(tài)，直到外部復位信號清除?？梢栽赨1的 漏極開路輸出引腳(STAT)連接一個LED (或其它故障指示器，如音頻報警器)，用于指示故障狀況。檢測到故障后，可以將ON引腳至少拉低20?s，以復位U1。 開關去抖器(U2)的輸入具有15kV ESD保護和25V電路故障保護，其輸入(如圖中的常閉按扭開關所示)可以清除U1的閉鎖狀態(tài)或提供手動復位，內部上拉到VCC省去了外部上拉電阻?？梢岳脙炔炕ユi或SPST開關取代按鈕，提供一個斷電信號，可以在板卡插拔時關閉部分電路。由于U2采用推挽式輸出，不能直接與連接到U1 ON引腳的其它信號采用“邏輯或”連接，因此增加了Q2，以

11、實現“邏輯或”連接。 溫度開關(U3)增添了熱保護功能，其漏極開路輸出可以直接與連接到U1 ON引腳的其它信號“線或”連接，也可以分別控制微處理器。利用其TO220封裝，U3可以安裝到散熱片上，也可以選擇表面貼封裝(SOT23)，靠近已 知熱源(如：R1、Q1或主負載)安裝。本電路中，發(fā)生溫度報警時，U3產生斷電信號，從而保護電路。低功耗線性穩(wěn)壓器(U4)為低壓器件U2和U3提供 5V電源，但U4并非為負載供電的系統(tǒng)電源。 安森美半導體分享LED照明設計基礎知識上網日期: 2009年12月17日窗體頂端窗體底端有 6 名讀者發(fā)表評論申請免費雜志訂閱收藏打印版推薦給同仁發(fā)送查詢精品文章 LED替

12、代傳統(tǒng)照明，方向性錯誤？ 斯里蘭卡漁民使用環(huán)保節(jié)能LED燈 如何為低壓便攜設備背光應用選擇LED驅動器方案更多精品文章關鍵字：LED照明 LED驅動器 功率因數校正 供稿：安森美半導體 發(fā)光二極管(LED)繼在中小尺寸屏幕的便攜產品背光等應用獲大量采用后，隨著它發(fā)光性能的進一步提升及成本的優(yōu)化，近年來已邁入通用照明領域，如建筑物照明、街道照明、景觀照明、標識牌、信號燈、以及住宅內的照明等，應用可謂方興未艾。 另一方面，LED照明設計也給包括中國工程師在內的工程社群帶來了挑戰(zhàn)，這不僅因為LED照明的應用范圍非常廣泛，應用的功率等級、可以采用的驅動電源種類及電源拓撲結構等，也各不相同。工程師們迫切

13、需要系統(tǒng)地學習及了解更多有關LED照明設計的基礎知識。有鑒于此，安森美半導體的產品應用總監(jiān)Bernie Weir先生近期專門撰寫相關培訓資料，為工程師們傳授相關的設計基礎知識，內容涉及LED驅動器的通用要求、電源拓撲結構、功率因數校正、電源轉換能效和驅動器標準，以及可靠性和使用壽命等其它問題，方便他們更好地設計入門及提高，從而更好地服務于LED照明市場。限于篇幅，本文是該培訓資料的摘要介紹。 一、LED驅動器通用要求驅動LED面臨著不少挑戰(zhàn)，如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化，而不同個體、不同批次、不同供應商的LED正向電壓也會有差異；另外，LED的“色點”也會隨著電流及溫度的變化而漂移。

14、 另外，應用中通常會使用多顆LED，這就涉及到多顆LED的排列方式問題。各種排列方式中，首選驅動串聯的單串LED，因為這種方式不論正向電壓如何變化、輸出電壓(Vout)如何“漂移”，均提供極佳的電流匹配性能。當然，用戶也可以采用并聯、串聯-并聯組合及交叉連接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向電壓的應用，并獲得其它優(yōu)勢。如在交叉連接中，如果其中某個LED因故障開路，電路中僅有1個LED的驅動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。 圖1：常見的LED排列方式。LED的排列方式及LED光源的規(guī)范決定著基本的驅動器要求。LED驅動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED的

15、電流，而無論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅動器基本的工作電路示意圖如圖2所示，其中所謂的“隔離”表示交流線路電壓與LED(即輸入與輸出)之間沒有物理上的電氣連接，最常用的是采用變壓器來電氣隔離，而“非隔離”則沒有采用高頻變壓器來電氣隔離。 圖2：LED驅動器的基本工作電路示意圖。值得一提的是，在LED照明設計中，AC-DC電源轉換與恒流驅動這兩部分電路可以采用不同配置：1)整體式(integral)配置，即兩者融合在一起，均位于照明燈具內，這種配置的優(yōu)勢包括優(yōu)化能效及簡化安裝等；2)分布式(distributed)配置，即兩者單獨存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。 LED驅動器根據不

