1、LED 高效恒流驱动电源的设计 指导书第 1 章 绪论1.1 LED 工作原理1.1.1 LED 发光原理发光二极管（LED）是一种将把电能变成光能的器件，发光二极管的主要部份是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 P 型半导体中，空穴占有绝对地位，而在 N 型半导体中电子占绝大多数。在这两者之间是 p-n 结。的大体工作过程是一个电变光的过程，当 LED 的 p-n 结由外部电路加上正向偏压时，P 区的正电荷将向 N 区扩散，同时 N 区的电子也向 P 区扩散，电子与空穴结合然后释放能量，一部分能量由光的形式散发出来，这就是发光的原因。不同大小的能量水平的差异，频率和波长的光的不同
2、，相应的光的颜色是不同的，这便是 LED 发光原理。1.1.2 LED 光源的特点1 超低能耗比起传统的白炽灯为首的白炽灯，至少节省 20%以上的电量，节约了资源。2 超长寿命传统的节能灯的寿命是 20008000 小时，而 LED 照明灯寿命可达 5 万10 万小时。3 响应时间短LED 灯的响应时间比传统的照明灯快几个数量级。4 工作电压低LED 的驱动电源既可以是高压电源又可以是低压电源，相比传统的照明灯，它更加适应电压的变化，电压发生变化的时候不容易损坏。5 绿色环保符合欧盟标准，不会造成环境污染，并且 LED 可以被回收利用。6 坚固可靠LED 完全封装在循环氧树脂里面的 LED，它
3、比传统照明灯更加坚固不易损坏。7 不招蚊虫因 LED 用二极管发光技术，使用的冷光源，所以不招蚊虫。8 自选颜色可以通过不同的设计以及电流的大小来改变 LED 的颜色。如小电流时为红色的 LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。目前白色 LED 发光效率已经突破 120LM/W，是白炽灯 15LM/W 的 8 倍，是荧光灯 50LM/W 的 2 倍多。LED 的光谱中没有紫外线和红外线成分，所以有害辐射小。在散热良好的情况下，LED 的光通量半衰期大于 5 万小时以上，可以正常使用 20 年，器件寿命一般都在 10 万小时以上，是荧光灯寿命的 10 倍，是白炽灯的 100
4、倍。这种灯具具有非常好的节能长寿命特性，随着白色 LED 价格的不断降低，LED 照明灯不但在节日彩灯装饰中广泛应用，而且逐步延伸到路面照明、民用照明等低照度要求的领域，全面进入实用化，并且在环保方面废弃物可以回收，没有荧光灯的汞污染问题，是国家重点发展的继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明产业。LED 驱动电源原理下图为超高亮 LED 的特性伏案特性曲线，即正向电流(IF)和正向压降(VF)的关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF 与 VF 成正比。表中是当前主要超高亮 LED 的电气特性。当前超高亮 LED 的最高 IF 可达 1A，而 VF
5、通常为 24V 。（图 1）由于 LED 的光特性通常都表述为电流的函数，而不是电压的函数，（图 2）是光通量(V) 与 IF 的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED 的正向压降变化范围比较大(最大可达1V 以上 )，而由（图 1）中的 VF-IF 曲线可知，VF 的微小变化会引起较大的， IF 变化，从而引起亮度的较大变化。所以，采用恒压源驱动不能保证 LED 亮度的一致性，并且影响 LED 的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮 LED 通常采用恒流源驱动。（图 2）（图 3）是 LED 的温度与光通量 (V)关系曲线，由（图 3）可知光通量与温度成反比，85时的光通
6、量是 25时的一半，而-40 时光输出是 25时的 1.8 倍。温度的变化对 LFD 的波长也有一些影响，因此，良好的散热是 LED 保持恒定亮度的前提。（图 3）是 LED 的温度与光通量(V) 关系曲线。（图 3）一般 LED 驱动电路介绍由于受到 LED 功率水平的限制，通常需同时驱动多个 LED 以满足亮度需求，因此，需要专门的驱动电路来点亮 LED。下面简要介绍 LED 概念型驱动电路。阻限流电路如（图 4）所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算。（图 4）式中：Vin 为电路的输入电压： IF 为 IED 的正向电流; VF 为 LED 在正向电流 IF 时的
