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发光二极管电源及其基本驱动电路设计

类别:新闻动态   发布时间:2020-06-08 作者:晶瀚LED  浏览:

发光二极管供电的原始电源目前主要有三种:即低压电池、太阳能电池和交流市电电源。无论是采用哪一种原始电源,都必须经过电源变换来满足发光二极管的工作条件。这种电源变换电路,一般来说就是指的发光二极管驱动电路。在发光二极管太阳能供电系统中,还需要蓄电池或超级电容器,用以储存太阳能。在夜晚需要照明时,蓄电池或超级电容器再通过控制电路放电,为发光二极管驱动电路供电。

太阳能和风能与发光二极管的结合,是发光二极管应用的一大亮点,它将为第三世界的贫困和边远地区带来光明,让绿色照明的光辉照亮世界的每一个角落。


发光二极管电源及其基本驱动电路设计

一、低压直流供电的LFD驱动电路

1. 当输入电压高于发光二极管电压时

当输入电压高于发光二极管或发光二极管串的电压降时,通常采用线性稳压器或开关型降压稳压器。

(1)线性稳压器

线性稳压器是一种DC-DC降压式变换器。发光二极管驱动电路所采用的线性稳压器大都为低压差稳压器(LDO),其优点是不需要电感元件,所需元件数量少,不产生EMI,自身电压降比较低。但是与开关型稳压器相比,LDO的功率损耗还是较大,效率较低。LDO在驱动350mA以上的大功率发光二极管串时,往往需要加散热器。

(2)开关型降压(buck)稳压器

基于单片专用IC的开关型降压稳压器需要一个电感元件。许多降压稳压器开关频率达1MHz以上,致使外部元件非常小,占据非常小的空间,效率达90%以上。但这种变换器会产生开关噪声,存在EMI问题。图1所示是基于Zetex公司ZXSC300的3W发光二极管降压型驱动电路。其中的RCS为电流传感电阻,D1为1A的肖特基二极管。在6V的输入电压下,通过发光二极管的电流达1.11A.ZXSC300采用5引脚SOT23封装。

发光二极管电源及其基本驱动电路设计

目前有很多降压变换器单片IC将开关MOSFET(Q1)和降压二极管(D1)也集成在同一芯片上,使外部元件数量进一步减少。

2. 当输入电压低于发光二极管电压时

当输入电压低于发光二极管或发光二极管串的总正向压降时,发光二极管需要升压型驱动电路。升压型变换器主要有以下两种类型。

(1)电感升压变换器

在手机背光照明中,常使用电感升压型发光二极管驱动电路。开关型电感升压变换器被用作驱动一个或多个发光二极管组成的发光二极管串,通过每个发光二极管的电流相等。如果发光二极管串中有一个发光二极管开路,其他发光二极管将会熄灭。图2所示为电感升压型发光二极管驱动电路,发光二极管串由8只日亚化工公司的NSPW500BS型白光发光二极管组成,在4V的输入电压下,通过每个发光二极管的电流约为25mA。

发光二极管电源及其基本驱动电路设计

目前绝大多数升压稳压器IC,都将开关管集成在芯片中,有的还集成了肖特基二极管。

(2)开关电容(电荷泵)升压变换器

开关电容升压转换器亦即电荷泵。电荷泵专用IC内置切换开关,外接1个或两个1μF的充放电电容。电荷泵工作模式有1×、1.5×和2×,近几年又出现了1.33×(4/3倍)和4×模式。在输出电压接近输入电压时,电荷泵不需要升压,即在1×模式工作。当需要升压时,则切换到1.5×或其他工作模式。电荷泵电路可以驱动发光二极管阵列,也可只驱动1个发光二极管.图3所示为基于MAXl570的电荷泵驱动5个白光发光二极管的电路。MAX1570采用4mm×4mm的16引脚QFN封装,最大厚度为0.8mm.MAX1570输入电压范围为2.7V~5.5V,在1MHz的固定频率和在1×及1.5×模式高效工作,为发光二极管提供30mA的恒流,发光二极管电流匹配精度达0.3%,并且发光二极管电流可由单个电阻RsEr设置。可通过数字输入或PWM来控制发光二极管亮度,在关闭状态仅消耗0.1μA的电流。

发光二极管电源及其基本驱动电路设计

3. 当输入电压既可能高于也可能低于发光二极管电压时

在输入电压既可能高于,也可能低于发光二极管或发光二极管串的总电压降时,就必须使用降压/升压变换器。基于LT℃3783的降压/升压型变换器驱动8只1.5A串联发光二极管的电路如图4所示。该发光二极管串驱动电路的输入电压范围为9~36V,发光二极管串的总电压降范围为18~37V.在VIN=14.4V,Vo=36V和I0=1.5A条件下,输出功率为54W,效率达93%.电路的开关频率由IC脚FREQ上的

