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LED电源-LED电源驱动三种设计方案及选型方法和技术趋势-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-05-17 

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LED电源

一、LED路灯电源设计方案

作为LED电源的一种,LED路灯电源是目前国内照明市场中重要的组成环节,正在逐渐取代传统道路照明模式。就目前的路灯电源市场情况来看,高频率、高可靠性逐渐成为诸多新产品在设计时所重点关注的两个方向。下文为大家总结了三种平时比较常见的LED路灯电源设计方案,并将其优缺点进行了比较。


首先要为大家分享的LED路灯电源方案,是一种间接AC输出,对于6串LED辨别做恒流掌握的设计方案。这种设计思路是目前市面上频率最高、通路利润最低的设计方案,其电路设计图如下图图1所示。从图1中可以看到,在这种LED电源方案中,间接用光电啮合器对于高级侧通路停止回溯掌握,调理输入电压。相比较此前国内应用的一些照明方案来看,该方案的电门消耗少。将CS的电压流动正在0.25V,对于6串LED辨别做恒流掌握。IC会侦测FB的地位,将电压最低那串LED流动正在0.5V。这是因为各串LED的Vf值的总数是不一致的,发生的压降会落正在MOS管上并会招致一些消耗。假如是正常对于Vf分BIN挑选当时的LED,消耗该当能够掌握正在2%以内,少于正常的电门消耗。

LED电源

与传统的路灯照明设计方案相比,这种新型方案的优势是频率高、利润低,适用于能够用AC间接输出的路灯。相对应的,这一方案最大的问题就在于AC输出需求较多的研制利润。


接下来要为大家分享的第二种LED电源方案是一种DC或者电池组输出,对于6串LED辨别做恒流掌握的路灯照明设计。该方案中主要采纳多串的升温构造设想,其本身的LED驱动形式与第一种方案相类似,而二者之间的主要不同则在于由AC输出改为DC或者是由电池组输出,该方案的电路设计图纸如下图图2所示。


从图2的设计图中我们可以看到,在这一电源系统中,高压侧传感如要满足照明需求,则需取舍恰当的MOS管,在选对场效应管的前提下LED能够串相等多的照明颗数。绝对于于AC输出的计划,这种设计方案是比较容易的,但是因为在这一电源系统设计中多了一次升温的电门,频率绝对于较低。与第一种方案相比,该种设计方案的长处是构思容易、通路利润低,其缺点是频率较低。该方案在实际应用中更适合夜间照明的月光电池组或者经过适配重输出的路灯。

LED电源

单串降压构造的LED路灯电源,是我们要为大家分享的第三种比较常见的设计方案。这种设计方案的电路系统图纸如下图图3所示。作为一种能够实现模块化设计的方案,该方案的改动比较简单,然而其美中不足之处在于每一串都需要一个独立的电源模块,相比较前两种方案来看生产利润较高,而降压的构造会让LED的数目受只限IC的耐压。从图3中可以看到,在这一电源系统中的LED至多串到14颗,假如要设想20W的灯条,就需求运用700mA的LED。为了使频率到达最高,必须对准于LED的数目来调理输出电压,也就是适配重的输入电压。以10颗LED为例,假如要到达最高频率,就必需把输出电压调到约42V内外。

LED电源

与上文中所介绍的两种方案相比,这一LED电源设计方案的长处是降压构造频率较高、单串设计和配置的灵敏度比较高,宜经过适配重输出的路灯。其缺点则是通路利润较高,且在设计的过程中LED并联数目受限于IC耐压。


二、LED驱动电源的分类及特性

1、按驱动方式可分为两大类:
(1)恒流式:

a、恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化,负载阻值小,输出电压就低,负载阻值越大,输出电压也就越高;

b、 恒流电路不怕负载短路,但严禁负载完全开路。

c、 恒流驱动电路驱动LED是较为理想的,但相对而言价格较高。

d、应注意所使用最大承受电流及电压值,它限制了LED的使用数量;


(2)稳压式:

a、当稳压电路中的各项参数确定以后,输出的电压是固定的,而输出的电流却随着负载的增减而变化;

b、 稳压电路不怕负载开路,但严禁负载完全短路。

c、以稳压驱动电路驱动LED,每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均;

d、 亮度会受整流而来的电压变化影响。


2、按电路结构方式分类

(1)电阻、电容降压方式:通过电容降压,在闪动使用时,由于充放电的作用,通过LED的瞬间电流极大,容易损坏芯片。易受电网电压波动的影响,电源效率低、可靠性低。

(2)电阻降压方式:通过电阻降压,受电网电压变化的干扰较大,不容易做成稳压电源,降压电阻要消耗很大部分的能量,所以这种供电方式电源效率很低,而且系统的可靠也较低。

