《电子技术应用》

展望LED驱动电源 分解LED驱动及保护芯片

2011/6/3 0:00:00

          一、LED 驱动电源的使用现状分析

         标准电灯正在经历一场革命。出于保护能源和应对全球气候变暖的考虑,美国一些州和其它一些国家开始禁止使用低能效的白炽灯泡。各种新技术正纷纷被用于替换白炽灯泡,其中紧凑型真空荧光灯(CFL)是主要替代方案。尽管这种CFL 灯的功耗仅为白炽灯的20%,但却含有有毒物质汞。相比之下,LED 灯可以提供更高效和更环保的解决方案。

          LED 最初的商业应用出现在上世纪七十年代,但因其光输出极低,应用范围也仅限于指示灯和计算器显示屏等领域。如今,能够产生白光的高功率LED 在效率方面不断得以提升,价格也在逐年下降,因此它已成为主流照明应用值得考虑的选择之一。预计随着LED 技术的发展,到2012年其发光效率将达到150 流明/ 瓦,1000流明的成本将不足5 美元( 资料来源:OIDA),届时LED 有望成为室内照明的主要来源。

         2008年的北京奥运会通过众多具体的产品形态和新技术的应用为绿色奥运、科技奥运、人文奥运等理念做了完美诠释。LED 显示产品,在2008 年北京奥运会的广泛应用,更是光芒闪烁,为2008 北京奥运会增添了绚烂异彩。近几届奥运会中,LED 显示幕都是奥运比赛场馆不可或缺的主要设施。2008年北京奥运会新建和改建的体育场馆数量众多,规模空前,奥运场馆均采用了大量LED 显示幕作为比赛实况播放和计分显示的设备,显示幕产品以全彩色、高解析度、数位化等为主。

         可以说,2008 年北京奥运会所采用的LED 显示产品从数量到技术水准以及应用方面都达到了一个新的里程碑,这其中众多国内LED 显示产品制造企业担当了重要的角色。通过全球LED 技术领导厂商对材料、工艺和封装技术的努力改进,高亮度LED的发光效率和性能得到了显著提升,除了传统的背光和显示面板市场外,高亮度LED 开始走向室内外普通照明、汽车内外照明、探照灯、交通灯等全新应用。这些都预示着LED 驱动电源将有一个广阔的应用前景。

         二、LED 驱动电源面临的问题解读

         在LED 大放异彩的同时,LED 驱动电源器则是LED 产业链的发展的保障,LED 电源的品质直接制约了LED 产品的可靠性,因此,在LED 产业链逐步完善的今日,LED 驱动电源的成熟也至关重要。就LED 电源企业而言,2009 年100W 左右大功率电源市场的增幅将会有很大的提升。源于100W 左右的LED 光源与传统照明光源相比有着更突出的性价比,以及很快形成产业规模的LED 路灯和景观照明市场。由于LED 是特性敏感的半导体器件,又具有负温度特性,因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护,从而产生了驱动的概念。

         LED 器件对驱动电源的要求近乎于苛刻,LED 不像普通的白炽灯泡,可以直接连接220V 的交流市电。LED是2~3伏的低电压驱动,必须要设计复杂的变换电路,不同用途的LED 灯,要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高,设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数,因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。

         2009年,虽然金融危机对世界经济的影响很大,但是欧美等国际市场对大功率LED 电源的需求量还是很大,相应的高端LED 产品的出口量受金融危机影响较小。2008 年中国LED 应用产品产值已超过450亿元RMB,LED 示范应用路灯、LED 全彩显示屏显示器件、太阳能L E D 、景观照明、消费类电子背光、信号、指示等应用仍然是主要应用领域。但是在市场一片繁荣的背景下,LED产品质量良莠不齐,对驱动电源的要求混乱。

         市场上LED 产品如火如荼的发展态势下,就LED 驱动电源企业而言,目前面临几个挑战。

         首先是驱动电路整体寿命,尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。

         其次是LED 驱动器应挑战更高的转换效率,尤其是在驱动大功率LED 时更是如此,因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散,电源转换效率的过低,影响了LED 节能效果的发挥。

         第三,以大调光比高效率地对LED 调光,同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。同时要降低成本,目前在功率较小(1~5W)的应用场合,恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3,已经接近了光源的成本,一定程度上影响了市场推广。

          三、LED 驱动电源的展望

          从目前市场了解来看,LED 日光灯管式结构应用会较好发展。从家居照明来看,合适的照明强度还是需要10W 以上节能灯具产品。荧光灯大多在7~15W 功率,节能型日光灯在20~40W 功率。如果用LED集中设计10W 以上的功率,散热会令我们很头痛,也是影响成本的重要因数,显然像灯泡结构式的产品很不适合LED 应用。像射灯这样产品不大可能规模量产民用。日光灯管式结构符合LED 散热要求,也符合现有灯具接口方式。

          厂商从成本考量,大多设计功率在20W 以内的LED 灯管,从不断增长的LED 亮度来说20W 符合未来LED照明光源发展要求,待LM 值达到150LM/W 时,才是LED 照明大呼节能辉煌时代。未来的方式是,先恒压,再线性恒流整合方式。电压保证在一定范围内适应负载需要,按LED 有不同的Vf 值3~3.6V之间,那按LED 实际数量乘于3V 计算出最低值,再按3.6V电压乘于数量计算出最大可能电压值,最终确定电源部分需要调整的电压范围。再线性恒流源后端恒流,可以多路恒流源并联使用,也可以单路多个恒流源增加电流使用。前端电压源部分采样检测恒流源压差,调整合适负载需求电压,从而达到高效、灵活的驱动线路需求。