16、同的應用要求，可以采用恒定電壓(CV)輸出工作，即輸出為一定電流范圍下鉗位的電壓；也可以采用恒定電流(CC)輸出工作，輸出的設計能嚴格限定電流；也可能會采用恒流恒壓(CCCV)輸出工作，即提供恒定輸出功率，故作為負載的LED的正向電壓確定其電流。 總的來看，LED照明設計需要考慮以下幾方面的因素： * 輸出功率：涉及LED正向電壓范圍、電流及LED排列方式等 * 電源：AC-DC電源、DC-DC電源、直接采用AC電源驅動 * 功能要求：調光要求、調光方式(模擬、數字或多級)、照明控制 * 其他要求：能效、功率因數、尺寸、成本、故障處理(保護特性)、要遵從的標準及可靠性等 * 更多考慮因素：機械

17、連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等二、LED驅動電源的拓撲結構采用AC-DC電源的LED照明應用中，電源轉換的構建模塊包括二極管、開關(FET)、電感及電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能，而脈寬調制(PWM)穩(wěn)壓器用于控制電源轉換。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC電源轉換包含反激、正激及半橋等拓撲結構，參見圖3，其中反激拓撲結構是功率小于30 W的中低功率應用的標準選擇，而半橋結構則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結構中的變壓器而言，其尺寸的大小與開關頻率有關，且多數隔離型LED驅動器基本上采用“電子”變壓器。 圖3：常見的隔離型拓撲結構。采用DC-DC電源的LED照明應

18、用中，可以采用的LED驅動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關穩(wěn)壓器等，基本的應用示意圖參見圖4。電阻型驅動方式中，調整與LED串聯的電流檢測電阻即可控制LED的正向電流，這種驅動方式易于設計、成本低，且沒有電磁兼容(EMC)問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選(binning) LED，且能效較低。線性穩(wěn)壓器同樣易于設計且沒有EMC問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護(fold back)，且提供外部電流設定點，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關穩(wěn)壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關(FET)的開和關，進而控制電流的流動。 圖4：常見的DC-DC LED驅動方式。開關穩(wěn)壓器具

19、有更高的能效，與電壓無關，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問題。LED DC-DC開關穩(wěn)壓器常見的拓撲結構包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉換器(SEPIC)等不同類型。其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED串最大電壓時采用降壓結構，如采用24 Vdc驅動6顆串聯的LED；與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時采用升壓結構，如采用12 Vdc驅動6顆串聯的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC結構，如采用12 Vdc或12 Vac驅動4顆串

20、聯的LED，但這種結構的成本及能效最不理想。 采用交流電源直接驅動LED的方式近年來也獲得了一定的發(fā)展，其應用示意圖參見圖5。這種結構中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在線路電壓大于正向電壓時才導通。這種結構具有其優(yōu)勢，如避免AC-DC轉換所帶來的功率損耗等。但是，這種結構中LED在低頻開關，故人眼可能會察覺到閃爍現象。此外，在這種設計中還需要加入LED保護措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。 圖5：直接采用交流驅動LED的示意圖。三、功率因數校正美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何功率等級皆須強制提供功率因數校正(PFC)。

21、這標準適用于一系列特定產品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED驅動器功率因數須大于0.7，而商業(yè)應用中則須大于0.9；但是，這標準屬于自愿性標準。歐盟的IEC61000-3-2諧波含量標準中則規(guī)定了功率大于25 W的照明應用的總諧波失真性能，其最大限制相當于總諧波失真(THD)0.94。雖然不是所有國家都絕對強制要求照明應用中改善功率因數，但某些應用可能有這方面的要求，如公用事業(yè)機構大力推動擁有高功率因數的產品在公用設施中的商業(yè)應用，此外，公用事業(yè)機構購入/維護街燈時，也可以根據他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(通常0.95+)。 圖6：有源PFC的應用電路示意圖。PFC技術包

22、括無源PFC及有源PFC兩種。無源PFC方案的體積較大，需要增加額外的元件來更好地改變電流波形，能夠達到約0.8或更高的功率因數。其中，在小于5 W至40 W的較低功率應用中，幾乎是標準選擇的反激式拓撲結構只需要采用無源元件及稍作電路改動，即可實現高于0.7的功率因數。有源PFC(見圖6)通常是作為一個專門的電源轉換段增加到電路中來改變輸入電流波形。有源PFC通常提供升壓，交流100至277 Vac的寬輸入范圍下，PFC輸出電壓范圍達直流450至480 Vdc。如果恰當地設計PFC段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要專門的DC-DC轉換來提供電流穩(wěn)流。 四、能效問題

23、LED照明應用的能效需要結合功率輸出來考慮。美國“能源之星”固態(tài)照明規(guī)范規(guī)定了照明器具級的能效，但并不涉及單獨LED驅動器的能效要求。如前所述，采用AC-DC電源的LED應用可以采用兩段式分布拓撲結構，故可能采用外部AC-DC適配器供電。而“能源之星”的確包含有關單輸出外部電源的規(guī)范，其2.0版外部電源規(guī)范于2008年11月開始生效，要求標準工作模式下最低能效達87%，而低壓工作模式下最低能效達86%；在此規(guī)范中，功率大于100 W時才要求PFC。 圖7：美國能源部2008年秋季提出的LED照明燈具能效研發(fā)目標。而在采用AC-DC電源的LED應用中，要提供更高的AC-DC轉換能效，就涉及到成本、尺寸、性能規(guī)范及能效等