LED及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
前言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/368548.htm照明伴隨著人類文明的發(fā)展已經(jīng)有幾千年的歷程。從最原始的鉆木取火到種類繁多的各種光源,如白熾燈、鹵素?zé)?、日光燈、?jié)能燈、LED燈等等,照明產(chǎn)品不斷向著高效、節(jié)能、環(huán)保、高科技方向發(fā)展。LED的誕生和發(fā)展為人類照明提供了高質(zhì)量、絢麗多彩的光環(huán)境。它被廣泛的應(yīng)用于民用照明、工業(yè)照明、醫(yī)療照明、汽車照明等不同領(lǐng)域。隨著LED在各個(gè)領(lǐng)域的不同應(yīng)用需求,LED驅(qū)動(dòng)電路也在不斷進(jìn)步和發(fā)展。本文針對(duì)LED和LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)作了相應(yīng)的介紹、分析和展望。
LED 和傳統(tǒng)光源相比較的特點(diǎn)
相對(duì)于傳統(tǒng)光源,LED具有顯著的優(yōu)勢(shì):
LED發(fā)光是由電能直接轉(zhuǎn)換成光的過程。比較起傳統(tǒng)光源,如白熾燈先由電能轉(zhuǎn)化為熱能,然后再由熱能轉(zhuǎn)化成光能的發(fā)光的發(fā)光過程,LED具有高光效,節(jié)能的優(yōu)勢(shì),此外在適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)條件下,LED燈具有壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
LED具有發(fā)光響應(yīng)塊,光源造型多變,色彩控制靈活的優(yōu)點(diǎn)。
LED和傳統(tǒng)光源相比具有良好的低溫特性。
LED和傳統(tǒng)光源相比,不存在諸如水銀、鉛等環(huán)境污染物,因此更加綠色環(huán)保。
盡管LED比較起傳統(tǒng)光源具有名顯優(yōu)勢(shì),但是目前LED燈成本較高,驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。
LED 發(fā)光原理
LED–Light Emitting Diode發(fā)光二極管,是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。LED發(fā)光是一種注入式電致發(fā)光。當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后,從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子,在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合,產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同,釋放出的能量越多,則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。而光的波長(zhǎng)決定了光的顏色。
發(fā)光波長(zhǎng):
式中:h—普朗克常數(shù); c—光速;—半導(dǎo)體的禁帶寬度。
LED 發(fā)光原理如圖1所示:
圖1 LED 發(fā)光原理
LED 結(jié)構(gòu)
LED基本機(jī)構(gòu)包括LED芯片、電極、焊接線,以及構(gòu)成LED整個(gè)封裝機(jī)械部件和光學(xué)部件如LED芯片支架、透鏡、硅膠、環(huán)氧樹脂、熒光粉等。
LED分為單芯片封裝,多芯片封裝產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展部分保護(hù)元件或部分LED驅(qū)動(dòng)電路元件也和LED芯片一同封裝。
單芯片LED 基本結(jié)構(gòu)如圖2,圖3所示:
圖2 SMD封裝 LED結(jié)構(gòu) 圖3 插件封裝 LED結(jié)構(gòu)
LED 主要參數(shù)
電參數(shù)
最大正向工作電流IF:是指LED正常工作情況下,允許加在LED的最大的正向電流值。
最大浪涌電流IFM:允許加在LED的最大的浪涌電流值。
正向工作電壓VF:是在給定的正向電流下得到的二極管正向工作電壓。
最大反向電壓VR:LED PN結(jié)所允許的最大反向電壓。
額定功率PD:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流乘積的最大值。
光學(xué)參數(shù)
峰值發(fā)射波長(zhǎng)p:光譜輻射功率最大的值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。
光譜半波寬Δλ:峰值發(fā)射波長(zhǎng)的輻射功率的1/2所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)的間隔。
