看LED電源拓撲如何提升LED照明效能
發布時間:2012-02-13
中心議題:
隨著發光二極管(LED)生產成本下降,使用也越來越普遍,應用範圍由手持裝置到汽車、建築照明等領域。LED的可靠度高(使用壽命超過五萬小時),效率佳(每瓦超過120流明),並具有近乎實時反應的特性,成為極具吸引力的光源。LED可在5奈秒的時間內產生光,而白熱燈泡的反應時間則是200毫秒,因此汽車工業已將LED運用於煞車燈上。本文將針對LED特性以及驅動LED的折衝情形進行介紹,深入探討適合LED驅動及調光的各種切換式電源拓撲,並詳細說明相關優點。
穩定電流驅動LED維持固定亮度
LED驅動仍麵臨許多挑戰,要維持固定的亮度,需要以穩定電流驅動LED,且不受到輸入電壓的影響,相較於白熱燈泡單純接上電池作為電源的挑戰更大。
LED具有順向V-I特性,與二極管情形類似。白光LED的開啟閾值約為3.5伏特,在此閾值之下,通過LED的電流量非常少。超過此閾值之後,電流會以指數方式增強,造成順向電壓遞增,LED因而成為具有串聯電阻的電壓來源模型。不過須要注意,此模型僅在直流電流單一操作的情況下有效,如果LED中的直流電流改變,則模型中的電阻也應該改變,以顯現新的操作電流。在大量順向電流的情況下,LED中所消耗的電力會提升裝置溫度,改變順向壓降與動態阻抗,決定LED阻抗時,務必考慮環境的熱度。
如果LED是由降壓穩壓器驅動,除了直流電流之外,LED常會傳導電感的交流鏈波電流,根據所選擇的輸出濾波器安排情形而定。這會增加LED中電流的RMS強度,也會增加其功率的消耗,並使結點溫度升高,對LED的壽命有重大影響。如果在燈光輸出上設立70%的限製作為LED的使用年限,便可增加LED的壽命,由74℃的15,000小時,延長到63℃的40,000小時。LED中功率流失的判定方法,是將LED電阻乘上RMS電dian流liu的de平ping方fang,加jia上shang由you平ping均jun電dian流liu乘cheng上shang順shun向xiang壓ya降jiang的de數shu值zhi。由you於yu結jie點dian溫wen度du是shi由you平ping均jun功gong率lv所suo決jue定ding,即ji使shi出chu現xian大da量liang的de鏈lian波bo電dian流liu,對dui功gong率lv消xiao耗hao的de影ying響xiang也ye很hen小xiao。舉ju例li來lai說shuo,在zai降jiang壓ya穩wen壓ya器qi當dang中zhong,相xiang等deng於yu直zhi流liu輸shu出chu電dian流liu的de峰feng間jian鏈lian波bo電dian流liu(Ipk-pk=Iout),總功率損耗將增加不到10%。如(ru)果(guo)是(shi)大(da)於(yu)此(ci)程(cheng)度(du)相(xiang)當(dang)多(duo)的(de)情(qing)況(kuang),則(ze)必(bi)須(xu)降(jiang)低(di)供(gong)應(ying)的(de)交(jiao)流(liu)鏈(lian)波(bo)電(dian)流(liu),以(yi)維(wei)持(chi)結(jie)點(dian)溫(wen)度(du)及(ji)操(cao)作(zuo)壽(shou)命(ming)。在(zai)此(ci)有(you)一(yi)個(ge)實(shi)用(yong)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)則(ze),就(jiu)是(shi)結(jie)點(dian)溫(wen)度(du)降(jiang)低(di)10℃,半導體的壽命就會增加兩倍。實際上大部分的設計,因為電感限製的關係,傾向使用低上許多的鏈波電流。另外,LED中的峰值電流,不應超過製造商指定的最大安全操作額定值。
LED應用於多種領域需多種電源拓撲支持
表1的信息可供作選擇LED驅qu動dong器qi最zui佳jia切qie換huan拓tuo撲pu的de參can考kao。除chu了le這zhe些xie拓tuo撲pu之zhi外wai,也ye可ke以yi使shi用yong簡jian單dan的de電dian流liu限xian製zhi電dian阻zu或huo是shi線xian性xing穩wen壓ya器qi,不bu過guo這zhe些xie方fang法fa通tong常chang會hui耗hao用yong過guo多duo功gong率lv。輸shu入ru電dian壓ya範fan圍wei、驅動的LED數目、LED電流、隔離、電磁幹擾(EMI)限製以及效能,都是相關的設計參數。大部分的LED驅動電路可分為以下幾種拓撲類別:降壓、升壓、降壓升壓、SEPIC以及返馳。
