LED电源设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,,,电子与信息学院,LED,电源设计,Content,,LED,应用简介,,LED,电源设计方法,,恒流供电设计原理分析,,分比式架构分析,,典型电路分析,,设计实例,,LED,应用简介,V,•,I,芯片元件,高效率,,LED,的应用,,LED,的技术走向,–,,更高效,,Cree, APEC 2007,光源效率趋势,实验室最佳,量产最佳,光度,(,流明,/,瓦,),LED,的优势,,相比于现有照明技术，例如灯泡，光管，高强度放电,(HID),等等，,LED,有以下优势,:,,省电,,细小,,高可靠性、耐用,(50,000,小时，一般灯泡只有约,1,000,小时,),,适合恶劣环境应用,,快速起动，可高速调节光暗,,颜色纯度高,,不含有害物质,,LED,电源设计方法介绍,V,•,I,芯片元件,LED,普及要解决的问题,,,LED,全面应用于所有照明方案，还需要解决以下问题,:,,成本,,用,RGB,组成白光时，温度和老化而形成的色彩偏差,,电源驱动设计方案,本课程内容,,LED,的工作原理,,正向偏压使电流通过而发光,,LED,的主要电气参数为,V,F,,及,I,F,,不同材料,,(,颜色,),构成的,LED,有不同,V,F,值,,光度则与,I,F,成正比，但各型号均有最大值,,其他参数为亮度、波长、发光角度、效率及功耗等,LED,本身为发光二极管，有,P-N,结的电气特性,,LED,伏安特性,LED,伏安特性是非线性的，很小的电压变化就会引起很大的电流变化。

可以看出，电源电压的,10%,的变化（,3.4V-3.1V,），就会引起正向电流的,3.5,倍的变化（从,350mA,变到,100mA,）,电源电压在,3.3V,时正向电流为,20mA,的,LED,，如果用,3,节干电池供电，新的电池电压超过,1.5V,，,3,节就是,4.5V,，,LED,的电流就会超过,100mA,，很快就会烧坏LED,伏安特性的温度,特性,伏安特性,--,负温度系数,,,温度系数通常是,-2mV/,℃,即随温度的升高，其伏安特性左移大功率,LED,芯片，由于功率大，散热不容易，温升问题严重假定采用,3.3V,恒压源常温下工作在,20mA,，而温度升高到,85℃,时，电流就会增加到,35,～,37mA,，但其亮度并不增加电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命LED,电源,驱动方案,（,1,）,恒压供电,,:,,电源的输出电压需高于,LED,的总压降，并能提供足够的电流,(,功率,),,优点是简单，设计容易,,由于,LED,的,,I,F,,对,,V,F,,的变化极敏感，必须要以电阻设定工作电流,,但电阻将限制,LED,串列的数量，及做成不必要功耗,LED,电源,驱动方案,（,2,）,恒流电源,,:,,最理想的驱动方式，恒定电流亦使光度稳定,,没有串联电阻引致的功耗,,成本相对较高，需建另外设计恒流控制电路,,电源的恒流输出电压需高于,LED,的总压降,恒压源加电阻,负载线，斜率,,= 1/,R,恒流源,负载线，斜率,,= 1/,R,,= ０,思考,用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流？,,几个,LED,并联，能不能用恒压电源？,,多个,LED,并联后，采用恒压电源供电，能不能用不同的串联电阻来使电流平衡？,,N,个,LED,串联后，假如用恒压电源供电，其温度效应（由温升而引起的电流增加）将会扩大,N,倍， 这是因为所有,LED,串联以后相当于各个,LED,的伏安特性沿电压轴串联,,,综上所述，给,LED,供电，要采用恒流电源供电，电流恒定以后，不管温度怎么变化，伏安特性如何左移，电流都不变！结温也就不会恶性循环了！,,恒流供电设计原理分析,V,•,I,芯片元件,恒流供电,LED,电源设计应考虑的问题,,高可靠性,,高效率,,高功率因素,,浪涌保护,,保护功能 （在恒流输出增加温度负反馈）,,防护方面,(,物理部分）,,驱动电源的寿命要与,LED,的寿命相适配,,EMI/EMC,,目前,LED,均采用恒流供电，因此在市电与,LED,之间需要加一个电源适配器即,LED,驱动电源。