光通量Φv:通過發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時(shí),器件光學(xué)窗口發(fā)射的光通量。
光強(qiáng):點(diǎn)光源在給定方向上,單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量,單位坎德拉(Cd)。
半值角θ1/2和視角:θ1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸向(法向)的夾角。半角值二倍為視角(半功率角)。
色度坐標(biāo)x、y、z:1931CIE-XYZ系統(tǒng),就是在RGB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,用數(shù)學(xué)方法,選用三個(gè)理想的原色來代替實(shí)際的三原色。從而將CIE-RGB系統(tǒng)中的光譜三刺激值 和色度坐標(biāo)r、g、b均變?yōu)檎怠?/p>
顯色指數(shù)CRI:與標(biāo)準(zhǔn)的參考光源相比較,一個(gè)光源對(duì)物體顏色外貌所產(chǎn)生的效果。換句話說,CRI是一個(gè)光源與標(biāo)準(zhǔn)光源(例如日光)相比較下在顏色辨認(rèn)方面的一種測(cè)量方式。
色溫TC(Color Temperature):光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí),稱黑體的溫度(TC)為光源的色溫度。
其它參數(shù)
操作溫度:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。
熱阻:熱流通道上的溫度差與通道上耗散功率之比,LED的熱阻定義(Rth j-s):從PN結(jié)(j) 到焊點(diǎn)(s)的熱阻。
結(jié)溫:LED P-N 結(jié)區(qū)所能承受的溫度的額定最大值。
常規(guī)特性曲線
LED 常規(guī)特性曲線如下圖所示。以下常規(guī)特性曲線基于OSRAM LCW CRDP.PC 規(guī)格書舉例說明:
圖4相對(duì)光通量和LED驅(qū)動(dòng)電流 圖5 LED 正向?qū)娏骱蚅ED正向?qū)▔航?/p>
圖6 LED溫度和LED正向?qū)▔航怠 ?圖7相對(duì)光通量和LED溫度
圖8色坐標(biāo)和LED溫度 圖9最大正向?qū)娏骱蚅ED溫度
圖10 LED抗脈沖電流沖擊曲線
LED在電路中的連接方式
LED在電路中的連接方式主要包括串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)混合連接。
LED 串聯(lián)
LED串聯(lián)連接方式的特點(diǎn)是總壓降等于所有LED壓降之和,每顆LED電流相等。由于各串聯(lián)LED工作電流相等,每顆LED的光通量輸出和壽命具有良好的一致性。但是在光通量要求比較高而且LED驅(qū)動(dòng)電流已經(jīng)限定的情況下,需要較多顆數(shù)的LED串聯(lián), 因此LED串連的壓降比較高,對(duì)于元件額定電壓的選擇,以及安規(guī)設(shè)計(jì)有比較高的要求。另外由于每顆LED正向?qū)▔航档牟煌ㄌ貏e是不同電壓Bin的情況下)容易造成不同批次或同一批次不同LED負(fù)載電壓公差比較大,特別是相對(duì)于同樣流明輸出的LED并聯(lián)情況下LED負(fù)載變化范圍比較寬。在恒流精度要求比較高的情況下要求驅(qū)動(dòng)電路有比較好的負(fù)載調(diào)整率。
LED串聯(lián)使用并在恒流驅(qū)動(dòng)條件下,當(dāng)其中一顆或幾顆短路時(shí),其它未短路的LED可以正常工作,但其中任何一顆或幾顆LED開路情況下,其它LED 將無法點(diǎn)亮。
LED串聯(lián),如下圖11所示:
圖11 LED串聯(lián)電路
LED 并聯(lián)
并聯(lián)連接方式的特點(diǎn)是總電流等于各并聯(lián)LED電流之和,加載在各串LED的電壓相等。由于LED最大電流的限制,可用多個(gè)較小額定電流的LED并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)較高的光通量輸出。由于LED并聯(lián)電壓相對(duì)比較低,因此對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路元件的額定電壓要求比較低,額定電流要求比較高。但是如果各LED正向?qū)▔航挡煌ㄌ貏e是在LED不同電壓Bin的情況下),容易造成各LED不均流,從而導(dǎo)致LED亮度不均勻。隨著LED結(jié)溫的不斷升高,這種不均流將加劇,在不均流比較嚴(yán)重的情況下如果驅(qū)動(dòng)電流大于LED最大工作電流時(shí)容易造成LED損壞。為減小此種不均流現(xiàn)象,可以通過選用同一電壓Bin的LED 進(jìn)行并聯(lián)使用。
