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LED驅動電源的工作原理

LED驅動電源原理介紹

下圖為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關系曲線,由曲線可知,當正向電壓超過某個閾值(約2V),即通常所說的導通電壓之後,可近似認為,IF與VF成正比。見表是當前主要超高亮LED的電氣特性。由表可知,當前超高亮LED的最高IF可達1A,而VF通常為2~4V。

由於LED光特性通常都描述為電流的函數,而不是電壓的函數,光通量(φV)與IF的關系曲線,因此,采用恒流源驅動可以更好地控制亮度。此外,LED的正向壓降變化範圍比較大(最大可達1V以上),而由上圖中的VF-IF曲線可知,VF的微小變化會引起較大的,IF變化,從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的壹致性,並且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此,超高亮LED通常采用恒流源驅動。

下圖是 LED的溫度與光通量(φV)關系曲線,由下圖可知光通量與溫度成反比,85℃時的光通量是25℃時的壹半,而壹40℃時光輸出是25℃時的1.8倍。溫度的變化對LED的波長也有壹定的影響,因此,良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

下圖是LED的溫度與光通量關系曲線。

壹般LED驅動電路介紹

由於受到LED功率水平的限制,通常需同時驅動多個LED以滿足亮度需求,因此,需要專門的驅動電路來點亮LED。下面簡要介紹LED概念型驅動電路。

阻限流電路  如下圖所示,電阻限流驅動電路是最簡單的驅動電路,限流電阻按下式計算。

式中:Vin為電路的輸入電壓: VF為IED的正向電流; VF為LED在正向電流為,IF時的壓降; VD為防反二極管的壓降(可選); y為每串LED的數目; x為並聯LED的串數。

由上圖可得LED的線性化數學模型為

 式中:Vo為單個LED的開通壓降; Rs為單個LED的線性化等效串聯電阻。則上式限流電阻的計算可寫為

 當電阻選定後,電阻限流電路的IF與VF的關系為

由上式可知電阻限流電路簡單,但是,在輸入電壓波動時,通過LED的電流也會跟隨變化,因此調節性能差。另外,由於電阻R的接人損失的功率為xRIF,因此效率低。

線性調節器介紹

線性調節器的核心是利用工作於線性區的功率三極管或MOSFFET作為壹動態可調電阻來控制負載。線性調節器有並聯型和串聯型兩種。

下圖a所示為並聯型線性調節器又稱為分流調節器(圖中僅畫出了壹個LED,實際上負載可以是多個LED串聯,下同),它與LED並聯,當輸入電壓增大或者LED減少時,通過分流調節器的電流將會增大,這將會增大限流電阻上的壓降,以使通過LED的電流保持恒定。

由於分流調節器需要串聯壹個電阻,所以效率不高,並且在輸入電壓變化範圍比較寬的情況下很難做到恒定的調節。

下圖b所示為串聯型調節器,當輸入電壓增大時,調節動態電阻增大,以保持LED上的電壓(電流)恒定。

由於功率三極管或MOSFET管都有壹個飽和導通電壓,因此,輸入的最小電壓必須大於該飽和電壓與負載電壓之和,電路才能正確地工作。

開關調節器介紹

上述驅動技術不但受輸入電壓範圍的限制,而且效率低。在用於低功率的普通LED驅動時,由於電流只有幾個mA,因此損耗不明顯,當用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅動時,功率電路的損耗就成了比較嚴重的問題。開關電源是目前能量變換中效率最高的,可以達到90%以上。Buek、Boost和 Buck-Boost等功率變換器都可以用於LED的驅動,只是為了滿足LED驅動,采用檢測輸出電流而不是檢測輸出電壓進行反饋控制。

下圖(a)為采用Buck變換器的LED驅動電路,與傳統的Buek變換器不同,開關管S移到電感L的後面,使得S源極接地,從而方便了S的驅動,LED 與L串聯,而續流二極管D與該串聯電路反並聯,該驅動電路不但簡單而且不需要輸出濾波電容,降低了成本。但是,Buck變換器是降壓變換器,不適用於輸入電壓低或者多個LED串聯的場合。

上圖(b)為采用Boost變換器的LED驅動電源,通過電感儲能將輸出電壓泵至比輸入電壓更高的期望值,實現在低輸入電壓下對LED的驅動。優點是這樣的驅動IC輸出可以並聯使用,有效的提高單顆LED功率。

