随着LED 的迅速发展。现在白光LED 光源相比的传统光源具有寿命长、固体照明不易损坏、高光效、无汞环保、抗震等优点,未来将成为第三代光源[1],将带来照明领域的又一次革命。将LED 使用到照明领域,需要适合LED 的驱动电源,文中利用PWM 开关控制方式设计实现了一种白光LED 的大功率驱动电路。
1 LED 电气特性和驱动要求
1. 1 LED 的电学特性
白光LED 的I - V 特性与普通二极管类似,只是开启电压不同,不同材料制备的LED 开启电压一般在1. 5 ~ 3. 0 V 之间。处于正向工作区时,工作电流IF与外加电压呈指数关系[2]
IF = IS( eqVF/kT - 1) ( 1)式中,IS为反向饱和电流; VF为二极管两端的外加电压; q 为电子电荷; k 为波尔兹曼常数; T 为热力学温度。LED 可长期稳定工作时的直流电流,称为额定工作电流,此时LED 压降称为额定电压。1 W 的白光LED,其额定工作电流350 mA,额定电压3. 3 V。允许加在LED 两端正向电压与流经LED 电流之积的最大值为其极限功耗,当实际功耗超过该值时,LED 发光特性变差,严重时会使LED 产生结构破坏[3]。 1. 2 LED 驱动要求
由LED 的I - V 特性可知,当加在LED 两端的电压稍有波动,都会引起电流的剧烈变化,此时很容易使电流过大,输入功率超过其极限功耗,从而对LED造成不可恢复的损坏。当LED 工作电流值不同时,其发光强度也不同,若采用恒压驱动,则LED 阵列应采用并联方
式连接,但是由于LED 个体之间的参数误差,会导致各支路的电流不同,致使阵列发光强度不均匀,因此LED 的驱动电路一般选择恒流驱动模式,相应的LED 阵列亦采用串联方式连接,驱动电流一般设为LED 额定电流的70% ~ 85%,以保护LED,达到延长使用寿命的目的,同时也使每个LED的发光强度均匀一致[4]。LED 驱动电路设计中,需要考虑以下几个基本指标[5]:
( 1) 提高驱动电路的转换效率,减小电路中的功耗。
( 2) 提高电路的可靠性,能够耐高压,具有过流检测功能。
( 3) 电路尽量精简,有较小的电路体积和较低的制造成本。
2 PWM 方式开关电路设计
2. 1 PWM 原理
PWM 即脉冲宽度调制,利用脉冲控制开关电路的开关时间,可以控制电路输出的平均电压或电流从而达到控制电路的输出功率。PWM 开关稳压或恒流的基本工作原理是在输入电压、系统参数及外接负载发生变化的情况下,在固定工作频率下控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开关器件导通的脉冲宽度,使得开关电源的输出电压或电流稳定。由于控制器件功耗小,工作在开关状态中的电路效率高,所以电源效率一般可以做到80% ~90% [6 - 7]。该类电路都有完善的保护措施,属高可靠性电源。PWM 开关电路由4 部分组成,即输入整流滤波、PWM 控制、开关器件和输出滤波。
常见PWM 开关控制信号产生部分大都实现了集成化,更加精简PWM 开关电源的设计,下面介绍利用芯片HV9910B 设计适用于大功率LED 的典型PWM方式开关驱动电路。
2. 2 电路设计
HV9910B 是一种通用LED 驱动控制器,它的适应性强,即可使用国际通用的市电供电,也可以用蓄电池或者太阳能供电,而且能够接受范围较宽的输入电压。输出的恒流驱动电流范围极宽,从几十mA 到1 A以上。使用HV9910B 搭建的驱动器使用器件较少,电路简单,生产成本也会降低[8]。由HV9910B 设计的LED 恒流驱动电路如图2 所示,输入为AC 220 V 的市电,负载为10 只功率为1 W 的LED 串联组成阵列。
电路输入级由全波整流桥和一个滤波电容组成,完成对交流电的整流滤波。控制级由HV9910B 芯片搭建,经输入级滤波后的电压输入到芯片的Vin,作为电路的输入电压VI,其峰值是310 V,均值为190 V。VDD、LD、PWMD 端通过电容器接GND 端,以维持相应引脚的片内电压。由GATE 端输出频率一定的方波脉冲信号作为开关信号控制开关管,其频率由RT端所接的电阻设定,脉冲宽度由CS 端采样电阻RCS反馈的LED 电流信号控制。电感L1在电路中起着至关重要的作用,为驱动电路提供滤波和储能以及续流供电,以保持负载中电流的均衡性,恢复二极管完成构建续流通路的作用。在开关信号开通半周内,由前级滤波后的电势向LED 负载直接供电,并给L1充电; 在开关信号关断半周内,由充满能量的L1给快恢复二极管、LED 组成的回路供能,实现在一个周期内完成对LED 的持续驱动。