LED并聯(lián)使用,當(dāng)其中某一顆或幾顆LED開路時(shí),其它LED在未過流的情況下可以工作。但其中任何一顆LED短路情況下,其它并聯(lián)LED燈將無法點(diǎn)亮。
LED并聯(lián),如下圖12所示:
圖12 LED 并聯(lián)電路
LED 串并聯(lián)混合連接方式
LED串并聯(lián)或LED矩陣的連接方式隨著光通量要求的不斷提高和光學(xué)設(shè)計(jì)的多樣化需求在LED燈中廣泛應(yīng)用。在同樣流明輸出的情況下(特別是對(duì)于較高流明輸出的LED燈的電路設(shè)計(jì)),這種串并聯(lián)混合的連接方式既避免了多顆LED串聯(lián)導(dǎo)通壓降比較高的問題,又可以兼具LED并聯(lián)連接方式的優(yōu)點(diǎn),即可以用多個(gè)較低功率的LED和較低LED驅(qū)動(dòng)電壓的方式來實(shí)現(xiàn)更高的光通量輸出。但是由于LED正向?qū)▔航档牟煌ㄌ貏e是在LED不同電壓Bin的情況下),串并聯(lián)混合連接電路中不均流問題仍然存在。
LED 串并聯(lián)混合連接方式,當(dāng)某顆或某串LED損壞,在其它LED未過流驅(qū)動(dòng)的情況下,未損壞的LED仍然可以點(diǎn)亮工作。
LED串并聯(lián)混合連接如下圖13所示:
圖13 LED串并聯(lián)電路
LED矩陣如下圖14所示:
圖14 LED矩陣
LED 驅(qū)動(dòng)器的主要實(shí)現(xiàn)方式
恒流驅(qū)動(dòng)
恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出的電流是基本恒定的,而輸出的直流電壓卻隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化的驅(qū)動(dòng)電路。恒流驅(qū)動(dòng)是比較理想的LED驅(qū)動(dòng)方式。
常用的恒流驅(qū)動(dòng)電路可分為線性LED恒流驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。
對(duì)于線性恒流LED恒流驅(qū)動(dòng)電路,其具備電路簡(jiǎn)單,成本較低的特點(diǎn)。由于不需要電感,高頻變壓器,電解電容等元件,大大降低了電路成本和提高了EMI特性,延長(zhǎng)了LED驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。
基于BCR420U的線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電路如下圖15所示:
圖15 基于BCR420U的線性恒流LED驅(qū)動(dòng)電路
開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路,比較起線性恒流驅(qū)動(dòng)電路,具有高效率,高恒流精度的特點(diǎn)。根據(jù)不同輸入輸出條件可靈活選擇升壓,降壓,升降壓等拓樸結(jié)構(gòu)。開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。但開關(guān)模式的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)復(fù)雜,成本較高。
基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驅(qū)動(dòng)電路如下圖16所示:
圖16 基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驅(qū)動(dòng)電路
恒壓驅(qū)動(dòng)
恒壓LED驅(qū)動(dòng)電路,是輸出電壓基本恒定的。常用的恒壓驅(qū)動(dòng)電路可分為線性LED恒壓驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。線性恒壓LED驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單,成本低,適合驅(qū)動(dòng)低功率LED,但電路效率比較低;開關(guān)模式恒壓LED電路,比較起線性恒壓電路效率比較高,可靠性好。由于LED伏安特性的非線性,很小的電壓變化就會(huì)引起很大的電流變化,如果用恒壓源直接驅(qū)動(dòng),LED電流會(huì)隨著LED負(fù)載電壓的微小變化而發(fā)生急劇變化,甚至?xí)龤ED。因此在實(shí)際應(yīng)用中, 恒壓驅(qū)動(dòng)電源一般會(huì)在LED負(fù)載前接入電阻限流或恒流LED驅(qū)動(dòng)電路。圖17所示為基于TDA4863-2G的恒壓電路+BCR450線性恒流電路的LED驅(qū)動(dòng)解決方案。
圖17基于TDA4863-2G的恒壓+BCR450線性恒流的LED驅(qū)動(dòng)解決方案
恒功率驅(qū)動(dòng)
恒功率驅(qū)動(dòng)電路輸出功率基本恒定。比較起恒壓驅(qū)動(dòng),在同樣的LED負(fù)載電壓變化情況下,恒功率LED驅(qū)動(dòng)有較好的恒流精度。