7、压降; VD 为防反二极管的压降(可选); y 为每串 LED 的数目； x 为并联 LED 的串数。由上图可得 LED 的线性化数学模型为：式中：Vo 为单个 LED 的开通压降; Rs 为单个 LED 的线性化等效串联电阻。则上式限流电阻的计算可写为： 当电阻选定后，电阻限流电路的 IF 与 VF 的关系为 由上式可知电阻限流电路简单，但是，在输入电压波动时，通过 LED 的电流也会跟随变化，因此调节性能差。另外，由于电阻 R 的接人损失的功率为 xRIF，因此效率低。线性调节器介绍 线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或 MOSFFET 作为一动态可调电阻来控制负载。线性调节器
8、有并联型和串联型两种。 （图 5）a 所示为并联型线性调节器又称为分流调节器( 图中仅画出了一个 LED，实际上负载可以是多个 LED 串联，下同 )，它与 LED 并联，当输入电压增大或者 LED 减少时，通过分流调节器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使通过 LED 的电流保持恒定。 由于分流调节器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定的调节。 （图 5）b 所示为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持 LED 上的电压(电流)恒定。（图 5）由于功率三极管或 MOSFET 管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压
9、必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正确地工作。开关调节器介绍 上述驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。在用于低功率的普通 LED 驱动时，由于电流只有几个 mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百 mA 甚至更高的高亮 LED 的驱动时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。开关电源是目前能量变换中效率最高的，可以达到 90%以上。Buek 、Boost 和 Buck-Boost 等功率变换器都可以用于 LED 的驱动，只是为了满足 LED 的恒流驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。（图 6）(a)为采用 Buck 变换器的 LED 驱动电路，与传统的 Buek
10、 变换器不同，开关管 S 移到电感 L的后面，使得 S 源极接地，从而方便了 G 的驱动，LED 与 L 串联，而续流二极管 D 与该串联电路反并联，该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容，降低了成本。但是，Buck 变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个 LED 串联的场合。（图 6）(b)为采用 Boost 变换器的 LED 驱动电路，通过电感储能将输出电压泵至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对 LED 的驱动。优点是这样的驱动 IC 输出可以并联使用，有效的提高单颗LED 功率。 （图 6）(c)为采用 BuckBoost 变换器的 LED 驱动电路。与 Buek 电
11、路类似，该电路 S 的源极可以直接接地，这样方便了 G 的驱动。 Boost 和 Buck-Boosl 变换器虽然比 Buck 变换器多一个电容，但是，它们都可以提升输出电压的绝对值。因此，在输入电压低，并且需要驱动多个 LED 时应用较多。（图 6）第 2 章 开关式恒流驱动电源原理分析2.1 LED 驱动方式常见的 LED 驱动方式有以下三种：阻容降压、隔离反激以及原边调节方案。其中阻容降压式电路简单，成本低，但效率低，调节精度差，已被淘汰。目前主要采用的是开关电源方式的隔离反激以及原边调节方案。2.1.1 开关式稳压电源的基本工作原理开关电源是通过控制晶体管的导通与截至的时间或频率，以达
