基于高效LED驅(qū)動模式的理想LED照明設(shè)備實現(xiàn)
在如今社會,各種媒體設(shè)備照明環(huán)境需求的差異化,進一步促進了人類探索如何利用各種高亮度LED進行照明。LED在照明方面的應(yīng)用已經(jīng)吸引廣泛關(guān)注。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/167841.htmLED基本原理及性能特點
首先我們來介紹一下LED的基本原理以及性能特點。LED的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料,置于一個有引線的架子上,然后四周用環(huán)氧樹脂密封,起到保護內(nèi)部芯線的作用,所以LED的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片,在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層,稱為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中,注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓,少數(shù)載流子難以注入,故不發(fā)光。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(即兩端加上正向電壓),電流從LED陽極流向陰極時,半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線,光的強弱與電流有關(guān)。
LED光源具有以下特點:
1.電壓:LED正向?qū)üぷ麟妷狠^低,可以使用低壓電源驅(qū)動,供電電壓根據(jù)最終產(chǎn)品不同而異,是一個比較安全的照明設(shè)備,特別適用于公共場所。
2.效能:同等照度的情況下消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。
3.適用性:每個單元LED小片是3-5mm的正方形,所以可以制備成各種形狀的器件,并且適合于易變的環(huán)境。
4.穩(wěn)定性:通常為10萬小時,光衰為初始的50%。
5.響應(yīng)時間:其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級,LED燈的響應(yīng)時間為納秒級。
6.對環(huán)境污染:無有害金屬汞。
7.顏色:LED的發(fā)光顏色和發(fā)光效率與制作LED的材料和工藝有關(guān),目前有紅、綠、藍三種基本顏色。
8.價格:與白熾燈相比,LED的價格較高,幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當(dāng),不過隨著技術(shù)工藝的進步,可以逐步提升性價比。
LED驅(qū)動方案
LED自問世以來,就得到人們的極大關(guān)注,LED驅(qū)動器件和驅(qū)動方式不斷更新以便更加有效地驅(qū)動LED為人類照明。從早期的DC/DC開關(guān)電源到電荷泵,以及追求成本的低邊驅(qū)動和LDO,人們在不同的應(yīng)用情況下選用不同的驅(qū)動線路,作為市場關(guān)注的熱點,便攜產(chǎn)品的顯示背光是LED背光應(yīng)用的主要市場,下文將針對便攜產(chǎn)品的背光顯示,介紹當(dāng)前幾種常見的LED驅(qū)動方案。
1. Step-UP DC/DC開關(guān)電源實現(xiàn)LED驅(qū)動
該方案主要的特點在于:輸入電壓較低,甚至低至0.7V(單節(jié)干電池),從技術(shù)發(fā)展的角度看,串聯(lián)型驅(qū)動出現(xiàn)的比較早,技術(shù)上也比較成熟,效率較高。典型的應(yīng)用線路如圖1所示。
圖1:Step-UP DC/DC 開關(guān)電源實現(xiàn)LED驅(qū)動的典型應(yīng)用線路。
對于這種應(yīng)用方式,早期的驅(qū)動芯片主要采用電流反饋方式,按照VFB/Rb來確定LED的電流,DC/DC反饋電壓VFB一般在1.2V左右,這限制了有效效率的進一步提升,本身DC/DC的效率在80%左右,在這種應(yīng)用情況下,實際效率降低的更多,而隨著技術(shù)的提高,降低VFB電壓到0.1V以內(nèi),可以將有效效率提升到85%以上,尤其在驅(qū)動2-3顆燈的應(yīng)用狀態(tài)下。該方案的優(yōu)缺點如下:
優(yōu)點:技術(shù)成熟,成本相對較低,通過一些新的技術(shù)革新,例如圖1所示的過壓保護功能,或者采用電壓電流反饋共同作用,可以得到較高的亮度一致性以及較高的安全系數(shù),尤其以大尺寸屏幕顯示的背光應(yīng)用居多。由于需要較多的LED實現(xiàn)屏幕背光,因而亮度的一致性和均勻性是必須面對的挑戰(zhàn)。
缺點:本身電感的應(yīng)用,限制了線路的尺寸以及高度,并且?guī)砉こ淘O(shè)計人員不愿意面對的問題-EMI處理,尤其在靠近射頻部分,需要針對干擾做專門的處理,否則會導(dǎo)致射頻接收靈敏度降低,甚至帶來音頻部分的干擾,例如音頻輸出電流干擾聲。另外,在這種應(yīng)用情況下,如果一個LED發(fā)生故障就會導(dǎo)致整串LED失效,這是人們不愿意看到的結(jié)果。
2. 電容式電荷泵驅(qū)動模式
這是一種比較新的驅(qū)動方式。簡單來說電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實現(xiàn)電壓提升,采用電容器來貯存能量。因工作于較高頻率,可使用小型陶瓷電容器(1μF),占用空間最小,使用成本較低。電荷泵有兩種工作模式,恒壓模式,恒流模式。
1)恒壓模式電荷泵。圣邦微電子的SGM3110就是采用恒壓模式的電荷泵,由于恒壓模式電荷泵的工作特性,本身具有高開關(guān)頻率以及大峰值的瞬態(tài)電流,因而需要工程師在PCB布板部分額外注意,一般要求外圍的電容盡可能靠近器件本身,外圍布線要盡量短,本身需要周圍的PCB地盡可能大,外圍電容也要盡量直接接到SGM3110的地上,如果布線限制,則可以通過大的PCB過孔以及多個過孔來實現(xiàn)良好接地。
效率計算方法:η=Iout*Vout/Iin*Vin
由于器件本身存在開關(guān)損耗以及電容漏電,因而實際效率要比該值低一些,這跟生產(chǎn)廠家的工藝技術(shù)有關(guān)。采用這種LED驅(qū)動模式的優(yōu)點在于,可以簡化外圍線路、降低產(chǎn)品成本。尤其在小尺寸屏的情況下,1-2個LED做屏幕背光;或者用做閃光燈驅(qū)動,在100mS內(nèi)達到250mA電流的輸出;或者是簡單的DC/DC 5V升壓簡化版本,替代電感DC/DC升壓,降低成本以及產(chǎn)品EMI問題。缺點在于只有簡單的兩倍升壓模式,效率較低,大多數(shù)時間效率低于70%,實際利用效率更低,其中有相當(dāng)一部分消耗在限流電阻上。在驅(qū)動多個LED的時候,背光一致性完全依賴于LED以及限流電阻的精度。
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