它的功能是把交流市电转换成合适,LED,的直流电根据电网的用电规则和,LED,的驱动特性要求，在选择和设计,LED,驱动电源时要考虑到以下几点：,,LED,电源,驱动方案,除传统,DC-DC,砖式及配置式电产品外，现有的趋势是利用新型集成电路芯片设计高效及高功率密度的,LED,电源方案,传统,DC-DC,「,砖式,」,转换器架构,Regulation =,稳压,,稳定这两点的输出电压,Transformation =,转换 把电压从一形式转为另一形式,(,在这里，是把,DC,转变为,AC),Isolation =,电气隔离,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Isolation,,,,Transformation,,,,,Regulation,,,,,,DC-DC,方块图,现在主流的电源设计架构,,,,,,,Regulation,,,,,,,,,L,PRM,,,VTM,,,,,,,,,,,,Isolation & Transformation,,,,,,,,,,,,,,,N,P,N,S,K = N,S,/N,P,,,PRM =,预稳压模块,,只负责稳压工作,,(Regulation),VTM =,电压转换模块,,只负责转换及隔离,,(Isolation & Transformation),,Regulation =,稳定这两点的输出电压,,,,Transformation =,转换 即把一电压转为另一电压,(,简单的说，可视为升压或降压，但实际上还把,DC,转变为,AC,及后又还原为,DC),Isolation =,电气隔离,,相应的,LED,电源设计方案,,把传统的,DC-DC,功能分为,2,个部分，从而对每一功能作出优化，达至以下的优点,:,,分开功率转换级别,:,稳压及电压转变,,降,低系统分布损耗,,减少,DC-DC,转换路径上重复的功能,,降,低负载点功耗而增加系统效率,,,并非折衷的改良而是全新的功率分布调配,,,灵活的部件,,适合,DC-DC,转换的细小高效能组件,,,提供重要优势,,,高功率密度,(,体积及重量,),,效率高,,设计上灵活,,速度,(,快速响应,),,6,6,,分比式架构分析,V,•,I,芯片元件,,,预稳压模块,,(,PRM),零电压开关,升 /,,降压,拓朴及控制技术,,高频开关,(>1 MHz),,采用零电压开关,升 /,,降压拓朴,初级升,/,降压控制,预稳压模块,,(,PRM),-,典型参数（,Vicor,）,特,点,,,功率,达,320W,,面,积,只有,7.1cm,2,,或 1.1,in,2,,功率密度 >,60W/cm,3,,(>1,100W/in,3,),,效率,达,97% (,于,300W,负载时,),,输,入,,: 24,V (18-36V) : 30V (18-60V) : 48V (38-55V,或,,36-75V),,输,出,,:,稳压,(26-55V),,VTM,电压转换模块,,(VTM),专利正弦振幅转换,器,,(SAC),,零电流、零电压，,>1 MHz,开关,頻率,拓朴,P =,,功率变压器,,D =,驱动变压器,电压转换模块,(VTM),隔离,,,有如直流变压器,,具电流倍增及电压降幅能力,,V048,系列,,输,入,: 26,–,55 Vdc  (,源自,PRM,的分比母,线,,),,输,出: 0.8,–,55,Vdc,,输,出,电,流: 3,–,100,A,,穩压: 1% (,与,PRM,一起应用自适环模式,),,效率: 达,,96%,特,点,,PRM,,及,,VTM,,型,号,输入电压,最高输出,,PRM,型号,微調,/ V,F,,範圍,,功率,电流,,,36,–,75 Vdc,240 W,5.0 A,P048F048T24AL,26,–,55 V,,120 W,2.5 A,P048F048T12AL,,38,–,55 Vdc,320 W,6.6 A,P045F048T32AL,,,170 W,3.5 A,P045F048T17AL,,18,–,36 Vdc,120 W,2.5 A,P024F048T12AL,,18,–,60 Vdc,120 W,2.5 A,P036F048T12AL,,PRM,,VTM,从输入规格选择,PRM,型号,从输入规格选择,VTM,型号,,,输入电压,K,因素,输出电压,,输出功率,VTM,型号,,,@48 Vin,范围,Vdc,,,26 - 55 Vdc,1/32,1.5 Vdc,0.81,–,1.72,100 A,V048F015T100,,1/24,2.0 Vdc,1.09,–,2.29,80 A,V048F020T080,,1/16,3.0 Vdc,1.63,–,3.44,70 A,V048F030T070,,1/12,4.0 Vdc,2.17,–,4.58,50 A,V048F040T050,,1/8,6.0 Vdc,3.25,–,6.88,40 A,V048F060T040,,1/6,8.0 