(3)常规变压器降压方式:电源体积小、重量偏重、电源效率也很低、一般只有45%~60%,所以一般很少用,可靠性不高。

(4)电子变压器降压方式:电源效率较低,电压范围也不宽,一般180~240V,波纹干扰大。

(5)RCC降压方式开关电源:稳压范围比较宽、电源效率比较高,一般可以做到70%~80%,应用也较广。由于这种控制方式的振荡频率是不连续,开关频率不容易控制,负载电压波纹系数也比较大,异常负载适应性差。

(6)PWM控制方式开关电源:主要由四部分组成,输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分。PWM开关稳压的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下,控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开关器件导通的脉冲宽度,使得开关电源的输出电压或电流稳定(即相应稳压电源或恒流电源)。电源效率极高,一般可以做到80%~90%,输出电压、电流稳定。一般这种电路都有完善的保护措施,属高可靠性电源。


三、LED电源选型方法、设备及发展趋势

LED通常按照主波长、发光强度、光通亮、色温、工作电压、反向击穿电压等几个关键参数进行测试与分选。LED的测试与分选是LED生产过程中的一项必要工序。目前,它是许多LED芯片和封装厂商的产能瓶颈,也是LED芯片生产和封装成本的重要组成部分。


1. LED的分选方法

LED的分选有两种方法:一是以芯片为基础的测试分选,二是对封装好的LED进行测试分选。

(1)芯片的测试分选

LED芯片分选难度很大,主要原因是LED芯片尺寸一般都很小,从9mil到14mil(0.22-0.35nm)。这样小的芯片需要微探针才能够完成测试,分选过程需要精确的机械和图像识别系统,这使得设备的造价变得很高,而且测试速度受到限制。现在的LED芯片测试分选机价格约在100万元人民币\台,其测试速度在每小时10000只左右。如果按照每月25天计算,每一台分选机的产能为每月5KK。


目前,芯片的测试分选有两种方法:一种方法是测试分选由同一台机器完成,它的优点是可靠,但速度很慢,产能低;另一种方法是测试和分选由两台机器完成,测试设备记录下每个芯片的位置和参数,然后把这些数据传递到分选设备上,进行快速分选、这样做的优点是快速,但缺点是可靠性比较低,容易出错,因为在测试与分选两个步骤之间通常还有衬底减薄和芯片分离的工艺过程,而在这个过程中,外延片有可能碎裂、局部残缺碎裂或局部残缺,使得实际的芯片分布与储存在分选机里的数据不符,造成分选困难。


从根本上解决芯片测试分选瓶颈问题的关键是改善外延片均匀性。如果一片外延片波长分布在2nm之内,亮度的变化在+15%之内,则可以将这个片子上的所有芯片归为一档(Bin),只要通过测试把不合格的芯片去除即可,将大大增加芯片的产能和降低芯片的成本。在均匀性不是很好的情况下,也可以用测试并把“不合格产品较多”的芯片区域用喷墨涂抹的方式处理掉,从而快速地得到想要的“合格”芯片,但这样做的成本太高,会把很多符合其他客房要求的芯片都做为不合格证的废品处理,最后核算出的芯片成本可能是市场无法接受的水平。


(2)LED的测试分选

封装后的LED可以按照波长、发光强度、发光角度以及工作电压等进行测试分选。其结果是把LED分成很多档(Bin)和类别,然后测试分选机会自动地根据设定的测试标准把LED分装在不同的Bin盒内。由于人们对于LED的要求越来越高,早期的分选机是32Bin,后来增加到64Bin,现在已有72Bin的商用分选机。即使这样,分Bin的LED技术指标仍然无法满足生产和市场的需求。


LED测试分选机是在一个特定的工作台电流下(如20mA),对LED进行测试,一般还会做一个反向电压值的测试。现在的LED测试分选机价格约在40~50万人民币/台,其测试速度在每小时18000只左右。如果按照每月25天,每天20小时的工作时间计算,每一台分选机的产能为每月9KK。


大型显示屏或其他高档应用客户,对LED的质量要求较高。特别是在波长与亮度一致性的要求上很严格。假如LED封装厂在芯片采购时没有提出严格的要求,则这些封装厂在大量的封装后会发现,封装好的LED中只有很少数量的产品能满足某一客户的要求,其余大部分将变成仓库里的存货。这种情形迫使LED封装厂在采购LED芯片时提出严格的要求,特别是波长、亮度和工作台电压的指标;比如,过去对波长要求是+2nm,而现在则要求为+1nm,甚至在某些应用上,已提出+0.5nm的要求。这样对于芯片厂就产生了巨大的压力,在芯片销售前必须进行严格的分选。


