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| 大功率LED照明驱动电源的开发分析 | |||||
收集整理：佚名 来源：本站整理 时间：2012-07-06 19:49:09 点击数：[]  |
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第一章 绪 论
近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，人们迫切希望应用节能环保的新技术。半导体照明，是指利用半导体发光二极管（Light Emitting Diode）作为光源的固态照明，就是具备这种魅力的新技术。因为白光LED最接近日光，能更好地反映照射物体的真实颜色，所以白光LED照明最有潜力。
1.1 研究背景
1.1.1白光LED照明现状
上世纪90年代以来，随着以氮化镓为代表的第三代半导体的兴起，白色LED的研制成功，使得实现半导体白光LED照明成为可能。作为国际公认的下一代照明源，白光LED将逐步取代传统的照明源，产生巨大的经济和社会效益。
目前小功率超高亮LED已经大批量生产并获得了广泛的应用，大功率超高亮LED有1W、3W、5W等规格在市场上销售，其中功率大于1W的白光LED的开发研究己成为主攻方向。然而，由于散热问题的困扰，只有1W和3W的规格获得了一定的应用。因为半导体材料的物理特性，发光二极管正常工作时的管压降约为3.5V左右，小功率管的工作电流约20mA，大功率管的电流较大，1W的LED工作电流在300～350mA之间，3W的则在1A左右。
因此，白光LED想要在照明中全面普及，还需要解决一些技术性问题：
（1） 光通量有待进一步提高；
（2） 发出的光与自然光仍有一定的差距；
（3） 散热问题；
（4） 价格高。
上述问题的解决，仍需技术上的提升，如生长高质量的外延片、设计新型的芯片结构、采用倒装焊封装结构、利用表面粗糙技术等，不断提高LED产品的性价比，使其朝着高效率、低成本的方向发展，为LED在照明领域的普及提供有利条件。
1.1.2驱动电源研究现状
最初的可调电源就是线性电源，它利用有源器件导通电阻的可变性将输入电压降至设定的输出电压，但是线性电源在工作时会以发热的形式损耗大量能量。与线性电源相比，开关电源有许多优点，但设计比较复杂，电磁干扰（EMI）也更严重。脉宽调制（PWM）开关电源的工作过程相当容易理解。在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。在这两种状态下，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小），因此功率半导体器件上所产生的损耗也很小。
2009年，抛开金融危机对世界经济的影响，欧美等国际市场对大功率LED电源的需求量还是很大，但是在大陆市场一片繁荣的背景下，LED产品质量良莠不齐，对驱动电源的要求混乱。在大陆市场LED产品如火如荼的发展态势下，就LED驱动电源而言，目前面临几个挑战。
（1） 驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。
（2） LED驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥。
（3） 以大调光比高效率地对LED调光，同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。
（4） 要降低成本，目前在功率较小(1W-5W)的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。
1.2 论文内容概述
本文绪论部分介绍了白光LED及其驱动电路的研究现状，表达了进行本课题研究的现实意义。第二章从设计的需要出发，详细介绍了白光LED及其驱动电路的相关基础知识。第三章进一步介绍了现有的一些稳压技术与相关集成芯片。第四章介绍了本设计的具体内容，包括原理图的设计、外围器件参数的计算和工作原理。最后对本设计进行了总结。
第二章 白光LED及其驱动特性
白光LED发展迅速，同时LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念，白光LED驱动电路的设计，需要建立在对白光LED及其驱动电路特性的了解之上。
2.1 白光LED的特性
2.1.1白光LED的产生原理
LED的发光机理为：当在LED的两端加上正向的电压时，电子和空穴分别注人P区和N区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。
半导体PN结的发光机理决定LED不可能产生具有连续光谱的白光，同时单只LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光。因此，半导体光源要产生白光可以先产生蓝光，再借助于荧光物质间接产生宽带光谱，合成白光。此外，也可采用将几种发出不同色光的芯片封装在一起，通过这些色光的混合构成发白光的LED。
2.1.2白光LED的应用
白光LED将广泛应用在以下照明领域:
（1） 景观照明市场，包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等。
（2） 汽车刹车灯、显示仪表盘等。
（3） LED室内外装饰照明灯具、床头阅读灯。
（4） 功率型LED手电筒、单兵作战照明灯。
作为新型的半导体照明光源，与现行照明设备比较，它的优点主要表现在以下几个方面：
（1） 发光效率高；
（2） 耗电量少（如表2-1）；
（3） 使用寿命长，可靠性高；
（4） 安全性好，属于绿色照明光源；
（5） 环保；
（6） 单色性好，色彩鲜艳丰富；
（7） 响应时间短；
（8） 平面发光，方向性强；
表2-1 三种照明灯在节电和经济上的比较：
参数 25W白炽灯泡 5W节能荧光灯 3W白光LED
灯泡单价(元) 2.6 12 89
平均寿命（小时） 1500 6000 50000
使用50000h所需灯泡个数（个） 34 9 1
使用50000h所需灯泡的总价（元） 88.4 108 89
50000h的耗电量（kWh） 1250 350 250
50000h的电费（元）（按0.48元/度计） 600 168 120
50000h的总计花费（元） 688.4 276 209
使用LED光源不但可以节约能源，减少建设电厂的投资和输电线路的投资，而且可以减少二氧化碳的排放量，减少发电时灰尘对空气的污染。
综上所述，LED作为照明光源与其他照明方式相比具有相当大的优势，在照明应用方面具有诱人的前景。
2.2 白光LED驱动电路
2.2.1白光LED的驱动原理
由大功率LED的电压、电流特性可知，白光LED的正向压降典型值为3.5V，导通阈值约2.2V，电流值为350mA，因此白光LED需要大约3.5V的供电电压才能实现合适的亮度控制。然而使用电池供电时，随着电池的使用，电压就递减，影响使用效果。特别是当电池电压下降到其标称电压时，光强减弱，白光间的差异变得更大；并且，随着电池的彻底放电，部分LED将会完全熄灭。显然白光LED不能由电池直接驱动。因此需要设计合适的驱动电路，在整个电池使用周期内不间断地为LED稳定供电。LED驱动只占LED照明系统成本的很小部分，但它关系到整个系统性能的可靠性。
2.2.2驱动电路的分类
从供电电压的高低可以将驱动电路分成以下三类：
（1） 由电池供电，电压一般低于5V，主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白光LED，它主要采用升压式DC/DC变换器或升压式、升降压式电荷泵变换器，少数采用LDO电路的驱动器；
（2） 大于5V供电，如6V、9V、12V、24V或更高的电压，由稳压电源或蓄电池供电，它主要用降压式或升降压式DC/DC变换器；
（3） 直接由市电（110V或220V）或相应的高压直流电（如100～400V）供电，主要用来驱动大功率白光LED，采用降压式DC/DC变换器驱动电路。
可以用作白光LED驱动电源的集成器件品种较多，大致可分为恒流源、电荷泵和开关电源三种类型。
（1） 恒流源。可控恒流源应该是实现亮度控制最简单的方案。但因白光LED的色温也与工作电流直接相关，这类控制方案会使光源在整个亮度调节范围内的颜色一致性变得很差，故而仅能用于按钮照明之类对于颜色保真度要求很低的场合。LCD背光装置则大多数采用PWM电源为LED供电，以避免这一色偏问题.
（2） 电荷泵。电荷泵驱动器利用电容将电流从输入端传到输出端，整个方案不需要电感，具有体积小，设计简单的优点，但它只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵驱动器输出电压不超过输入电压的两倍，若想驱动一个以上的白光LED，则必须采用白光LED并联的方式，而在并联方式下，必须在每个白光LED上串联一个电阻保证流过每个LED的电流相等，这样才能发光均匀，这些电阻势必需要消耗功率，减少了电路的效率，若电池供电的话，则减少了电池的寿命[9]。
（3） 电感开关电源。与电荷泵不同，电感式开关电源以电感作为储能器件，可实现比电荷泵更高的升压比，并且升压增益可连续调节；由于采用的开关数量少，开关电阻更小，因而效率比电荷泵要高，一般可达90%。但电感型所用外接电感以及肖特基二极管占用空间大，电感的片上集成也很难，电磁干扰比电荷泵型要大。比较而言，目前大多数设计中还是采用电感式驱动器。
2.2.3白光LED的驱动方式及要求
LED驱动器是一种特殊的电源，它的负载就是LED。由LED特性可知：
（1） LED驱动方式有恒压驱动及恒流驱动，大功率LED一般采用恒流驱动方式。这是因为大功率LED的工作电流大（几百mA到几A）。从LED的特性曲线上可看到，当工作电流较大时，其曲线较陡（如图2-1），若电压有一些变化（△V），就会造成电流较大的变化（△I）[10]。而LED的发光强度与流过它的电流成正比关系。如果长期工作在超过额定电流的状态下，容易使LED烧坏；
（2） 由于工作温度越高，其光通量下降越多，因此减少驱动电路功耗，提高系统的散热，可以减少LED光源的衰减；
（3） 由于LED个体的差异性，在恒流驱动时，若对多个LED串联，需加保护齐纳二极管，防止单个LED性能变差，造成系统失效.