2. 2. 1 电路参数计算和器件选择
参考芯片的使用手册和具体电路要求可以确定芯片的外围器件参数,首先必须确定电路的工作频率。由RT引脚接阻值为226 kΩ ~ 1 MΩ 的电阻,设定GATE 引脚输出的开关信号频率。该频率的选择与电感L 值和开关管性能有关,一般在市电供电条件下,频率选择在25 ~150 kHz [5]。当选择过高频率时,需要的电感值较小,但对开关管的要求很高,此时开关管功耗比低频工作时大很多。试验中,先设臵到100 kHz开关频率,在没有散热的情况下MOSFET 发热量大,极易烧毁。当频率设臵到26 kHz 时,计算所得电感很大,在工作状态中电感上消耗过多能量,也不适合电路的高效率工作,所以开关工作频率选50 kHz。LED 的驱动电流设定为0. 35 A,根据芯片手册中提供的计算公式可得到RT值为478 kΩ,在设计允许范围内可以使用470 kΩ 电阻用作RT,采样电阻RCS = 0. 62 Ω。电感L1取值与LED 电流的纹波值有关,一般限制纹波系数最大为0. 3,电感值的计算公式[9]为L1 = VLED × ( 1 - VLED /Vin)0. 3 × ILED × fs( 2) 电路驱动了10 个LED,其VLEDS为33 V,Vin是经过全波整流和滤波后的峰值电压,其值为310 V,ILED和fs取值同前,代入式( 2) 计算得到L1 = 5. 6 mH,电路中选用6. 8 mH 的电感。MOS 管选取了性能优良的IRF840,其最大耐压500 V,最大漏极电流5 A,导通电阻0. 6 Ω。二极管选取快恢复二极管BYV26B,其反向耐压VD =500 V,正向平均电流1 A,正向导通压降1. 2 V。电容C2作为输出滤波电路实现电压滤波,C2在4. 7 ~ 33 μF 的电容中选取,前级的滤波电容C0选择4. 7 ~ 33 μF 的极性电容,电容C1使用2. 2 μF 无极性电容。全波整流桥要求有高耐压和大的过电流,电路中选取DB206S,可耐脉冲高压800 V,浪涌电流2 A,满足电路设计要求。
2. 2. 2 电路效率理论计算参考
整个电路中的主要损耗由功率MOS 管、采样电阻、负载LED 相连的电感L1、快速二极管以及芯片HV9910B 产生[7]。根据文献[7]所提供的相关公式和特定型号的原件参数,可以计算得到该电路的总体功耗PLOSS = PMOS + PDIODE + PINDUCTOR + PIC + PRS = 0. 032+0. 389 + 0. 613 + 0. 31 + 0. 008 = 1. 352 W。电路输出电功率为PO =33 ×0. 35 =11. 6 W,电路的整体转换效率η =11. 6/( 1. 35 +11. 6) ×100% =89. 57%。从效率理论计算结果来看,该设计电路性能优良。
3 电路测试
对所设计的PWM 开关驱动电路进行电路搭建,并采用数字电压表,交流功率计,示波器等实验仪器对其实物电路的工作状态进行了测试。在电路正常工作情况下,对电路中的2 个关键点的电压波形进为施加到开关器件栅极的PWM开关控制信号波形,其周期为14 μs,幅值8 V,占空比8. 3%,周期和预设值有一定差距,这主要是电阻RT阻值误差造成的频率设臵偏差。测量过程是在LED 负载回路中串入0. 5 Ω 电阻测量其两端的电压波形,利用电阻的线性特性来反映电流特性。从波形上看,电流按照锯齿波形周期性变化,峰峰值为40 mV,计算得到其电流纹波为80 mA,输出电流均值为350 mA,经过计算得到其纹波系数为22. 9%。电路的输入功率PI实测为9. 9 W,负载消耗功率Pout为8. 7 W,则该电路的转换效率为87. 8%,和对电路效率理论计算所得值相近。经过对电路的关键点波形测量,和对电路功率的实测,得到该电路工作在71 kHz 的频率开关状态,工作状态稳定、输出功率大、效率较高。但是电路的输出纹波系数偏高,致使安全工作中LED 的发光照度不会达到其最优值,还需要对电路输出滤波部分进一步改进提高。
4 结束语
通过分析了解LED 发光性能和电气特性,得到使用恒流电源驱动、串联方式连接LED 阵列的驱动要求。在PWM 方式开关电路原理的基础上,设计出了基于HV9910B 芯片的典型PWM 方式开关电路,通过实验测量确定其最佳工作频率,较好地完成了对白光大功率LED 的照明驱动。通过理论计算和实际测量,发现开关LED 驱动电源有着较为