Vdc,4.33,–,9.17,30 A,V048F080T030,,1/5,9.6 Vdc,6.40,(a),,–,11.00,25 A,V048F096T025,,1/4,12.0 Vdc,6.50,–,13.75,25 A,V048F120T025,,1/3,16.0 Vdc,8.67,–,18.30,15 A,V048F160T015,,1/2,24.0 Vdc,14.0,(b),,–,26.50,(c),12 A,V048F240T012,,2/3,32.0 Vdc,17.33,–,36.67,9 A,V048F320T009,,1,48.0 Vdc,26.00,–,55.00 c,6 A,V048F480T006,DC-DC,转换,,,稳压,= PRM (,预稳压,) + VTM (,变压隔离,),,48V,IN,(,或,,24V,IN,),至,0.8 - 55V,OUT,负载,源,分比式功率架构,的优势,使用,2,片,V•I,芯片从,48V,直接到负载而达,100A,,,PRM,可远程置放,,,使母板负载处省却大量空间,,,负载处功耗较小,,,把负载点电容器移到,VTM,的输入,,,减低电容量,,1/k,2,,倍,,,额外空间及成本减省,,,负载,源,,负载,源,,负载,,源,,,1,000µF,这里,,1µF,那里,,以,K=1/32,計,提供,灵活,配置,效率高达,97%,,PRM 97%+,,VTM 96%+ (>5V,OUT,),,VTM 90%+ (>1.1V,OUT,),,效率高,=,所需气流或散热片体积较细小,高效率,PRM:,高带宽控制回路,,VTM:,低阻抗,、,1MHz,负载点电流倍大,,,PRM+VTM,输入,48V,,输出,1.2V, 0-100A, 800A/,µ,s,负载,步跳,, 220µF,输出电容下冲小于,30mV,速度,VTM,低输出纹波,,1.5V VTM,输出纹波,,,100,A,负载,,,没有输出电容,,CH1: Vout 50mV/div Timebase: 500ns,ΔV: 100mV,1/Δt: 2.9MHz,1.5V VTM,输出纹波,,100A,,负载,,,带,100µF,陶瓷电容,ΔV: 14mV,CH1: Vout 20mV/div Timebase: 500ns,PRM + VTM,低输出纹波,,满载，标称输入电压及带,80,µ,F,输出电容,更多的组合,…,N,P,N,S,,BCM,PRM,L,N,P,N,S,,VTM,完整的,DC-DC,方案,PRM,L,N,P,N,S,,VTM,负载,源,采用,PRM,及,VTM,PRM,分,比母,线,,V,f,宽输入母线,,负载,PRM,调控,分比母线电压,(V,F,),达至,VTM,输出,稳压,,VTM,转换,电压及,隔离,负载,,效果,:,高效能分布，稳压，转换及隔离,PRM,及,VTM,反馈方式,本地,环,,3-5%,输入,负载,分比母綫,本地环,自,适环,,1-2%,输入,负载,分比母綫,自适环,VTM,遥感环,,0.2%,输入,负载,分比母綫,遥感环,PRM + 2x VTM = 200A (,只需3片,V•I,芯片),PRM,L,N,P,N,S,,VTM,负载,,源,N,P,N,S,,VTM,VTM,,并联极为简单,,,无需变更自适环元件的数,值,,可用,2,片,VTM,便达至,,200A,输出,(,低压,,),PRM,L,负载,源,可达至,,1kW,或以上,,可,参考并联,PRM,的应用笔记,PRM / VTM,,并联阵列,PRM,L,N,P,N,S,,VTM,N,P,N,S,,VTM,PRM,L,N,P,N,S,,VTM,负载,,源,N,P,N,S,,VTM,PRM,可,驱动,2,片,VTM,,自,适环可达至,1%,调,整率,,可,轻易达至,100V,、隔离及稳压的输,出,PRM+VTM,输出串联，只需,3,片芯片就可达,至100,V,PRM,L,N,P,N,S,,VTM,负载,,#1,源,N,P,N,S,,VTM,PRM + ‘,多片,’,VTM =,多路输出,负载,#2,PRM,设定为本地环,模式,,,因此，各,VTM,的,输入电压均,相同,,可,达至,,2.5%,稳压,(,满载时，轻载的调,整率更佳,),,单一,PRM,可驱动,2,片,VTM,，,或可外加电路以驱动,更多,VTM,PRM =,非隔离的稳压器,PRM,L,负载,,源,PRM + VTM,恒电流电源,,PRM,可在非常准确的控制做成恒流源,(,设定的,1%,内,),,,电路是兼容所有,PRM,,电路也可配合所有,VTM,,在整个输出电压范围内均可恒电流输出,,可驱动所有标准的,,LED,,(3V, 