恒功率驅(qū)動(dòng)電路主要以開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)電路中,其優(yōu)點(diǎn)是可以減小由于LED結(jié)溫升高造成的光衰。如圖7所示,在LED燈點(diǎn)亮后結(jié)溫升高,特別是在LED結(jié)溫比較高的情況下,如果采用恒流驅(qū)動(dòng)光通量輸出將隨著結(jié)溫的升高而下降,也就是光衰現(xiàn)象。在恒功率驅(qū)動(dòng)的情況下,隨著LED結(jié)溫的升高,負(fù)載LED的壓降會(huì)降低,LED的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)有所增加,如圖4所示,由于驅(qū)動(dòng)電流的增加LED光通量輸出將增加,因此彌補(bǔ)了由于LED結(jié)溫升高造成的光通量減少現(xiàn)象,從而減小了LED 燈的光衰現(xiàn)象。
交流驅(qū)動(dòng)
隨著LED材料技術(shù),封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步,AC LED已經(jīng)問世并不斷改進(jìn)和發(fā)展。AC LED是指交流電直接驅(qū)動(dòng)LED。一般來講, AC LED為了得到高電壓而使用多個(gè)LED芯片串聯(lián),并將兩路LED反向并聯(lián),或者連同一些整流橋,電阻等其它電子元件封裝在一起的模組。這種AC LED雖然操作簡(jiǎn)便(可直接交流電驅(qū)動(dòng))但頻閃、總諧波失真以及LED燈珠的使用率等方面有待提高。
脈沖驅(qū)動(dòng)
脈沖驅(qū)動(dòng)是以高速開關(guān)的脈寬調(diào)制的方式來直接驅(qū)動(dòng)LED,通過改變脈沖寬度或者開關(guān)頻率的方式來改變LED驅(qū)動(dòng)電流的有效值,從而改變LED的亮度。LED具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)特,當(dāng)開關(guān)頻率大于人眼的視覺閃爍頻率,人眼觀察的LED為連續(xù)發(fā)光。脈沖驅(qū)動(dòng)適用于可調(diào)光LED電路,RGB混光LED電路,或者LED矩陣顯示屏等電路中。
相對(duì)于恒流驅(qū)動(dòng),由圖4和圖7所示,LED亮度和驅(qū)動(dòng)電流以及溫度的關(guān)系是非線性的,通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖占比的方式可實(shí)現(xiàn)更好的線性調(diào)光功能。色坐標(biāo)和色溫會(huì)隨著LED隨著結(jié)溫的變化而偏移,在RGB混光電路的應(yīng)用中,可同調(diào)整脈沖頻率和占空比來補(bǔ)償由于溫度變化造成的色坐標(biāo)和色溫漂移。但是在脈沖驅(qū)動(dòng)有效電流值和恒流驅(qū)動(dòng)電流值相等的情況下,采用恒流驅(qū)動(dòng)電路的效率會(huì)高于脈沖驅(qū)動(dòng)電路。
基于BCR321U的脈沖驅(qū)動(dòng)RGB調(diào)光電路如下圖所示:
圖18 基于BCR321U的脈沖驅(qū)動(dòng)RGB調(diào)光電路
不同光環(huán)境對(duì)LED和LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)需求
隨著LED技術(shù)的發(fā)展,LED在民用,工業(yè),汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。因此,在不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)LED和LED驅(qū)動(dòng)器的要求也有所不同。
室內(nèi)照明
對(duì)于室內(nèi)照明產(chǎn)品,通常以替換傳統(tǒng)燈為主的標(biāo)準(zhǔn)化接口的LED燈為主,其輸出功率比較小。
因此LED和LED驅(qū)動(dòng)器要求:一,高效節(jié)能,壽命長(zhǎng),性價(jià)比高。二,高質(zhì)量的光學(xué)特性,比如說高顯色指數(shù)和寬光譜的LED光源,并且光源需要具有良好的穩(wěn)定性(其中包括無頻閃和良好的線性調(diào)光等)。三,造型新穎的個(gè)性化的燈具。
室外照明
對(duì)于室外照明產(chǎn)品,具有操作溫度,濕度環(huán)境比較惡劣,功率比較大,系統(tǒng)比較復(fù)雜的特點(diǎn)。
因此LED和LED 驅(qū)動(dòng)器要求:一,高效率,可靠性好,壽命長(zhǎng)。二,除了對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路要求比較高以外,整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)和散熱,防水設(shè)計(jì)也尤為重要。三,對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,模塊化設(shè)計(jì)。四,智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加廣泛應(yīng)用。
