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LED燈具驅(qū)動技術(shù)發(fā)展趨勢分析

作者: 時間:2011-12-11 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  科技進步日新月異,科技創(chuàng)造人類的新生活。近幾年,全球人類共識:未來與綠色環(huán)保節(jié)能相關(guān)的產(chǎn)業(yè)前景光明燦爛。LED照明產(chǎn)業(yè)首當(dāng)其沖,將展現(xiàn)無限的生命力、無窮大的海量市場。2009年LED照明產(chǎn)業(yè)絲毫沒有受全球經(jīng)濟危機的影響,在中國政府的大力推動下,中國LED照明產(chǎn)業(yè)正快速走熱,2009年成為LED照明元年,中國LED照明產(chǎn)業(yè)鏈在此經(jīng)濟危機中快速成長和完善,LED新一代照明技術(shù)迅速發(fā)展,帶動LED照明產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)以千百萬家企業(yè)欣欣向榮。

  LED光源是一顆耀眼的明星,基于LED可以做成形形色色、千變?nèi)f化的照明和燈飾燈具、LED廣告大屏、LED信息屏、手機和MP3/MP4等消費電子顯示屏背光、筆記本電腦和LCD-TV顯示屏的背光。

  LED光源的正常工作發(fā)光,離不開IC。本文就最近階段LED照明燈具技術(shù)發(fā)展趨勢而言。

  LED照明燈具的基本架構(gòu)

  LED照明燈具的基本架構(gòu)是:LED光源 + 電源 + 燈具金屬/塑料結(jié)構(gòu)件。LED光源涉及產(chǎn)品的亮度、色彩、壽命;驅(qū)動電源涉及產(chǎn)品的電氣性能和穩(wěn)定性、可靠性、壽命;金屬/塑料結(jié)構(gòu)件涉及產(chǎn)品散熱性能和造型時尚新穎,以及不同的應(yīng)用場合。

LED燈具驅(qū)動技術(shù)發(fā)展趨勢分析
圖1 LED照明燈具的基本架構(gòu)

  LED光源高效節(jié)能而無碳排放

  LED光源是固體發(fā)光的新一代光源,LED光源作為綠色、節(jié)能、省電、長壽命的第四代照明燈具而異軍突起、廣受關(guān)注、如火如荼迅速發(fā)展。LED光源作為第四代新型節(jié)能光源誕生之時即被用來做各類燈具的發(fā)光光源。作為光源的白熾燈其發(fā)光效率只有百分之五,而LED光源的發(fā)光效率幾乎接近百分之九十。LED照明以其高節(jié)能、長壽命、利環(huán)保的特點成為大家廣為關(guān)注的焦點。這幾年高亮度的LED光源因其制造技術(shù)突飛猛進,而其生產(chǎn)成本又節(jié)節(jié)下降,如今幾乎所有的燈具都可以使用LED光源作為高亮度、高效率而又省電、無碳排放的照明光源。

  LED光源點亮需要驅(qū)動IC

  目前的DC LED光源是低電壓(VF=2→3.6V)、大電流(IF=200→1500mA)工作的半導(dǎo)體器件,必須提供合適的直流恒定電流才能正常發(fā)光。直流(DC)驅(qū)動DC LED光源發(fā)光的技術(shù)已經(jīng)越來越成熟,由于我們?nèi)粘U彰魇褂玫碾娫词歉邏航涣麟姡ˋC100-220V),所以必須使用降壓的技術(shù)來獲得較低的電壓,常用的是開關(guān)電源降壓,然后將交流電(AC)變換成直流電(DC),再由驅(qū)動IC變換成直流恒流源才能促使LED光源發(fā)光。因此直流驅(qū)動LED光源的系統(tǒng)應(yīng)用方案必然是:開關(guān)電源 + 恒流源。LED燈具里必然要有一定的空間來安置這個電源模塊,但是對于E27標(biāo)準(zhǔn)螺口的燈具來說空間十分有限,很難安置。無論是經(jīng)由開關(guān)電源或是其它方法降壓,系統(tǒng)都會有一定量的損耗,DC LED燈具在交流、直流電之間轉(zhuǎn)換時約8~25%的電力被損耗,系統(tǒng)效率很難做到90%以上。因此提高轉(zhuǎn)換效率一直是電源芯片和電源制造商追求的目標(biāo)。

  常見LED光源驅(qū)動IC

  目前常見LED光源驅(qū)動IC都是從通用電源IC借用過來的,真正為LED光源設(shè)計的驅(qū)動IC還很少,很多公司都在設(shè)計中,預(yù)計到2010年中可能會有不少可應(yīng)市。目前LED光源驅(qū)動的低成本而不安全的方案是用阻容降壓的方法來實現(xiàn)的,如先前的圣誕燈飾;低成本的驅(qū)動還可以用CCR和LDO,它們的驅(qū)動電流都不大,CCR只能驅(qū)動0.5W以下的LED,如0.06W的草帽燈,LDO用穩(wěn)壓的方法可驅(qū)動1W的LED,但對LED光源的壽命不利;DC/DC→恒流源可能是目前已知的最理想方案之一了。