12、到稳定输出电压的一种电源。相比线性电源，具有效率高、体积小、重量轻、适应电网电压范围宽等优点。开关式稳压电源的控制方法可以分为脉宽调制（PWM）方法和频率调制（PFM）方法两种，在我们实行的工作和使用中，基本上都是用脉宽调制式开关稳压电源。就当下的开发和设计的开关电源集成电路中，八成以上都是采纳脉宽调制型。所以接下来我们就主要介绍脉宽调制式开关稳压电源。脉宽调制式开关稳压电源的基本原理可参见下图：图 2-1 开关电源基本原理从上图所示的单极性矩形脉冲可以看出，单极性矩形脉冲的宽度决定了 U0 的值，如果脉冲的宽度加宽，那么相应的直流电压也会增加。Uo 可用以下公式计算得出结果：Uo= T1/T
13、 Um=DUm其中 T1 是矩形脉冲宽度，T 为该矩形脉冲周期，Um 是矩形脉冲的峰值，D 为占空比。从上面的公式我们可以得出结论，Uo 可以通过调节 D 实现稳定。2.1.2 AC/DC 开关式稳压电源的原理图 2-2 开关电源原理电路交流电压 AC 经过整流电路和滤波电路整流滤波后，含有脉动成分的直流电压，电压被开关变换器转换成方波电压，这个方波电压被调宽（或调频）后，再经整流滤波后成为我们所要求的 DC。脉冲宽度调制部分的电路，包括抽样器、比较器、振荡器、脉宽调制、参考电压电路等等。2.2 反激式概述反激式(Flyback)变压器，英文名称：Flyback Transformer。变压器
14、也称之为转换器、变换器。反激式是指当初级线圈被变压器的直流脉冲电压激励时，负载没有变压器次级线圈提供的功率输出；只有当断开变压器初级线圈的激励电压时，负载才会有功率输出。这就是反激式开关电源。图 2-3 反激式开关电源工作原理反激式变压器有如下几点优点:1. 转换的效率高，2. 变压器匝比 数值小 3. 电路简单，体积小，节psN约成本。2.2.1 反激式开关电源的工作过程以上图所示的电路为例，我们来分析一下反激式的工作原理。当三极管 VT 导通的时候，即左侧电路构成通路，初级线圈绕组 Np 上有电流流过即 Ip，并且开始储存能量。从图中可以看出，初级线圈 Np 和次级线圈 N2 的极性是相反
15、的，二极管反偏截至，能量也就无法进行传递，从而无法到达负载。而当三极管 VT 截至的时候，分析跟上述相反，二极管正向导通，能量到达负载，I0 流过负载。其过程的波形图如下：图 2-4 波形图2.2.2 反激式开关电源的工作方式反激式变压器的工作方式大概有以下两种：其一是本次设计采用的工作方式，那就是 DCM 工作方式，即是电感电流不连续模式，其二是 CCM 工作方式，即使电感电流连续模式。 1. CCM ( Continuous Inductor Current Mode)，就是周期内开启时间所获得的能量在反激的时间里部份或者说不完全的传给输出端。2. DCM (Discontinuous I
16、nductor Current Mode)，就是周期内开启时所储存的能量在周期内的反激时间完全或者说是全部流到输出端。 图 2 CCM 与 DCM 工作模式波形图。2.3 原边反馈概述2.3.1 PSR（Primary Switching Regulator，原边开关调节）控制原理近两年由于 PSR 线路简单，成本低，所以在充电器，LED 驱动应用方面相当流行。 先谈谈 CV 操作模式，现在大部分芯片都是直接取样辅助线圈上电压，由于漏感的原因，在 MOS 关断后，也就是次级二极管导通瞬间，会产生一个尖峰，影响电压采样，为了避开个这个尖峰，大部分厂家都是采用延时采样，也就是在 MOS 管关断一段
17、时间后再来采样线圈电压。从而避开漏感尖峰。PI 是在高压开关关断 2.5采样。这种采样方式其实在以前很多芯片上的过压保护上也都有应用，比如 OB2203 和 UCC28600，NCP1377 上都有这样的应用，所以可以得到较高精度的过压保护。还有些厂家是在下取样电阻上并一个小容量的电容来实现。同时建议大家吸收电路使用恢复时间约只有 2us 的 IN4007 再串一个百欧左右的电阻作吸收。可以减小漏感产生的振铃，从而减小取样误差。得到较高采样精度。次级圈数固定，辅助绕组固定，取样精度高。比较器内部精度也高，自然可以得到较高的输出电压精度。图片截自 NCP1377 规格书。因为输出电流 Io 是次