优越的电路转换效率,工作电压范围宽,恒流输出和转换效率超过85%的特点。但是要更安全地驱动白光LED 进行日光照明,就需要对开关电路的输出进行更为优秀的滤波处理,使电路的输出纹波更小,电流更平稳。
第二篇:led的论文范文
超高亮度LED的应用面不断扩大,首先进入特种照明的市场领域,并向普通照明市场迈进。由于LED芯片输入功率的不断提高,对这些功率型LED的封装技术提出了更高的要求。功率型LED封装技术主要应满足以下两点要求:
1、封装结构要有高的取光效率,
2、热阻要尽可能低,这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性。 半导体LED若要作为照明光源,常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比,距离甚远。因此,LED要在照明领域发展,关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构,虽然其内量子效率还需进一步提高,但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。现有的功率型LED的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率,改善芯片的热特性,并通过增大芯片面积,加大工作电流来提高器件的光电转换效率,从而获得较高的发光通量。除了芯片外,器件的封装技术也举足轻重。关键的封装技术工艺有: 散热技术 传统的指示灯型LED封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达250℃/W~300℃/W,新的功率型芯片若采用传统式的LED封装形式,将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。 因此,对于大工作电流的功率型LED芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED器件的技术关键。可采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片;在芯片下部加铜或铝质热沉,并采用半包封结构,加速散热;甚至设计二次散热装置,来降低器件的热阻。在器件的内部,填充透明度高的柔性硅橡胶,在硅橡胶承受的温度范围内(一般为-40℃~200℃),胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象。
零件材料也应充分考虑其导热、散热特性,以获得良好的整体热特性。 二次光学设计技术 为提高器件的取光效率,设计外加的反射杯与多重光学透镜。 功率型LED白光技术 常见的实现白光的工艺方法有如下三种:
(1)蓝色芯片上涂上YAG荧光粉,芯片的蓝色光激发荧光粉发出540nm~560nm的黄绿光,黄绿光与蓝色光合成白光。该方法制备相对简单,效率高,具有实用性。缺点是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好;色温偏高;显色性不够理想。
(2) RGB三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光,或者用蓝+黄绿色双芯片补色产生白光。只要散热得法,该方法产生的白光较前一种方法稳定,但驱动较复杂,另外还要考虑不同颜色芯片的不同光衰速度。
(3)在紫外光芯片上涂RGB荧光粉,利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。由于目前的紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低,仍未达到实用阶段。 照明用W级功率LED产品要实现产业化还必须解决如下技术问题: 1、粉涂布量控制:LED芯片+荧光粉工艺采用的涂胶方法,通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂到芯片上。在操作过程中,由于载体胶的粘度是动态参数、荧光粉比重大于载体胶而产生沉淀以及分配器精度等因素的影响,此工艺荧光粉的涂布量均匀性的控制有难度,导致了白光颜色的不均匀。 2、片光电参数配合:半导体工艺的特点,决定同种材料同一晶圆芯片之间都可能存在光学参数(如波长、光强)和电学(如正向电压)参数差异。