（4） LED的最大电流可设定，使用过程中可进行亮度调节。
图2-1 LED伏安特性曲线
第三章 开关稳压电源
开关型 DC/DC变换器有两种工作方式，一种为脉冲宽度调制 (Pulse Width Modulation，简称 PWM)方式，总开关周期T不变，只改变导通时间ton；另一种为脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，简称PFM）方式，ton不变，只改变T。由于大功率白光LED是电流型器件，严格地控制其流过电流的大小显得尤为重要。一旦连续电流超过了大功率白光LED允许的最大电流值，就很容易烧毁。为了减小电路损耗，克服因电源电压不稳带来的影响，使用脉冲宽度调制（PWM）的驱动电路。脉冲宽度调制（PWM）DC/DC变换器就是通过控制开关管重复通、断的工作方式把一种直流电压（电流）变换为高频方波电压（电流），在经过整流平波后变为另一种直流电压（电流）输出。PWM DC/DC 变换器由功率开关管、整流二极管、滤波电路和PWM控制电路等组成[11]。
随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有40%－50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。
3.1 开关式稳压电源简介
3.1.1开关式稳压电源的基本工作原理
开关式稳压电源控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。
调宽式开关稳压电源的基本原理可参见图3-1。
图3-1
对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压U0可由公式计算，即
3.2 降压式DC/DC转换器集成电路芯片
3.2.1本设计基本要求
（1） 输入电压：12V-36V
（2） 输出功率：1W以上
（3） 输出电流：350mA
（4） 输出电压：3*3.5=10.5V
（5） 光强可调
3.2.2相关参考芯片及其参数
以下各种芯片都满足本设计的基本要求，各参数符合要求，工作温度范围适宜，且都具有PWM调光的功能[13、14]：
表3-1
型号 输入电压（V） 输出电压（V） 最大输出电流（A） 封装引脚数（个） 最少外围元件数（个） 转换效率（%）
LM2576 7～40 1.23～37 3 5 4 较高
LM3402 6～42 0.2～40 0.5 8 7 98
LM2575 4.75～40 1.23～37 1 5 4 70
LM2596 4.5～40 1.2～37 3 5 4 70
LM5000 3.1～40 2.5～73 0.5 16 复杂 中等
LM5010 8～75 2.5～70 1 14 10 中等
LM5007 9～75 2.5～73 0.5 8 11 中等
LT3474 4～36 1.25～35 1 16 8 较高
MAX726 8～40 2.5～35 2 5 7 中等
MAX1745 4.5～36 1.25～18 2 10 10 90
ZXLD1362 6～60 0.3～60 1 5 6 95
SMD735 4～40 3～40 1.5 5 6 中等
3.2.3性能比较
（1） 利用DC/DC稳压器FB反馈端实现了恒压到恒流的转换，DC/DC稳压器对反馈电压的变化有一个感知的范围，一旦LED选定，其工作电流的大小也就确定了，所选的电阻要保证反馈电压落在DC/DC稳压器容许的范围内。采样电阻的设计对提高LED的功效至关重要，它应该选取尽可能小的数值。因此芯片的最小反馈电压越低，芯片的转换效率就会越高。LM5000、LM5010、LM5007、MAX726以及SMD735都存在转换效率过低的问题。
（2） 封装引脚数的增多，会在一定程度上增加外围电路的复杂性，以及电路的焊接难度，提高整体电路出错的风险。因此LM5000、LM5010、LT3474不太适宜使用。
（3） 上述芯片的输出电流都满足本设计中350mA的要求，芯片输出电流的提高，会增加芯片的成本，影响价格。LM2576、LM2596输出电流过大，比较浪费。
综合考虑以上各个因素，本设计选取芯片LM3402作为核心控制元件。
3.2.4 LM3402芯片介绍
LM3402是由美国国家半导体公司生产的一款降压型稳压器，这款芯片采用迷你型的8引脚 SOIC 封装，其中的一条引脚可以利用脉冲宽度调制 (PWM) 输入信号控制光暗。在其外围配置上简单的元件，就可以驱动串联的大功率、高亮度LED串。其优点是在宽范围的输入电压条件下，能够输出恒定的电流，以确保LED的亮度均匀。而反馈电压较低，可将功耗降至最低，能满足高增长的市场要求。
其主要特征为：
（1） 6V～42V的宽输入电压
（2） 0.2V～40V的可调输出电压
（3） 可输出500mA的驱动电流
（4） 利用低至 0.2V 的反馈电压，提供高达98%的转换效率
（5） 引脚较少，外围电路设计简单
（6） 工作频率最大1MHZ，可以利用前馈电压控制固定导通时间，确保开关频率可在整个供电电压范围内几乎恒定不变
（7） 带外接电阻的低端电流传感器
（8） 内置MOS管
（9） 固定导通时间的迟滞操作
LM3402中集成了7V偏置调整器、过热保护装置、误差放大器、栅极驱动电路、逻辑控制电路、电位转换驱动电路、电流限制关断电路、降压开关电流检测电路等模块。具有增强的热管理性能、快速调光功能以及真正的恒流驱动LED的能力。
下图为LM3402芯片的内部框图：
致 谢
本论文是在阮世平导师的悉心指导和帮助下完成的。在实习过程以及毕业论文期间，导师不但在专业知识上给了我许多具体的指点，使我深受启发和鼓励，顺利完成学业，而且导师勤于学习的态度、清晰的研究思路、积极的创新意识、敬业认真的精神，都给我留下了深刻的印象，这一切使我终身受益，在此，向阮老师表示深深的敬意和衷心的感谢。
在四年的大学学习期间，理学院的各个任课老师、辅导员以及苗书记等都在学习和生活上也给了我极大的帮助，在此表示衷心的感谢。
另外，感谢我的同学，在大学四年，在生活上我们互相帮助，学习上互相讨论，共同进步，给了我很大的帮助。
参考文献
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[14]王水平,于建国.DC/DC变换器集成电路及应用[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2005.11：31-37。
| 提供人：佚名 | |
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