圖1顯示三個基本電源拓撲的例子,第一張圖所顯示的降壓穩壓器,可使用於輸出電壓永遠小於輸入電壓的情形。圖1中,降壓穩壓器改變金屬氧化半導體場效晶體管(MOSFET)的導通時間,以控製進入LED的電流。可越過電阻測量電壓以進行電流偵測;電阻與LED為串聯狀態。驅動MOSFET是本方法在設計上的重大挑戰,如果從成本及效能的觀點來看,建議使用須要浮接閘極驅動的N信道FET。N信道FET須要使用驅動變壓器或是浮動驅動電路,兩者都可維持電壓高於輸入電壓。
圖1也顯示替代的降壓穩壓器(Buck #2)。在此電路中,MOSFET的驅動與接地有關,大幅降低了驅動電路的需求。本電路偵測LED電流的方法為監控FET電流,或是與LED串聯的電流偵測電阻。如果采用後者,則須要使用位準移位電路,將此信息送至接地電源,並將簡單的設計複雜化。同樣顯示於圖1中的升壓轉換器,則是在輸出電壓永遠大於輸入時使用。這種拓撲設計容易,因為MOSFET的(de)驅(qu)動(dong)與(yu)接(jie)地(di)有(you)關(guan),而(er)電(dian)流(liu)偵(zhen)測(ce)電(dian)阻(zu)也(ye)是(shi)屬(shu)於(yu)接(jie)地(di)引(yin)用(yong)類(lei)型(xing)。此(ci)電(dian)路(lu)的(de)缺(que)點(dian)是(shi)在(zai)短(duan)路(lu)時(shi),無(wu)法(fa)限(xian)製(zhi)通(tong)過(guo)電(dian)感(gan)的(de)電(dian)流(liu),可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)保(bao)險(xian)絲(si)或(huo)電(dian)路(lu)斷(duan)路(lu)器(qi),作(zuo)為(wei)故(gu)障(zhang)保(bao)護(hu)裝(zhuang)置(zhi)。此(ci)外(wai),還(hai)有(you)一(yi)些(xie)較(jiao)複(fu)雜(za)的(de)拓(tuo)撲(pu)可(ke)提(ti)供(gong)這(zhe)類(lei)保(bao)護(hu)。
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圖2顯(xian)示(shi)兩(liang)種(zhong)降(jiang)壓(ya)升(sheng)壓(ya)電(dian)路(lu),可(ke)在(zai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)可(ke)能(neng)大(da)於(yu)或(huo)小(xiao)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)情(qing)形(xing)下(xia)使(shi)用(yong)。這(zhe)些(xie)電(dian)路(lu)與(yu)前(qian)述(shu)兩(liang)種(zhong)降(jiang)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)有(you)相(xiang)同(tong)的(de)折(zhe)衝(chong)特(te)點(dian),與(yu)電(dian)流(liu)偵(zhen)測(ce)電(dian)阻(zu)與(yu)門(men)極(ji)驅(qu)動(dong)的(de)位(wei)置(zhi)有(you)關(guan)。圖(tu)2dejiangyashengyatuopu,xianshijiedicankaodezhajiqudong。cituopuxuyaoweizhunyiweidianliuzhencexunhao,buguofanxiangdeshengyajiangyatuopuzejuyoujiedicankaodedianliuzhencejiweizhunyiweizhajiqudong。ruguokongzhiIC與負輸出有關,且電流偵測電阻與LED進行交換,即可利用有效的方式配置反向升壓降壓拓撲。隻要適當控製IC,即可直接測量輸出電流,也可以直接驅動MOSFET。