上圖(c)為采用Buck—Boost變換器的LED驅動電路。與Buek電路相似,該電路S的源極可以直接接地,從而方便了S的驅動。Boost和 Buck-Boosl變換器雖然比Buck變換器多壹個電容,但是,它們都可以提升輸出電壓的絕對值,因此,在輸入電壓低,並且需要驅動多個LED時應用較多。

PWM調光知識介紹

在手機及其他消費類電子產品中,白光LED越來越多地被使用作為顯示屏的背光源。近來,許多產品設計者希望白光LED的光亮度在不同的應用場合能夠作相應的變化。這就意味著,白光LED的驅動器應能夠支持LED光亮度的調節功能。目前調光技術主要有三種:PWM調光、模擬調光、以及數字調光。市場上很多驅動器都能夠支持其中的壹種或多種調光技術。本文將介紹這三種調光技術的各自特點,產品設計者可以根據具體的要求選擇相應的技術。

PWM Dimming (脈寬調制) 調光方式——這是壹種利用簡單的數字脈沖,反復開關白光LED驅動器的調光技術。應用者的系統只需要提供寬、窄不同的數字式脈沖,即可簡單地實現改變輸出電流,從而調節白光LED的亮度。PWM 調光的優點在於能夠提供高質量的白光,以及應用簡單,效率高!例如在手機的系統中,利用壹個專用PWM接口可以簡單的產生任意占空比的脈沖信號,該信號通過壹個電阻,連接到驅動器的EN接口。多數廠商的驅動器都支持PWM調光。

但是,PWM 調光有其劣勢。主要反映在:PWM調光很容易使得白光LED的驅動電路產生人耳聽得見的噪聲(audible noise,或者microphonic noise)。這個噪聲是如何產生?通常白光LED驅動器都屬於開關電源器件(buck、boost 、charge pump等),其開關頻率都在1MHz左右,因此在驅動器的典型應用中是不會產生人耳聽得見的噪聲。但是當驅動器進行PWM調光的時候,如果PWM信號的頻率正好落在200Hz到20kHz之間,白光LED驅動器周圍的電感和輸出電容就會產生人耳聽得見的噪聲。所以設計時要避免使用20kHz以下低頻段。

我們都知道,壹個低頻的開關信號作用於普通的繞線電感(wire winding coil),會使得電感中的線圈之間互相產生機械振動,該機械振動的頻率正好落在上述頻率,電感發出的噪音就能夠被人耳聽見。電感產生了壹部分噪聲,另壹部分來自輸出電容。現在越來越多的手機設計者采用陶瓷電容作為驅動器的輸出電容。陶瓷電容具有壓電特性,這就意味著:當壹個低頻電壓紋波信號作用於輸出電容,電容就會發出吱吱的蜂鳴聲。當PWM信號為低時,白光LED驅動器停止工作,輸出電容通過白光LED和下端的電阻進行放電。因此在PWM調光時,輸出電容不可避免的產生很大的紋波。總之,為了避免PWM調光時可聽得見的噪聲,白光LED驅動器應該能夠提供超出人耳可聽見範圍的調光頻率!

相對於PWM調光,如果能夠改變RS的電阻值,同樣能夠改變流過白光LED的電流,從而變化LED的光亮度。我們稱這種技術為模擬調光。

模擬調光最大的優勢是它避免了由於調光時所產生的噪聲。在采用模擬調光的技術時,LED的正向導通壓降會隨著LED電流的減小而降低,使得白光LED的能耗也有所降低。但是區別於PWM調光技術,在模擬調光時白光LED驅動器始終處於工作模式,並且驅動器的電能轉換效率隨著輸出電流減小而急速下降。所以,采用模擬調光技術往往會增大整個系統的能耗。模擬調光技術還有個缺點在於發光質量。由於它直接改變白光LED的電流,使得白光LED的白光質量也發生了變化!

除了PWM調光,模擬調光,目前有些產商的驅動器支持數字調光。具備數字調光技術的白光LED驅動器會有相應的數字接口。該數字接口可以是SMB、I2C、或者是單線式數字接口。系統設計者只要根據具體的通信協議,給驅動器壹串數字信號,就可以使得白光LED的光亮發生變化。

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