LED驱动技术归纳

2014-11-30 20:12:43来源: 互联网 关键字:LED  驱动技术

根据 LED 驱动电源输出的电流极性,可将LED 驱动方式分为直流型驱动和交流型驱动。直流型驱动主要针对直流 LED,负载只流过单方向的电流,而交流型驱动主要针对交流 LED,负载流过双方向的电流。直流型驱动是 LED 最常见的驱动方式,实际应用的 LED 绝大多数都为直流LED,因此根据流过 LED 的电流性质,可将直流型驱动方式分为恒压驱动、限流驱动、恒流驱动和脉冲驱动。

1.1 直流型驱动

恒压驱动

恒压驱动时,LED 两端电压保持基本恒定,但由于电压中存在纹波,使得 LED 电流随着电压的波动而波动。根据 LED 的伏安特性,微小的电压波动会引起 LED 电流的较大波动。 另外,由于 LED 负温度效应的影响,电流波动有可能造成结温和电流的恶性循环,严重时甚至烧毁LED。因此,LED 采用恒压驱动时,对驱动电源的恒压精度要求较高。

虽然恒压驱动对LED性能的影响较大,但是在电源技术的发展过程中,恒压技术相对恒流技术要成熟得多,而且在一些要求不高的场合可以通过简单而又经济的方法实现恒压(如采用稳压芯片 TL431),所以在一些低端 LED驱动电源中仍然有少量应用。

限流驱动

限流驱动是指将 LED 电流限制在设定范围以内的驱动方式。根据限流的实现方式,又可将其分为阻抗限流、饱和限流和分流限流。

阻抗限流通过在电流主回路中串入远大于LED 负载等效阻抗的大阻抗,减小外界干扰对LED 负载电流的影响,从而达到限流的目的。限流效果主要取决于串联阻抗的大小。该驱动方式结构简单,成本很低,但驱动性能不理想,特别是单纯采用电阻限流方案时,电阻上的大功耗使整机效率很低,只在小功率 LED 场合有少量应用。

有些元器件如 MOS 管、稳流二极管等,当满足一定条件时即进入饱和状态,随着输出端电压上升,电流几乎不变,将其与 LED 串联,可以限制流过 LED 的电流,即饱和限流。上述驱动方式可以达到较好的驱动性能,但由于过分依赖于元器件特性,而实际中同类元器件间的差异较大,较难大规模推广应用。

分流限流是指当 LED 电流超过预先设定的限定值时,辅助电路将接通,将超过的电流分流,从而使流过 LED 的电流基本保持不变,达到限流的目的。其典型电路有如下两种:如图(a)的分流支路与 LED 并联,如图(b)的分流支路与 LED 串联。其他的分流限流电路都可以看成是上述两种典型电路的演变电路。图(a)中 R1 与 LED 负载串联,电流正常时,LED负载流过全部回路电流;当电流超过设定的限定值时,R1 上的电压上升,T 触发导通,使过量的电流经 R2 和 T 分流,从而维持 LED 电流在设定范围以内,图中 T 可以是半导体三极管、IC、半导体可控硅中的一种或多种组合。图 4(b)的整体电路与 LED 负载串联实现限流,电流正常时,Q 2 截止,Q 1 工作在饱和状态,电流经 Q 1、R1 流向 LED;当电流超过限定值时,R1 两端电压升高,使 Q 2 导通,Q 1 逐渐退出饱和,两端电压升高,从而调节 LED负载电压,并将多余的能量消耗在限流电路中,达到限流目的。

由于分流限流电路结构简单,成本低,可靠性高,在中小功率场合的应用较广泛,同时还可利用它来抑制和吸收电路中短暂的过饱和电流;但其串联在负载回路中的元件损耗较大,电路效率较低。

恒流驱动

恒流驱动是指保持流过 LED 的电流恒定的驱动方式,当外界干扰使得电流增大或减小时,LED 电流都可以在恒流电路的调节作用下回到预设值。由于 LED 具有非线性 I-V 特性,小电压波动将引起电流的大波动,因此,采用恒流驱动 LED 可以达到较好的性能。

根据主功率器件的工作状态,可将恒流驱动分为线性恒流和开关恒流。

在线性恒流电路中,主功率器件与 LED 负载串联,且工作在线性放大区,其典型电路图如图(a)所示。图中主功率器件为 NMOS管 Q 1,工作在线性放大区,由门极电压调节漏源极间电压,从而相应调节 LED 上的电压电流。图中 Q 1 漏极与 LED 负载相连,电阻 R1 串联在主回路中,用于负载电流反馈,运算放大器 A的反相输入端接电流反馈信号,正相输入端与预先设定的参考电压 V ref 相连,运算后得到相应的 Q 1 门极控制信号,控制电阻 R1 上的电压恒定,即保持了 LED 负载电流恒定。