降壓升壓的拓撲方式電流相對較高,舉例來說,如果輸入及輸出電壓相同,電感及電源開關電流是輸出電流的兩倍以上,這對效能及功率消耗會造成負麵影響。圖3的「升壓或降壓」拓tuo撲pu可ke減jian輕qing這zhe些xie問wen題ti,在zai此ci電dian路lu中zhong會hui有you一yi個ge升sheng壓ya功gong率lv級ji,之zhi後hou則ze有you一yi個ge降jiang壓ya功gong率lv級ji。如ru果guo輸shu入ru電dian壓ya高gao於yu輸shu出chu電dian壓ya,升sheng壓ya功gong率lv級ji就jiu會hui提ti供gong電dian壓ya調tiao節jie,而er降jiang壓ya功gong率lv級ji則ze隻zhi傳chuan遞di功gong率lv。如ru果guo輸shu入ru電dian壓ya低di於yu輸shu出chu電dian壓ya,則ze降jiang壓ya功gong率lv級ji提ti供gong電dian壓ya調tiao節jie,升sheng壓ya功gong率lv級ji傳chuan遞di功gong率lv。通tong常chang降jiang壓ya及ji升sheng壓ya的de運yun作zuo,會hui有you一yi些xie重zhong迭die的de時shi間jian,因yin此ci在zai變bian換huan模mo式shi時shi不bu會hui出chu現xian死si區qu(Dead-band)。
ruguoshuruyushuchudianyajihuxiangtong,zecidianlusuoyongyoudeyoulitiaojian,jiushikaiguanyudiangandianliujihudengyushuchudianliu,dianganlianbodianliuyehuiyoujiaoshaodeqingxiang。jishicidianluzhongyousigegonglvkaiguan,tongchangrengyouxianzhudexiaonengzengjinxianxiang,zheshidianchiyingyongdeguanjiansuozai。tu3所顯示的SEPIC拓撲所需的FET較少,但是需要更多被動組件。SEPIC拓撲的優勢,在於簡易的接地參考FET及控製電路。此外,雙通道電感可以結合為單耦合電感,節省麵積與成本。不過和降壓升壓拓撲一樣,SEPIC拓撲的開關電流較「降壓或升壓」及脈衝輸出電流為高,需要能處理大量RMS電流的電容器。
基於安全考慮,可能會規定在脫機電壓及輸出電壓之間進行隔離。此應用方式下,最節省成本的解決方法就是使用返馳轉換器(圖4),在所有的隔離拓撲中,這種作法所需要的組件數量最少。變壓器匝數比可用來對輸出電壓進行降壓、升壓或降壓升壓,設計彈性很大,不過缺點在於電源變壓器基本上是訂製組件。此外,在FET以及輸入和輸出電容器中,也會有高組件應力的情形出現。應用固定燈光時,可以使用「慢速」的回饋控製循環,調節LED電流與輸入電壓同相位的情形,進行功率因子校正(PFC)。這樣可以調節所需的平均LED電流,並能調節輸入電流與輸入電壓同相位的情形,以提供高功率因子。
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LED調光技術 藉PWM降低亮度較佳
LED常須要調光,舉例來說,有時可能須要調整顯示亮度或是建築照明。有兩種方式可以達到這個目標,一是降低LED電流,二是快速開關LED讓肉眼平均其亮度。效果最差的方法就是降低電流,因為燈光輸出與電流之間並不是完全的線性關係。此外,LED的(de)顏(yan)色(se)光(guang)譜(pu)在(zai)電(dian)流(liu)低(di)於(yu)最(zui)大(da)額(e)定(ding)值(zhi)時(shi),會(hui)有(you)偏(pian)移(yi)的(de)傾(qing)向(xiang)。人(ren)類(lei)對(dui)亮(liang)度(du)的(de)察(cha)覺(jiao)是(shi)一(yi)種(zhong)指(zhi)數(shu)關(guan)係(xi),因(yin)此(ci)如(ru)果(guo)要(yao)調(tiao)整(zheng)亮(liang)度(du),可(ke)能(neng)須(xu)要(yao)大(da)幅(fu)度(du)改(gai)變(bian)電(dian)流(liu),這(zhe)對(dui)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)的(de)影(ying)響(xiang)甚(shen)大(da)。因(yin)為(wei)在(zai)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)下(xia)3%的調節錯誤,可能會因為電路容忍度,在10%的負載時出現30%以上的錯誤。藉由脈衝寬度調變(PWM)影響電流而降低亮度,是比較正確的作法,不過仍然有反應速度的問題。在照明或顯示時,須要使用100Hz以上的脈衝寬度調節,人類眼睛才不會察覺到閃爍的情形。10%的脈衝寬度是在毫秒範圍之中,因此電源供應的帶寬需要大於10kHz。
