[信息与通信]LED驱动电路设计课程__第2章.ppt

第2章 实用LED驱动电路设计详解,2.1 最简单的驱动电路,什么电路最简单？ 什么电路LED驱动电路最简单、控制IC最容易买到？这是LED应用时必须要考虑的，也是LED驱动电路设计者必须考虑的。 LED照明是用来替代白炽灯照明的，因此LED驱动电路要尽可能的低廉方能与白炽灯相竞争，LED驱动电路的最基本的功能就是控制LED在不同的结温条件下保持所流过的电流在安全范围内。 首先，在直流供电电源的LED驱动器中，最简单的电路就是：如果LED的工作电压与电池电压相近，可以直接用电池驱动LED，这是最简单的LED驱动的实现方式，无需任何其它元件； 如果LED电压与电源电压相差稍大，无法用电源直接驱动LED时，利用电阻限制LED的电流，实现LED在规定的电流范围内工作。,2.2 LED串联电阻方式,LED串联电阻方式的电路如图： 从电路的简洁性角度考虑，多一个电阻就比没有电阻麻烦，那么LED为什么要串联电阻？,从理论上说，任何一个电源都不能够与LED工作电压相匹配，其原因是LED的工作电压随LED的工作结温变化，随着结温的升高，在相同工作电流条件下LED的工作电压随结温的上升而降低，特别是大功率LED的工作结温相对很高，工作电压会变化很大，如果用恒定的电压源驱动LED就会出现刚开始工作电流很低，也可能工作电流由于驱动电压不足永远不会达到额定电流，于是亮度非常暗，如图2.2中的虚线1对应的A点的工作状态；另一种情况就是开始的工作电流就达到LED的额定电流，于是在工作电压和额定电流的共同作用下，LED的结温迅速上升，在相同的电压驱动下，LED的工作电流随之上升，使得LED工作结温进一步上升，功率也随之增加。,定电压状态下不同结温的LED电流,右边的曲线为室温状态下的LED结温，左边的曲线是高结温时的特性曲线。,如果在正常结温状态下，LED的工作电流为正常工作电流，对应的工作电压如图2.2的虚线2，其工作点为C点，随着LED的持续点亮，作用在LED的功率会使LED结温升高。随着LED结温的升高，LED的特性曲线会左移，如图2.2中的左边的特性曲线。这时，在定电压下的LED的工作电就会转移到D点。很显然D点的工作电流明显的大于C点的工作电流。 这种恶性的正反馈循环下去会过早的导致LED的损坏。因此在驱动LED时要限制其工作电流，这就是为什么要串联电阻的最简单的原因。,利用电阻的限流特性来限制LED的电流,将LED与电阻串联后接到电压源后可以利用电阻的限流特性来限制LED的电流。如图：,图中分别选用3.6V/6.8、4V/20、5V/56、6V/82的电源电压和限流电阻。在3.6V/6.8条件下，高温时的LED电流从常温时的30mA上升到高结温时的约45mA，明显低于3.4V定电压驱动的65mA；选用4V/20的工作条件，在高结温条件下LED电流低于40mA，高结温状态的电流又进一步降低；如果选用5V/56电源电压和限流电阻，则LED在高结温时的电流降低到35mA以下；采用6V/82的电源电压和限流电阻，LED电流降低到约33mA。 在相同的结温、不同的电源电压条件下，LED的电流也会随电源电压的变化而剧烈变化。,不同电源电压时LED的电流,图中显示，当电源电压从3.4V上升到3.6V时（电源电压变化+5.88%），对应的LED工作点从A点转移到C点。电流从3.4V的30mA上升到3.6V的67mA； 4V电源电压用20电阻限流，在相同的电源电压变化情况下对应电源电压从4.0V上升到4.24V，由于限流电阻的作用，在电源电压上升5.88%时的LED电流仅上升到约38mA 。,从以上两个例子可以看到，通过串联电阻可以有效地减小LED因结温变化和电源电压变化造成的LED电流的变化。这种抑制LED电流变化的也需要付出代价，这就是需要将电源电压升高。上图的例子就是将电压提高25%，也就是说电源电压中有20%消耗在电阻上，这对于电流不大的LED驱动使可以这样做的，其原因很简单，串联一个电阻远比采用一个DC/DC变换器简单得多。