4V, 5-55V,系列,),,,,应用,,V•I,芯片在固态照明,,(LED),PRM + VTMs,24V,,绿光,,(24V VTM),14V,,黄光,(16V VTM),6V,,蓝光,,(6V VTM),,,48Vin PRM,PRM,作,为,恒流源的原理,,主要的外加恒流控制电路,,LED,阵列,3 – 55V,输出,PRM,作为恒流源的原理,,用小型的,分流器,测量,PRM,的输出电流,,以差动放大器把电流放大，与参考电压比较,,再反馈遗误差信号至,,PRM,的,SC,埠以控制,PRM,的实际输出，达至,,VTM,,输出电流稳定,控制,,PRM,电流的优点,,只需控制,,PRM,,低电流（少于,5A,），再利用,,VTM,的电流倍增能力，即可控制高达,,100A,,负载电流,,由于是低电流，用小的分流器便可，功耗亦相对减少,,感应,,PRM,,的电流，更可保持电气隔离,,设计电路可适用于不同的,,VTM,,型号，即不同的,,LED,,阵列,,用两片芯片便可达至,300W,功率,PRM,恒流源的准确度测试,,PRM I,OUT,,误差少于,0.3%,,PRM + VTM I,OUT,,误差少于,1.3%,输出电流准确性,,单,PRM, 48V,恒压负载,预计,,,,实际量度结果,输出电流,(,A),,测量,电流,(,A),功率,,,,光,,22,500,流明,48V,24V,325W,300W,92%,,,,,,PRM+VTM,,功率,,= 300W,,功率密度,= 30 W/cm,3,,效率,= 92%,,每个,电路功耗,=,<1.2W / 1,000,流明,,假设,每,1W LED,有,75,流明,,,发放,1,000,流明,约需,14,W,的,LED,功耗,PRM VTM,作为恒流源的示范,,以下 示范如何用,PRM-CC,及,VTM,的评估板组合成一恒流电源,,片中以Lumileds 的 Luxeon Flood LED 模块作负载，其标称规格为V,F,= 21V, I,F,= 1.05A,母线转换模块,,(,BCM),特,点,,隔离、但非稳压,,具,电流倍增及电压降,幅能力,,正絃振幅,转换,器,,(SAC),,零,电流、零电压，,>1 MHz,开关,頻率,,驱动,,niPOL,或,VRM,的理想元件,,性能表现,,,功率达,,300W,，封装面积只有,,7.1 cm,2,(1.1 in,2,),,功率密度,> 60W/cm,3,(1000W/in,3,),,效率 >95%,,48V,输入型号,(,通讯及数据,系統用,),,输入,,: 48V (38-55V),,输出,,: 1.5 - 55V,,高,压输入型号,(350V,分布式电源,, 380V,功率因数,校正,),,输入 : 350,V,或 380,V,,输出,,: 10,–,13V,,P =,功率变压器,,D =,驱动变压器,BCM,型,号,BCM,输入电压,K,因素,输出电压,,最高功率,BCM,型号,,,@48 Vin,范围,,,38,–,55 Vdc,1/32,1.5 Vdc,1.19,–,1.71 Vdc,135W,BC048F015T14,,1/16,3.0 Vdc,2.38,–,3.43 Vdc,210W,BC048F030T21,,1/12,4.0 Vdc,3.17,–,4.58 Vdc,200W,BC048F040T20,,1/8,6.0 Vdc,4.75,–,6.87 Vdc,240W,BC048F060T24,,1/6,8.0 Vdc,6.33,–,9.16 Vdc,240W,BC048F080T24,,1/5,9.6 Vdc,7.60,–,11.00 Vdc,240W,BC048F096T24,,1/4,12.0 Vdc,9.50,–,13.80 Vdc,300W,BC048F120T30,,1/3,16.0 Vdc,12.70,–,18.30 Vdc,240W,BC048F160T24,,1/2,24.0 Vdc,19.00,–,26.50 Vdc,[a],300W,BC048F240T30,,2/3,32.0 Vdc,25.30,–,36.70 Vdc,300W,BC048F320T30,,1,48.0 Vdc,38.00,–,55.00 Vdc,300W,BC048F480T30,[a],Vin=38 – 53 Vdc,,输入电压,K,因素,输出电压,,最高功率,BCM,型号,,,标称电压,范围,,,330,–,365 Vdc,1/32,11.0 Vdc,10.30,–,11.4 Vdc,240W,B352F110T24,330,–,365 Vdc,1/32,11.0 