18、级电流（如下图的三角形）在一个工作周期的平均值，所以 Io=(Td/T)*Ipsk/2, 其中 T 为工作周期。由安匝平衡条件，Np*Ipk=Ns*Ipks，所以 Ipks=Np*Ipk/Ns,将 Ipks=Np*Ipk/Ns 代入 Io=(Td/T)*Ipsk/2，得到：Io=(Td/T)*（Np*Ipk /Ns）/2。由上式可以看出，Np,Ns 为常数，只要固定 Ipk 和 Td/T，就可以得到固定的电流输出，即恒流（CC）输出。市面上很多 IC 固定 Ipk 的方式是限制初级 MOS 取样电阻上的峰值电压，同时为了避免寄生电容在导通时产生的电流尖峰，会加入一段消隐时间。Td/T 是由 I
19、C 内部固定的。OB 公司的是0.5（它是给出 Td 同频率的关系） ，BYD 的1508是直接给出0.42。仙童的没有直接给出1317没直接给出这个值，而是给出了一个计算初级电流的公式。也是间接告诉了 Td/T 。COP8155也是如此，通过计算 Td/T=1/3=0.333。在 CC 时，在不同输出电压情况下，工作在 PFM 模式以保证固定的 Td/T 而实现稳定的输出电流。这就是实现恒流的基本原理，输出电压变化时能保证电流不变。只要保证 IC 的 Td/T 的精度，以及初级峰值电流的限流精度就可以得到较高的输出电流精度。这两部分基本上取决于 IC。取样电阻保证是没有问题的。对于 PSR
20、对电感量补偿的原理，当电感量低出设计正常值时，要达到同样的峰值电流需要的时间就短了，t=L*I/V,I 在 DCM 模式时等于峰值电流，而峰值 Ipk 电流是固定的（见上述） 。V 就是 Vin,为常数，所以 L 低会造成 t 下降，也就是 Ton（t=Ton）下降。根据伏秒平衡，Vp*Ton=Vs*Td,得 Ton= Td*Ns/Np,Np,Ns 为常数，Ton 的下降同样也造成 Td 下降。由于 Td/T 为固定值，Td 下降造成 T 变小，所以频率就升高了。但是由于有最高频率的限制,所以设计时要注意在最重负载时，频率不能工作在最高频率，这样电感量的变化将得不到补偿（通过调节频率） 。应适
21、当低于最高工作频率。电感量高出正常值时，结果当然是相反的。Io=(Td/T)*（Np*Ipk /Ns）/2。只要 Ipk,Td/T 不变，输出电流也就不变。所以电感量变化引起的是频率的变化。从公式 P=1/2*L*I2*f 也可以看出。I 固定，输出功率不变，L 的变化引起的是频率 f 的变化，但一定要注意最高工作频率限制。同时该公式还表明，I 固定，f 随 P 减小而减小，从而可以减小电源的待机功耗，但要注意最低的频率要大于可闻频率（20KHz） ，以免变压器产生可听到的“吱吱”噪声。初级调节原理我们可以通过结合下面的原理图来进行分析。负载的任何改变我们都可以通过辅助绕组(NAUX)的电压变
22、化来监控。我们用控制器打开 MOS 管。使其导通之后，初级绕组线圈电流 I 从 0 线性上升到 ipeak,其公式为（2-1）onpipeaktLVi这个过程中初级绕组 NP 已经把能量储存起来了，而当我们让 MOS 管关闭之后，在初级绕组里面储存的能量将会发生转移，这个时候次级绕组线圈开始接受来自初级绕组的能量，能量移动的过程就这样完成了。然后能量经过整容滤波电路之后，就可以加载到输出端上.图 2-5 原边反馈原理图2.3.2 PSR 电源的 CV/CC 工作区间PSR 电源的次级侧工作区间如下图所示。电源启动后，在没有达到设定的恒流电路之前，输出电流随着输出电压的增加而增长（线性区） ；当
23、达到恒流调节状态（恒流区）时，通过调节输出电压补偿 LED 压降的温漂变化，使流过 LED 的电流保持恒定；当输出电压达到一定值时，将保持不变（恒压区） 。在没有副边电压和电流检测的时候采用原边控制的方法可以达到精确的恒压/恒流控制的目地.图 1 是第 3 章 BP9022 工作原理及技术参数3.1 BP9022 概述及原理该 BP9022 控制器在开关模式电源应用广泛。其高度集成的功能，例如在欠压锁定（UVLO ） ，前沿消隐 （LEB ）和内置电缆补偿提供 用户高效率和低成本的解决方案 AC / DC 电源的应用程序。BP9022 电源可以快速动态负载响应。 BP9022 的待机电流略高，当进行 LED 优化了应用的时候。此外，BP9022 具有丰富开路保护、过压保护、温度保护，以消除外部保护电路，并提供可靠的操作。BP9022 提供 SOP8 封装。典型应用电路（下图所示）