         恒流源需要低压差线性恒流器件,线性恒流源有着很好的电流误差,也会有很好的灰度表现。在小电流时可以有1~3V 的压差,在大电流方面必须要200~300mV低压差,才会有较高的效率,那样线性恒流源需要另外供电。总之,随着技术的不断完善,我们的日常生活回因LED 而变得多姿多彩。

         四、“问天量子”LED驱动电源及保护芯片

         针对LED电源现状,安徽问天量子科技股份有限公司推出的“LED全串联恒流驱动电源 ”+ “保护芯片” 可以为行业客户提供当前最优的解决方案。具体如下:

        LED照明需要考虑亮度、成本、节能以及寿命,随着LED自身工艺的进步,LED寿命在正常工作条件下可达10万小时,这时LED驱动电源是影响和限制LED寿命的主要因素,其中包括隔离、PFC(功率因素校正)、恒流精度、电路效率,以及瞬态过压冲击、各种外界浪涌脉冲电流,以及正常工作时的电流纹波等。
   
        LED驱动电源按其驱动方式可分为恒流驱动和恒压驱动。其中,恒流驱动电路输出电流恒定,电压随负载的不同在一定范围内变化;而稳压驱动电路则是输出电压恒定,而电流随负载的不同在一定范围内变化。由于大功率LED是一种具有典型PN结特性的半导体发光器件,其发光强度是由LED的驱动电流决定的,电流过强会引起LED的衰减,并降低寿命,电流过弱则又会影响发光强度。当LED正向导通时,正向电压的微小变化便会引起LED电流的巨大变化,由于LED自身是大功率照明器件,其结电压温度系数为-2mV/℃,对于稳压驱动电源,LED的温度升高时,工作电流会明显变大,出现越点越亮的现象,从而加速LED老化,因此需要恒流驱动LED来保证使用其亮度、色度、光衰和寿命的一致性和安全性,同时对防老化起到重要的作用。

        因此,恒流驱动电源是最理想的LED驱动方式,这样,基本上不受LED数量及连接方式的限制和困扰,也不再需要研发多到数不清型号的驱动电源。对于大功率LED的并联、串并联等混联型的连接方式,从根本上讲,一定存在分支LED的亮度、色度、光衰和寿命等的一致性问题,只要其中有一颗LED出现短路或开路时,整个LED负载都将出现一定的问题。

        采用全串联方式驱动LED,则不存在上述问题。即使当LED的一致性差别较大时,分配在不同LED两端的电压不同,但通过每颗LED的电流相同,LED的亮度一致,光衰、寿命等都均匀。并且由于串联电流一般很小,只有350mA,同样输出功率条件下,器件的发热可以大大降低,电路效率可以大大提高,从而做到绿色节能。

        唯一可能担心的问题是,当某一颗LED品质不良断开后,串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是采用LED保护芯片,一旦某一颗LED断开时,LED保护芯片自动导通,提供旁流通路,由于LED驱动器采用恒流输出,电流保持不变,不影响余下所有LED正常可靠工作。由于LED保护芯片的性能不同,早期保护芯片自身在LED正常工作时就存在漏电流,约0.1mA~1mA,存在一定的无用功耗,我们公司最新研发的保护芯片L11在LED正常工作时的漏电流为0.1uA~0.2uA,几乎完全不产生无用功耗,导通压降仅为1.18V(对应电流350mA)。采用保护芯片L11可以有效的降低了无用功耗,提高了电路效率,在提高了可靠性的同时大大节省能源。

        另外,由于大功率LED自身抗浪涌电流和抗反向电压能力都很差,加强这方面的保护也非常重要,除了要求LED驱动电源要有抗瞬态过压和抑制浪涌侵入的功能以外,给LED自身添加一道保护符使其不被损坏也是必须的,L11给LED提供了抗瞬态过压、抑制浪涌电流和反向静电限压保护的能力。

        1、LED全串联

       当LED的一致性差别较大时,分配在不同的LED两端电压不同,通过每颗LED的电流相同,LED的亮度一致,色度一致,光衰、寿命等都非常均匀。采用保护芯片可以有效的降低无用功耗,提高电路效率,在提高可靠性的同时大大节省能源,从而绿色节能环保。

        2、LED全并联

       分配在所有LED两端电压相同,当LED的一致性差别较大时,通过每颗LED的电流不一致,分支LED的亮度也不同,这样LED的亮度、色度、光衰和寿命的一致性存在问题,同时由于输出电流很大,有源器件发热严重,电路效率受到影响,可靠性大大降低。

        3、LED混联

       串并联的LED数量一般采用平均分配,并且要尽可能挑选一致性好的LED使用,才能保证支路和单个LED的电流也相近,从而尽量保证LED的亮度、色度、光衰和寿命的一致性。当任意一颗LED出现品质不良短路或开路时,整个LED的工作状态发生改变,一般只能通过串联个数少并联支路多的方法解决,尽可能不去影响其余LED的正常工作,从而要求输出电流很大,导致有源器件发热严重,电路效率大大降低,可靠性受到影响。

         而采用问天量子的“LED全串联恒流驱动电源 ”+ “保护芯片”完全可以让LED全串联模式得以实现,并且可以延长LED灯珠的使用寿命,从而提升行业厂商的产品美誉度和竞争力。


 

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