另一种典型的线性恒流电路是镜像恒流电路,如图(b)所示,主功率管 Q 2 也工作在线性放大区,该方式需先由恒流电路产生源电流,再通过镜像电路传递到负载,使负载电流保持恒定。

线性恒流稳流效果好,电路成本较低,且EMI 小,在中小功率场合应用较广泛,但由于串联在电路主回路中的功率管工作在线性放大区,输出端电压较高,功率管上的损耗较大,加上采样电阻上的能耗,电路效率不高,因此在大功率场合应用较少。

与线性恒流不同,开关恒流中主功率管不直接与 LED 串联,工作在高速开关状态,它主要利用目前较成熟的开关电源技术,通过采集LED 回路的电流信号,反馈控制功率管的开关状态,使输出电流保持恒定。由于目前 LED照明功率不高,在五百瓦以内,所以开关恒流DC/DC 环 节 采 用 的 电 路 拓 扑 主 要 有 Buck 、Boost、Flyback、Forward 和半桥(LLC)等电路。

开关恒流稳流效果好,电路效率高,适用于大功率 LED 照明场合;但由于其电路结构较复杂,成本高,且 EMI 大,在中小功率场合应用较少。

脉冲驱动

由于塑造电压波形比电流波形更容易,所以脉冲驱动一般是电压型脉冲驱动,即 LED 负载两端的电压是脉冲式的,在一个周期脉冲内,LED 点亮一段时间,熄灭一段时间,但由于人眼存在“视觉暂留”效应,当脉冲频率足够大,如 100Hz 时,人眼会感觉 LED 一直处于“亮”状态,所以 LED 依然可以“连续”发光。

脉冲驱动的最基本驱动波形为方波,但为了提高 LED 的瞬态响应性能,可采用如图(a)的上下沿尖峰脉冲,如图(b)的为提高脉冲驱动发光效率的双电平波形和如图(c)的综合上述两个优势的多电平波形。

与其他直流驱动方式相比,脉冲驱动在调光性能方面具有显著优势,它可以在保持 LED电压脉冲幅值基本不变情况下,通过调节脉冲占空比实现光输出调节,调光性能灵活,同时 LED 峰值波长基本不漂移,颜色稳定性好;而其他直流驱动方式在调光时都需改变 LED 电流和电压幅值,会使 LED 峰值波长漂移,色温改变,严重时白光会变成发黄或发灰的白光。

但在发光效率方面,脉冲驱动的流明效率较恒流或小波动电流驱动时更低,在驱动电流平均值相等的条件下,高占空比时发光效率与恒流相差不大,但随着占空比减小,发光效率下降较大,在脉冲关断时间内给让 LED 承受一定的反向偏置电压,可以提高发光效率和LED 的耐用性。

由于发光效率较低,驱动性能不如恒流驱动,所以目前 LED 脉冲驱动的实际应用较少。

1.2 交流型驱动

交流 LED 可以简单等效为将两个或两个以上 LED 按一定的规律反向并联的电路,如下图所示。

在此,将LED 驱动分为直流驱动和交流驱动两种形式,并分析直流驱动中的恒压型、限流型、恒流型和脉冲型驱动方式及其优缺点,为选择合适的LED驱动方式提供参考。

交流 LED 可以简单等效为将两个或两个以上 LED 按一定的规律反向并联的电路,如图所示。

交流型驱动电路结构简单,若 LED 的额定参数与电源参数匹配,可直接串接在交流电源上工作,如市电;为了减小负载电流随正弦输入电压而造成的巨大波动,可在回路中再加上一个电阻、电容或两者组合起来的大阻抗限流元件;在调光应用场合,可以通过控制工作的 LED 数量或外加交流 LED 导通调节控制实现调光。

与传统的 LED 直流驱动相比,在市电供电的应用场合,交流驱动有较大优势。它可以不需要整流、变压、变流等能量变换环节,降低了电能损耗,因此具有使用方便、成本低和效率高等优势。

但是上述交流驱动只是简单地利用交流市电驱动,还有许多问题有待解决。要使 LED 导通,需要一定的电压,即门槛电压,当多个 LED串联时,该门槛电压比较高,而电压按正弦变化。因此,如图所示,在一个周期内,LED在一定的时间内都不导通,使 LED 的利用率降。还有一种应用两相电压驱动的方法,通过控制两相电压的电位差控制 LED 的点亮时程。但 LED 两端电压按正弦波变化,致使 LED 电流波动较大,而 LED 的光输出波长与电流密切相关,LED 转换为白光的效率降低了,浪费了大量的光能。

1.3 总结对比

由此可见,上述各种驱动方式各有优点,有待进一步发展和完善,如开发损耗更小的限流方式;寻找更优的恒流驱动控制策略;研究脉冲驱动中脉冲各参数对 LED 性能的影响;解决交流驱动中电流波动大的问题。而另外一个发展方向是将两种或多种驱动方式的优点有机地结合在一起,开发出性能更好的 LED 驱动方式。

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编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/LED/2014/1130/article_11582.html
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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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