从以上关于LED与LED芯片分选取的分析中可以看出,比较经济的做法是对LED进行测试分选。但是由于LED的种类繁多,有不同的形式,不现的形状,不同的尺寸,不同的发光角度,不同的客户要求,不同的应用要求,这使用权得完全通过LED测试分选取进行产品的分选变得很难操作。而且目前LED的应用主要分布在几个波长段和亮度段的范围,一个封装厂很难准备全部客户需要的各种形式和种类的LED。所以问题的关键又回到MOCVD的外延工艺过程,如何生长出所需波长及亮度的LED外延片是降低成本的关键点,这个问题不解决,LED的产能及成本仍将得不到完全解决。但在外延片的均匀度得到控制以前,比较行之有效的方法是解决快速低成本的芯片分选问题。


2. 分选设备

目前,LED芯片的测试分选设备主要由美国和日本厂商提供,而LED的测试分选设备大多由台湾地区、香港厂商提供,中国大陆还没有能提供类似设备的厂家。LED芯片分选机主要包括两大硬件部分(机器手、微探针和光电测试仪)和一套系统软件,而这三部分分别由不同厂家提供再集成起来;而LED测试分选取机则包括LED的机械传输,储存和光电测试两部分。


3. LED分选取技术发展趋势

(1)在外延片的均匀度得到控制以前,研发快速低成本芯片分选工艺和设备。

(2)随着W级功率LED技术的发展,传统LED产品参数检测标准及测试方法已不能满足照明应用的需要,须开发全新的测试标准和方法,包含更多的与照明相关的光学内容。

(3)在LED系统寿命测试中,研发LED系统的长期性能和寿命快速测定评价技术。

(4)照明用LED是处于大电流驱动下工作,这就对其提出更高的可靠性要求。传统LED的筛选方式不合适照明用大功率LED,必须开发新的筛选试验办法,剔除早期失效品,保证产品的可靠性。


四、设计LED驱动电源的一些建议

1、LED电流大小

大家都知道LEDripple过大的话,LED寿命会受到影响,影响有多大,但目前没有具体的指标。


2、芯片发热

这主要针对内置电源调制器的高压驱动芯片,降低芯片的功耗,不要引入额外的功耗,做好散热。


3、功率管发热

功率管的功耗分成两部分,开关损耗和导通损耗。LED是电驱动应用,开关损害要远大于导通损耗。开关损耗与功率管的cgd和cgs以及芯片的驱动能力和工作频率有关,所以要解决功率管的发热可以从以下几个方面解决:

A、不能片面根据导通电阻大小来选择MOS功率管,因为内阻越小,cgs和cgd电容越大。

B、剩下的就是频率和芯片驱动能力了,这里只谈频率的影响。频率与导通损耗也成正比,所以功率管发热时,首先要想想是不是频率选择的有点高。当频率降低时,为了得到相同的负载能力,峰值电流必然要变大或者电感也变大,这都有可能导致电感进入饱和区域。如果电感饱和电流够大,可以考虑将CCM(连续电流模式)改变成DCM(非连续电流模式),这样就需要增加一个负载电容了。


4、工作频率降频

降频主要由两个方面导致。输入电压和负载电压的比例小、系统干扰大。对于前者,注意不要将负载电压设置的太高,虽然负载电压高,效率会高点。


对于后者,可以尝试以下几个方面:a、将最小电流设置的再小点;b、布线干净点,特别是sense这个关键路径;c、将电感选择的小点或者选用闭合磁路的电感;d、加RC低通滤波吧,这个影响有点不好,C的一致性不好,偏差有点大,不过对于照明来说应该够了。


5、电感或者变压器的选择

鉴于大功率发光二极管工作电压仅为3V,通过全桥整流将220V交流电变成直流电,在全桥上的电压降约为1.8V,只驱动一只发光二极管工作的电能利用效率仅为60%。必须把3只以上发光二极管串联起来工作,才能使总的电能利用效率超过80%。


根据三基色合成白光原理,将红、绿、蓝3只1W大功率发光二极管串联起来工作,就可以获得相当于3W发白光的LED所达到的亮度 。同时还可以组合出6种彩色光线,满足人们对变换彩光的喜好。


联系方式:邹先生(mos管专家)

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