針對不同LED應用 各種電源拓撲應運而生
如同表2所示,LED已廣泛運用於各領域,因此需要許多種類的電源拓撲,支持LED的應用。一般而言,必須考慮輸入電壓、輸出電壓及對隔離的需求,以做出適當選擇。
如(ru)果(guo)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)一(yi)定(ding)大(da)於(yu)或(huo)小(xiao)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya),選(xuan)擇(ze)就(jiu)很(hen)明(ming)確(que),一(yi)定(ding)是(shi)降(jiang)壓(ya)或(huo)升(sheng)壓(ya)。但(dan)如(ru)果(guo)彼(bi)此(ci)關(guan)係(xi)並(bing)不(bu)明(ming)確(que),便(bian)不(bu)易(yi)做(zuo)出(chu)選(xuan)擇(ze),有(you)非(fei)常(chang)多(duo)的(de)折(zhe)衝(chong)作(zuo)法(fa),包(bao)括(kuo)效(xiao)能(neng)、成本以及可靠性等等。
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- 看LED電源拓撲如何提升LED照明效能
- 穩定電流驅動LED維持固定亮度
- 利用LED調光技術,藉PWM降低亮度較佳
隨著發光二極管(LED)生產成本下降,使用也越來越普遍,應用範圍由手持裝置到汽車、建築照明等領域。LED的可靠度高(使用壽命超過五萬小時),效率佳(每瓦超過120流明),並具有近乎實時反應的特性,成為極具吸引力的光源。LED可在5奈秒的時間內產生光,而白熱燈泡的反應時間則是200毫秒,因此汽車工業已將LED運用於煞車燈上。本文將針對LED特性以及驅動LED的折衝情形進行介紹,深入探討適合LED驅動及調光的各種切換式電源拓撲,並詳細說明相關優點。
穩定電流驅動LED維持固定亮度
LED驅動仍麵臨許多挑戰,要維持固定的亮度,需要以穩定電流驅動LED,且不受到輸入電壓的影響,相較於白熱燈泡單純接上電池作為電源的挑戰更大。
LED具有順向V-I特性,與二極管情形類似。白光LED的開啟閾值約為3.5伏特,在此閾值之下,通過LED的電流量非常少。超過此閾值之後,電流會以指數方式增強,造成順向電壓遞增,LED因而成為具有串聯電阻的電壓來源模型。不過須要注意,此模型僅在直流電流單一操作的情況下有效,如果LED中的直流電流改變,則模型中的電阻也應該改變,以顯現新的操作電流。在大量順向電流的情況下,LED中所消耗的電力會提升裝置溫度,改變順向壓降與動態阻抗,決定LED阻抗時,務必考慮環境的熱度。
如果LED是由降壓穩壓器驅動,除了直流電流之外,LED常會傳導電感的交流鏈波電流,根據所選擇的輸出濾波器安排情形而定。這會增加LED中電流的RMS強度,也會增加其功率的消耗,並使結點溫度升高,對LED的壽命有重大影響。如果在燈光輸出上設立70%的限製作為LED的使用年限,便可增加LED的壽命,由74℃的15,000小時,延長到63℃的40,000小時。LED中功率流失的判定方法,是將LED電阻乘上RMS電dian流liu的de平ping方fang,加jia上shang由you平ping均jun電dian流liu乘cheng上shang順shun向xiang壓ya降jiang的de數shu值zhi。由you於yu結jie點dian溫wen度du是shi由you平ping均jun功gong率lv所suo決jue定ding,即ji使shi出chu現xian大da量liang的de鏈lian波bo電dian流liu,對dui功gong率lv消xiao耗hao的de影ying響xiang也ye很hen小xiao。舉ju例li來lai說shuo,在zai降jiang壓ya穩wen壓ya器qi當dang中zhong,相xiang等deng於yu直zhi流liu輸shu出chu電dian流liu的de峰feng間jian鏈lian波bo電dian流liu(Ipk-pk=Iout),總功率損耗將增加不到10%。如(ru)果(guo)是(shi)大(da)於(yu)此(ci)程(cheng)度(du)相(xiang)當(dang)多(duo)的(de)情(qing)況(kuang),則(ze)必(bi)須(xu)降(jiang)低(di)供(gong)應(ying)的(de)交(jiao)流(liu)鏈(lian)波(bo)電(dian)流(liu),以(yi)維(wei)持(chi)結(jie)點(dian)溫(wen)度(du)及(ji)操(cao)作(zuo)壽(shou)命(ming)。