特殊照明
對(duì)于特殊照明種產(chǎn)品類繁多,設(shè)計(jì)需求多樣化,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善等特點(diǎn)。隨著特殊照明產(chǎn)品的發(fā)展使LED的應(yīng)用具有無限種可能性。
例如低溫照明產(chǎn)品要求LED和LED 驅(qū)動(dòng)器低溫下可以正常工作,并且高效節(jié)能,可靠性好,光衰小。
例如醫(yī)療照明產(chǎn)品,對(duì)LED光學(xué)特性有特殊要求,例如:LED?光手術(shù)燈, ?需要過濾紅外線以避免造成紅外線灼傷問題,高顯色性,特定的光學(xué)設(shè)計(jì),如無影燈。另外醫(yī)療照明產(chǎn)品對(duì)于LED 驅(qū)動(dòng)器具有較高的可靠性和壽命要求。
例如汽車照明產(chǎn)品,要求LED和LED 驅(qū)動(dòng)器具有良好的高低溫特性,較高的可靠性和壽命。同時(shí)滿足特定的光學(xué)設(shè)計(jì)和行業(yè)法規(guī)要求等。
LED 驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展展望
一,小型化方向發(fā)展
隨著LED燈性能,裝配,低成本的要求不斷提高,LED驅(qū)動(dòng)電路電路趨向于高效率,精簡(jiǎn),高密度裝配發(fā)展方向。特別是消費(fèi)類照明產(chǎn)品,電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由相對(duì)比較復(fù)雜的隔離方案趨向于比較簡(jiǎn)單的非隔離方案。高壓線性驅(qū)動(dòng)模式的LED驅(qū)動(dòng)方案也不斷的發(fā)展和應(yīng)用于LED產(chǎn)品中。
二,主要元件高集成度方向發(fā)展
隨著LED 驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)單化要求,驅(qū)動(dòng)電路集成度不斷提高,特別是LED驅(qū)動(dòng)IC集成度不斷提高,外圍元件不斷精簡(jiǎn),功能更加強(qiáng)大。另外作為光源重要組成部分的LED也衍生出具有高集成度的新產(chǎn)品,不僅實(shí)現(xiàn)多芯片封裝,部分電路元件也被集成在LED中,比如AC LED,COB,OLED等。
三,大功率驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品逐步向模塊化,標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)方向發(fā)展
部分大功率LED 驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品尚處于恒壓源配備恒流模塊使用階段,隨著客戶對(duì)產(chǎn)品性能、外觀等方面要求的提高,配備恒流模塊的恒壓源產(chǎn)品將逐步被恒壓恒流一體化的模塊化產(chǎn)品所取代。
四,智能化方向發(fā)展
參數(shù)設(shè)定,運(yùn)行監(jiān)控,遠(yuǎn)程控制,系統(tǒng)可擴(kuò)展性為L(zhǎng)ED智能化的主要方面。
基于智能開發(fā)平臺(tái),通過更改軟件設(shè)計(jì),設(shè)定不同參數(shù),對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行系列設(shè)計(jì),功能擴(kuò)展,有效縮短研發(fā)周。RGB 混光技術(shù)的智能控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)LED的亮度,顏色和色溫進(jìn)行任意調(diào)節(jié),來營(yíng)造更加豐富高質(zhì)量的光環(huán)境。遙控技術(shù),通訊技術(shù)在LED領(lǐng)域的應(yīng)用使產(chǎn)品應(yīng)用更加便捷。
結(jié)束語
本文討論了LED的基本參數(shù)和特性以及LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí),并基于LED行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀展望了LED驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展方向。隨著半導(dǎo)體元件技術(shù)的發(fā)展和電子技術(shù)的不斷提高,經(jīng)濟(jì)可靠的LED驅(qū)動(dòng)IC及品類繁多的半導(dǎo)體開關(guān)器件,可用于設(shè)計(jì)安全高效的LED驅(qū)動(dòng)電路。
評(píng)論