所以经常会看到采用12V供电的白光LED驱动常采用3个白光LED串联，再串联一个约100/0.125W电阻就可以很好的使LED获得约20mA的驱动电流。为了尽可能的提高电源利用率，与LED串联的电阻的电压降可以选择为整个电源电压的20%。但是，如果这个12V是电池电压，则3个白光LED串联可能会在电池电压最低时（如10V）电流变得非常低，如果要考虑这种情况就只能用2只白光LED串联，再串联150电阻。,另一个常见的例子就是用5V电源电压驱动单只白光LED，如应用电脑的USB接口的5V电源电压带动白光LED。可以采用LED与82100电阻串联驱动20mA白光LED。 如果仅仅是驱动单只LED，如电池供电的情况，在实际应用中通常不需要串联限流电阻，如LED手电筒等便携式照明装置。,2.3电池直接驱动LED,用电池直接驱动LED最常见的是用3节干电池或钮扣电池串联直接驱动白光LED。常见于用LED作为“灯泡”的各类手电筒，相对用白炽灯的手电筒来说，其节电效果非常明显。 为什么用3节干电池可以直接驱动白光LED？4.5V的电池电压与约3.5V的LED工作电压能够相匹配吗？,首先，回想一下3节干电池的手电筒用的灯泡的额定电压是多少？是3.8V不是4.5V。这表明在干电池为手电筒的灯泡供电时，干电池的内阻消耗掉接近1V的电压，对于钮扣电池老说内阻肯定高于1号干电池，因此可以采用3节纽扣电池直接为白光LED供电是可行的。同样，也可以用3节干电池（如2号电池甚至是5号电池）直接驱动多只白光LED，这就是市场上常见的LED手电筒。,需要注意的是如果这样的手电筒里用的是内阻很低的碱性电池，很可能使LED严重过电流，寿命会大大缩短。 采用镍氢可充电电池则基本不存在用碱性电池的问题，因为镍氢可充电电池的电压1.2V，3节为3.6V，非常接近于白光LED工作电压。 同样，采用锂离子电池或磷酸铁锂电池，由于单节电池电压与白光LED工作电压基本相同，也可以直接驱动，不需要串联限流电阻。,4. 最简单的交流市电驱动LED电路,串联电阻方式的LED驱动电路出了用于直流供电外，电路稍作修改也可以适用于交流电供电情况。 由于LED需要直流电供电，在交流电供电时需要将交流电变换成直流电，这样就需要整流电路，这是交流电的LED驱动电路与直流供电的LED驱动电路的最大的不同之处。除了需要整流电路，交流电往往是220V市电供电，如果直接整流后至少要达到200V平均值电压，这个电压等级远远高于LED工作的电压等级，这样不仅需要多只LED串联，而且还需要大幅度的降压。 在大幅度降压的解决方案中，电路最简单、价格最低廉的就是利用电容器降压的解决方案。,2.5 交流市电驱动LED实用电路设计详解,2.5.1 交流市电供电条件下需要解决的问题,尽管通过整流电路将交流电转换为直流电，由于交流电是遵循正弦变化规律变化的，在线性电路时交流市电降服在提供的变化的功率，这对于功率变化极其敏感的LED会产生明显的闪烁现象，由于LED的发光不存在热惯性和余晖的问题，故这种闪烁现象比荧光灯的闪烁还严重！ 为了解决闪烁现象，必须将整流后的脉动直流电平滑成平滑的直流电。这通常需要电容器滤波。,由于交流市电在一些供电条件不良的环境中，电源电压变化范围比较大，如标称电压的±20%变化（对于220V交流市电就是176V264V）。整流并且电容器滤波平滑后的直流电压在200V370V之间变化。即使在电压变化不大的场合下，电源电压将达到300V。如果用多只白光LED串联大约需要90只。如此多的LED串联应用在实际上是不现实的，因为只要有一个LED开路就会使得整个电路的失效。从可靠性角度看，90只LED串联的可靠性远不如9只LED串联,接下来的问题是LED串联后的工作电压远低于220V直接整流滤波输出电压。这需要用阻抗（电阻或容抗或感抗）串联在交流侧或整流滤波输出，最终使LED工作在合适的电流值。,采用电阻降压的交流LED驱动电路,最简单的方法是采用电阻降压（限流），这种方式尽管简单，但是最大的缺点是降压电阻将消耗相对比较大的功率转化为热，例如用交流220V市电驱动9只白光LED，其工作电压在29V32V之间，而交流220V整流滤波后的电压约为300V。