Vdc,10.30,–,11.4 Vdc,300W,B352F110T30,360,–,400 Vdc,1/32,12.0 Vdc,11.30,–,12.5 Vdc,300W,B384F120T30,以,BCM,作,DC-DC,转换,,,48V,IN,,至,1.5 - 48V,OUT,,352V,IN,,至 11,V,OUT,,或 44,V,OUT,,384V,IN,,至,,12V,OUT,,或 48,V,OUT,,或,,负载,源,负载点,穩壓,IC,采用,BCM,作母线转换,BCM,可用作驱动市场上大量廉价的,niPOLs,达至多路低压输出,,niPOL,的输入电容可整合至,BCM,的输入端，达至节省成本及空间效果,,L,niPOL,,L,niPOL,,L,niPOL,,L,niPOL,N,P,N,S,,BCM,负载,源,负载,负载,负载,BCM,评,估板,以,BCM,作为中转电压驱动,LED,BCM,,可提供低压母线以驱动市场上大量廉价的,,,LED,驱动芯片,,,BCM,,的隔离及安全低压输出，达至节省成本及空间效果,,N,P,N,S,,BCM,LED,阵列,DC,输入,,,,,LED,阵列,LED,阵列,LED,阵列,1/16,砖,,输出达,300,W,,效率达,96%,以,BCM,作为中转电压驱动,LED,384V,AC V,例如,,,Vicor FE375-1,,(2,200W),HV BCM,12V,LED,驱动芯片,LED,驱动芯片,LED,阵列,LED,驱动芯片,,带,PFC AC-DC,或,其它,,1/16,砖,,输出达,300,W,,效率达,95%,应用例子:,大屏幕电视,,以 LED 作 LCD 背光,,客户应用多个 48V 转 4V (200W) 的BCM,,驱动,,LED,,,,控制板,,未用 BCM 方案前需以5.5V 分布,,500A至多块LED电路板,,改用,,BCM,,后只需以,,48V分布,,20A,,至多块LED电路板,,,,BCM,的应用示范,稍后会有一个录像示范如何用,BCM,去驱动,LED,阵列,,片中以,LED,标称规格为,V,F,= 9V, I,F,= 1.4A,,EMI,滤波,高频滤波组件是细小的,,,高压、滤波组件是低电流,,的设计,,B384F120T30,EMI,没有滤波,滤波后,(,使用前页的电,感,),共模互相抵消降低,,EMI,,高频噪声只需细小滤波组件,,,QPI,系列,*,可,并联,,可,衰减,150kHz,–,,30,MHz,共模,,(CM),及差模,(DM),传导噪声，符合,EN55022-B,级,要求,,有48,V/60V,及 24,V/28V,输入电压,,內,独有有源滤波电路，达至优越衰减表现、高效率、体积,小及,纤,薄,适用,的有源滤波器,,,QPI-12,,典型,应,用,适用,的有源滤波器,QPI-12,,滤波器,,额定电流－,7,A,,,效率达,99%,,QPI-10,,滤波及热插拔功能,,带,6,A,断路器及,12,A,延迟限流器,,符合,ATCA PICMG 3.0,规格及,EN55022-B,级,,效率达,99%,QPI-10,典型,ATCA,,应,用,12.5 x 25mm LGA,封装,,25 x 25mm LGA,封装,QPI-12,衰減曲線,QPI-12 + PRM + VTM,的,传导噪声表现,,QPI-12 + BCM,的,传导噪声表现,,QPI-12,表,现,,EN55022 B,级,,EN55022 B,级,,共模噪,声衰减,,>40,dB 1MHz,,差模噪,声衰减,,>70dB 1MHz,QPI-12,输入,EMI,滤,波,QPI-10,,表,现,QPI-10,衰減曲線,QPI-10 + V,,I,芯片的,传导噪声表现,,EN55022 B,级,QPI-10,带热插拔功能输入,EMI,滤,波,共模噪,声衰减,,>40,dB 1MHz,,差,模噪,声衰减,,>70dB 1MHz,M-FIAM7,符合,Mil-Std-461E,传导噪声要求,,符合,Mil-Std-1275A/B/D,、,Mil-Std-704A-F,，,,及,DO-160E,输入瞬变要求,,符合,Mil-Std-810,，,Mil-Std-202,环境工作要求,,输入浪涌限流,,输入反向保护,,“,半砖,”,封装,适用滤波器,总结,,如何设计具备体积小，功率密度高，效率高，瞬变响应快，及噪声低等优点的,LED,电源？,,分比式功率架构容许灵活配置芯片及优化功率传输。

简单的控制电路即可把,,PRM,,设置成恒流电源，可推动大功率,,LED,,阵列BCM,,则可作为中转架构的桥梁，提供隔离及降压以推动廉价的,,LED,,驱动芯片谢谢,！,。