电阻R5设置(频率范围为20kHz~1MHz),R7与R8组成的分压器设置输出过电压保护电平,连接在IC脚FBP与高侧线路之间的R4,用作感测发光二极管电流。LTC3783支持多拓扑结构。用其还可以构筑升压转换器和降压转换器等电路。

回扫变换器、单端初级电感变换器(SEPIC)和CUK稳压器等,都可以升高或降低输入电压,

输出与输入电压在极性上可以相同或相反。每种拓扑都有独特的优势,但效率都比降压一升压稳压器低。

发光二极管电源及其基本驱动电路设计


二、交流市电供电的发光二极管驱动电路

1. 电容降压型发光二极管驱动电路

图5所示为电容降压型发光二极管驱动电路(注:图5电路绘于上期本版)。图中,C1为降压电容,R1为泄放电阻,DI~D5为桥式整流器,C2、C3为滤波电容,RVl用作瞬态过电压保护,R2为限流电阻。在220V50Hz的输入电源下,通过电容C1的电流为I=69C1(C1单位为μF,I单位为mA)。若选择C1为0.471μF,电流约为32mA.在此情况下,R1值可选择1MΩ。

电容降压型发光二极管驱动电路仅适合于小功率应用,不能提供较大的驱动电流,而且效率很低。其优点是成本低,电路简单。

2. 变压器降压发光二极管驱动电路

一种采用电源变压器降压的发光二极管驱动电路如图6所示。变压器次边输出为12Vac,白光发光二极管的正向压降VF=3.5V,正向电流IF=350mA.桥式整流滤波电压为12Vx2,限流电阻R1值为R1=(12V×2-3xVF)/IF=(12V×2-3×3.5V)/350mA=18.3Ω

选择R1=20Ω。R1在350mA下的功耗为0.352×20=2.45W,可选择3W的电阻。在R1=20下Ω,通过发光二极管的电流为:

I发光二极管=(12V×2-3×3.5V)/20Ω=323mA

若桥式整流器输入电压波动±10%,在10.8Vac下的发光二极管电流为238mA,在13.2Vac下的发光二极管电流则为429mA,导致发光二极管电流变化率超过±25%.由此可见,虽然图6所示的电路比较简单,但电流调整能力很差,并且电源变压器大而笨重,不易于实现电路的小型化和轻量化。

发光二极管电源及其基本驱动电路设计

图7所示为采用线性稳压器MC7809的白光发光二极管驱动电路,其AC输入电压(12Vac)为电源变压器(或电子变压器输出。MC7809的DC输出电压为9V,R1值为:R1=(Vout-2×VF)/IF(9V-2x3.5V)/350mA=5.7ΩR1消耗的功率为:

p=12×R=(0.35A)2×5.7Ω=0.698W

MC7809的功耗为:P=(12V×根号(2)2-9V)×IF=(17-9V)×0.35A=2.8W采用线性稳压器后,电流调整率达±5%,但功率耗散较大,效率较低。

发光二极管电源及其基本驱动电路设计

如果采用安森美公司生产的线性电流源NUD4001取代线性稳压器,电流调整率可低于1%,NUD4001的自身功耗在350mA下,仅为0.875W.

3. 开关型稳压器

基于开关电源拓扑结构的离线发光二极管驱动电路可以获得80%左右的高效率,并且能提供恒流和恒压输出,但是电路比较复杂,成本较高,在有些情况下存在EMI问题。

图8所示是基于控制器NCPl012的回扫(反激)式变换器驱动5个白光发光二极管的电路。该电路的输出DC电压为17.5V,输出功率为6.125W,效率接近80%.NCP1012的开关频率为65kHz,提供动态自供电(DSS)、过电压及短路保护和过温度保护,无需变压器提供偏置绕组。由于芯片上集成了功率MOSFET,使外部元件进一步减少。

发光二极管电源及其基本驱动电路设计

为满足景观照明、工业照明和建筑照明的需要,近期出现了很多用于驱动发光二极管的离线控制器芯片。由于目前手机等便携式设备已趋于饱和,发光二极管的应用将转向景观照明、汽车和大屏幕显示及普通照明领域。离线开关型发光二极管驱动电路,将成为今后占主导地位的拓扑结构。发光二极管太阳能供电系统,将会有一个较大的发展。