在(zai)此(ci)有(you)一(yi)個(ge)實(shi)用(yong)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)則(ze),就(jiu)是(shi)結(jie)點(dian)溫(wen)度(du)降(jiang)低(di)10℃,半導體的壽命就會增加兩倍。實際上大部分的設計,因為電感限製的關係,傾向使用低上許多的鏈波電流。另外,LED中的峰值電流,不應超過製造商指定的最大安全操作額定值。
LED應用於多種領域需多種電源拓撲支持
表1的信息可供作選擇LED驅qu動dong器qi最zui佳jia切qie換huan拓tuo撲pu的de參can考kao。除chu了le這zhe些xie拓tuo撲pu之zhi外wai,也ye可ke以yi使shi用yong簡jian單dan的de電dian流liu限xian製zhi電dian阻zu或huo是shi線xian性xing穩wen壓ya器qi,不bu過guo這zhe些xie方fang法fa通tong常chang會hui耗hao用yong過guo多duo功gong率lv。輸shu入ru電dian壓ya範fan圍wei、驅動的LED數目、LED電流、隔離、電磁幹擾(EMI)限製以及效能,都是相關的設計參數。大部分的LED驅動電路可分為以下幾種拓撲類別:降壓、升壓、降壓升壓、SEPIC以及返馳。


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基於安全考慮,可能會規定在脫機電壓及輸出電壓之間進行隔離。此應用方式下,最節省成本的解決方法就是使用返馳轉換器(圖4),在所有的隔離拓撲中,這種作法所需要的組件數量最少。變壓器匝數比可用來對輸出電壓進行降壓、升壓或降壓升壓,設計彈性很大,不過缺點在於電源變壓器基本上是訂製組件。此外,在FET以及輸入和輸出電容器中,也會有高組件應力的情形出現。應用固定燈光時,可以使用「慢速」的回饋控製循環,調節LED電流與輸入電壓同相位的情形,進行功率因子校正(PFC)。這樣可以調節所需的平均LED電流,並能調節輸入電流與輸入電壓同相位的情形,以提供高功率因子。

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LED常須要調光,舉例來說,有時可能須要調整顯示亮度或是建築照明。有兩種方式可以達到這個目標,一是降低LED電流,二是快速開關LED讓肉眼平均其亮度。效果最差的方法就是降低電流,因為燈光輸出與電流之間並不是完全的線性關係。此外,LED的(de)顏(yan)色(se)光(guang)譜(pu)在(zai)電(dian)流(liu)低(di)於(yu)最(zui)大(da)額(e)定(ding)值(zhi)時(shi),會(hui)有(you)偏(pian)移(yi)的(de)傾(qing)向(xiang)。人(ren)類(lei)對(dui)亮(liang)度(du)的(de)察(cha)覺(jiao)是(shi)一(yi)種(zhong)指(zhi)數(shu)關(guan)係(xi),因(yin)此(ci)如(ru)果(guo)要(yao)調(tiao)整(zheng)亮(liang)度(du),可(ke)能(neng)須(xu)要(yao)大(da)幅(fu)度(du)改(gai)變(bian)電(dian)流(liu),這(zhe)對(dui)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)的(de)影(ying)響(xiang)甚(shen)大(da)。因(yin)為(wei)在(zai)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)下(xia)3%的調節錯誤,可能會因為電路容忍度,在10%的負載時出現30%以上的錯誤。藉由脈衝寬度調變(PWM)影響電流而降低亮度,是比較正確的作法,不過仍然有反應速度的問題。在照明或顯示時,須要使用100Hz以上的脈衝寬度調節,人類眼睛才不會察覺到閃爍的情形。10%的脈衝寬度是在毫秒範圍之中,因此電源供應的帶寬需要大於10kHz。
針對不同LED應用 各種電源拓撲應運而生
如同表2所示,LED已廣泛運用於各領域,因此需要許多種類的電源拓撲,支持LED的應用。一般而言,必須考慮輸入電壓、輸出電壓及對隔離的需求,以做出適當選擇。

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