很显然降压电阻将消耗掉电网供电功率的90%！这样的低下效率还不如白炽灯！所以，采用电阻降压方式不适合于交流市电用电阻降压驱动LED。需要采用其他的降压方式。,对于正弦交流电，不仅电阻具有阻抗，用来降压。同样无源元件中的电容器的容抗和电感的感抗同样对正弦交流电具有阻抗特性，也可以用来降压。相对而言电感的成本和体积远高于电容器的体积和成本，因此在使用中选用电容器降压方式来驱动LED。 当然也可以采用变压器降压，但是变压器不仅笨重，相对电容器来说成本也高得多，随着金属材料的不断涨价，采用工频变压器降压方式的花费将比采用电子线路还多，这样与其用工频变压器倒不如采用开关电源降压。,2.5.2 电容降压型LED驱动电路设计思路,1电路形式的选择 采用什么样的整流电路最简单？学过电子技术基础的都会想到用半波整流电路最简单，利用半波整流电路。,半波整流电路,问题,但是这里存在一个问题，就是半波整流电路仅仅单向导电，流过降压电容器得但刘如果是单向的话就会在电容器上积累电荷，最终完全阻止电路中流过电流。在一些应用中为了解决这个问题需要再介入一个降压电容器反向电流泄放回路，类似于在电力电子电路中称为续流二极管的作用。,实际可用的电容器降压的半波整流电路,问题,这样做似乎解决了问题，但是需要两个二极管，而且电容器中的电流有一半没有流进LED，仅仅利用了一半，为了把另一半利用起来必须采用桥式整流电路。,这样最简单的交流市电驱动LED电路,2二极管的选择,在这个电路中整流二极管的选择没有什么悬念，只要选择1N4007就可以了。尽管可以选择耐压为600V甚至是400V的1N4006或1N4004就可以了，但是从容易购买角度考虑1N4007最容易买到，而且1N4000系列的整流二极管的价格几乎是一样的。,3电容器的选择,利用电容器降压方式的电流值可以通过电源电压除以电容器的容抗的方法获得，由于负载电压相对比较低，因此仅考虑电源电压除以电容器的容抗一般就可以了。为了设计方便，在这里给出经验公式：,也就是说电路要流过1A电流需要15F的电容量。这是在电源频率为50Hz正弦波电压的条件下的经验公式，如果电源电压中存在高次谐波，则电流会明显大于这个经验公式；如果电源频率是60Hz，则需要的电容量是50Hz的6/5。 以上的经验公式适合于电阻性负载，在电容器降压的LED驱动电路中由于流过LED的电流是直流平均值电流，而流过降压电容器的电流则是交流有效值电流在同一个回路里，两个电流换算为平均值电流是有效值电流的0.9倍。,为什么LED电流要按平均值计算？,如果LED驱动电路在整流后不进行滤波，流过LED的电流就会在电流幅值和零之间以100Hz的频率变化，LED所发出的光也回以这个规律闪烁，这是绝对不希望的。因此需要整流后进行滤波，这样那些交流成分的电流就流进滤波电容器中，流过LED的电流就是平均值。这样，按流过LED的平均值电流计算，所需要的电容量应不低于：,4电容器可能会出现的问题,用电容器降压的应用中，如果降压电容器选择不当会出现使用一段时间后，电容器的电容量衰减现象。对于正常的薄膜电容器来说，不应出现施加交流电后经过一时间后电容量出现衰减现象，如果出现只能有两个解释，其一是电容器的实际耐压过低，在短时应用中，用DC额定电压400V的薄膜电容器可以承受住220V交流电压，但是长期使用就有可能造成电容量的衰减，因此不同厂商，不同型号的电容器，其DC额定电压与AC额定电压的换算关系不是唯一的；其二就是电容器的质量问题，这里不再赘述。,2.5.3 电容降压型LED驱动电路设计详解,通过以上分析，可以得到比较实用的市电供电的20mA工作电流的LED驱动电路。,1降压电容器的选择,图中，降压电容器的电容量应为0.34F，选择0.33F，额定电压选择630VDC或250VAC；电容器应选择无极性电容器，从方便买到角度考虑大多选择薄膜电容器，如聚酯薄膜电容器或聚丙烯薄膜电容器。由于流过降压电容器的电流相对很低，因此对电容器的特性没有特殊要求。,2限流电阻的选择,需要注意的是，由于采用电容器降压方式，必然存在上电时出现一个浪涌电流，为防止这个浪涌电流，需要在回路内串联电阻加以限制，例如可以用一个470可以承受比较大的冲击电流的合成电阻或功率比较大（如0.5W）的薄膜电阻（可以是碳膜电阻，也可以是金属膜电阻）。