LED电源设计

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,= ,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,VI,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,1,000F,这里,1F,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/,s,负载,步跳, 220F,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,V: 100mV,1/t: 2.9MHz,1.5V VTM,输出纹波,100A,负载,带,100F,陶瓷电容,V: 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,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,VI,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,VI,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 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,！,