  常見LED光源驅(qū)動IC及其功能表:

LED燈具驅(qū)動技術(shù)發(fā)展趨勢分析

DC/DC恒流源驅(qū)動IC

  DC/DC恒流源驅(qū)動IC是直接為LED光源提供恒定直流電源的。使用最多的是用DC/DC-Buck來做降壓型恒流源,降壓型恒流源好比從大水庫取水,因此恒流特性穩(wěn)定、供應(yīng)能力強。用DC/DC-Boost來做升壓型的恒流源,好比從水渠往上提水,輸出電壓可高于輸入電壓,如要求輸出電流較大時需要擴流。

  LED光源往往是串、并聯(lián)應(yīng)用來擴大燈具的亮度,由于LED光源具有一定的離散性,因此多個串聯(lián)應(yīng)用比并聯(lián)應(yīng)用來得更合理,可降低對LED光源一致性要求。用DC/DC-Buck來做降壓型恒流源,多個LED光源串聯(lián)以后需要的總電壓不能高于DC/DC-Buck的輸入電壓,如能低2V是最理想的,此時恒流源的效率可大于90%。為此新一代的DC/DC-Buck恒流源IC的一些主要指標(biāo)會有質(zhì)的提高,Vin=5-70V,甚至Vin=5-100V,這樣的芯片可達(dá)到汽車電子應(yīng)用的基本條件,輸出電壓也可滿足串接近20-30個LED光源的要求。提高Vin的電壓關(guān)鍵是集成電路的制造工藝。

  輸出恒流精度也是值得關(guān)注的重要指標(biāo),它關(guān)系到恒流驅(qū)動電源在大批量工業(yè)化生產(chǎn)時產(chǎn)品的一致性,如因DC/DC-Buck恒流源IC輸出的恒流精度不同而產(chǎn)生恒流驅(qū)動電源輸出電流的不一致性,將影響成批生產(chǎn)的LED燈具亮度的差異,因此對新一代DC/DC-Buck恒流源IC的恒流輸出精度要求為2%-1%。過流、過壓、過溫、開路保護是這類IC所必須具備的。開關(guān)頻率抖動技術(shù)可有效地降低應(yīng)用電路的EMI,因此會越來越多地被采用。內(nèi)置的MOSFET還是不宜太大,一是顧及芯片的成本,二是考慮芯片本身在工作時的熱量散發(fā),一般單顆芯片的輸出電流在2A以下。

  此外由于工作時有750mA到1500mA電流通過,如在一個類似1.4X1.1mm的硅片管芯上,要長時間通過這些電流,必然有功耗,必然會發(fā)熱,芯片本身的物理散熱結(jié)構(gòu)也是至關(guān)重要,驅(qū)動芯片的封裝應(yīng)有利于驅(qū)動芯片管芯的快速散熱。如將管芯(Die)直接綁定在銅板上,并有一Pin直接延伸到封裝外,便于直接焊接在PCB板的銅箔上迅速導(dǎo)熱散發(fā)。

  DC/DC恒流源驅(qū)動IC的功能高度集成是使應(yīng)用電路簡化的關(guān)鍵所在,如PT4115在應(yīng)用時周邊只需要四個元器件,大大節(jié)省了應(yīng)用成本。

LED燈具驅(qū)動技術(shù)發(fā)展趨勢分析
圖2 應(yīng)用電路簡潔的PT4115

  AC/DC恒流源驅(qū)動IC

  直接在燈頭上使用AC電源的照明燈具十分需要應(yīng)用電路簡潔、使用成本低的AC/DC恒流源驅(qū)動IC。目前使用的驅(qū)動IC大多是從開關(guān)電源轉(zhuǎn)用過來的反激式恒流驅(qū)動方案,采用隔離降壓原理。分成初級側(cè)反饋控制和次級側(cè)反饋控制二類應(yīng)用,次級側(cè)反饋控制系統(tǒng)精度可達(dá)2%,但整個應(yīng)用電路需要元器件約二十多個;初級側(cè)反饋控制系統(tǒng)精度一般可達(dá)5-3%,整個電路需要的元器件最少方案僅7-8個。LED燈具生產(chǎn)廠家是十分注重成本的。

  目前AC/DC恒流源驅(qū)動IC正從反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向高效率諧振半橋(LLC) + 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以充分發(fā)揮零電壓開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(ZVS)的優(yōu)勢,和滿足LED燈具對功率因素較正)日益提高的要求,并要求在較低的功率等級(如50 W)時能提高效率>90%。寬電壓輸入、短路和過功率保護、開路保護、較低的總諧波失真(THD)是基本的要求。

LED燈具驅(qū)動技術(shù)發(fā)展趨勢分析

  圖 3 AC/DC恒流源驅(qū)動IC正從反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向高效率諧振半橋LLC

  另一種AC/DC恒流源驅(qū)動IC發(fā)展思路是由功率因數(shù)

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