,串联电阻后，降压电容器的上电电流将降低到合理幅值。 不仅如此，限制上电浪涌电流还可以有效地降低LED受到浪涌电流冲击所带来的影响。但是，串联电阻会造成附加的功率损耗，串联1k电阻所附加的损耗为：,对于驱动20只白光LED来说，LED的消耗的功率约1.5W，限制浪涌电流电阻的0.227W的功率在整个功率中的比例还是比较小。,3整流电路及滤波电容器的选择,整流电路选择桥式整流电路，整流二极管选择1N4007；滤波电容器选择铝电解电容器（价格低廉）工作电压为串联的白光LED数量乘以4（高于LED工作电压3.33.8V）。如20只白光LED串联，其工作电压在6675V之间，可以选择80V额定电压，如买不到80V额定电压的铝电解电容器，只能选用额定电压为100V的铝电解电容器。电容量的选择主要考虑如何减小闪烁问题，可以按每安培LED电流3300F换算，对于20mA的LED，选择68100F电容量即可。为了进一步降低成本，也可以选择47F电容量。,4其他,除了电路设计以外，市电供电的LED灯还要有结构设计，如电器安全、如何与灯座相匹配以及电路板设计等。 例如：将废弃的节能灯，利用其灯头和外壳，这就省得研究设计外壳了。,将废弃的节能灯残余物质清理掉，再将废弃的节能灯头装灯管的端盖修改成适于多只LED的窗口,LED的安装可以安装在事先做好的电路板上，这个电路板布线极其简单，只要按LED串联方式按顺序折返排线即可,降压电容器、整流电路以及滤波电容器可以做在另一个电路板上,将电路的输入线焊接在灯头上，将电路板装进灯头中，将端盖盖上，这时能够外露的仅仅是LED，可以确保电路的电气安全,6. 存在的问题及改进措施,LED直接接电池或串联电阻接电池或电源的电路最简单，利用电容器降压也是交流市电驱动LED的最简单最廉价的方法。 尽管这种方法最简单、最廉价，但是存在诸多问题不能很好的解决，也就是说采用电阻和电容器降压或限制电流的方法尽管廉价，但是却有应用的局限。,最主要的问题是，电阻限流或降压降低了LED驱动电路的效率，使得LED高效率发光的优势丧失；采用电容器降压存在功率因数低下的问题，特别是功率因数超前的低功率因数对电网供电质量的危害甚于滞后的功率因数的影响。 电容器降压需要配有适当的电阻以限制上电冲击电流，这同样会降低LED驱动电路的效率。,大功率LED驱动（如单只5W的LED，其电流将达到1A）需要电容量很大的电容器，这时电容器的成本加上其它元件的成本将接近甚至高于采用DC/DC变换器电路的成本，一旦电阻限流或电容器降压电路失去成本优势将一文不值。这就是大功率LED驱动电路不采用电阻限流或电容器降压的最根本原因。,7. 电容降压的高亮度（HB） LED驱动电路的交流侧电流波形,比较低的输出电压时的输入电流波形,输出电压升高后的输入电流波形,更高的输出电压的输入电流波形,8. 采用线性电流源驱动高亮度（HB）LED,如果HB LED串联数比较多例如36V蓄电池电压等级，那么选用线性电流源驱动的效果会比采用先祖先流的效果好得多。在这种情况下电池的电压最低可以是30V。如果选用8只HB LED则总电压降按3.4V计就是27.2V，剩余的2.8V就是线性恒流源的电压降。,如果选用最常见、最便宜的LM317作为恒流源，在350mA电流条件下的最小输入输出电压降可以达到1.7V，甚至1.5V。加上先流电阻的1.25V电压降，线性恒流源的最小电压降可以达到2.75V2.95V基本符合要求，在电池电压为42V时，先行恒流源需要消耗掉14.8V，功率为5.18W。由于选用集成稳压器作为线性恒流源时的恒流效果极好，从最低电压到最高电压的整个范围内，其电流值都是可以几乎不变的，这是电阻限流方式绝对办不到的，也是开关型HB LED驱动电路很难实现的。,采用集成稳压器作为线性恒流源的HB LED驱动电路,可以看到这是仅比电阻限流稍稍复杂一点的简单电路。而且LM317的价格也是极其低廉的。如果电流小于100mA甚至可以选用价格更低廉的LM317L 。,