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1、恒流源驱动LED设计摘 要 led元件在2005年的全球市场规模约为57.4亿美元，其中50%在日本，20%在台湾。除了各种应用照明、户外建筑及手机背光源等应用外，业界正在积极找寻各种新应用(本文转自电子工程世界：http:/ LED热光灯的驱动。本文对LED照明功能的功能及其工作原理进行研究与分析，全面综合的介绍并分析了LED作为光源在道路照明领域应用的情况和特点.重点介绍了该系统中LED和恒流电源的相关知识、驱动电路的设计，并给出了基于BP2808的高亮度LED驱动的实际电路。在对半导体BP2808的电源工作原理、外部封装、内部结构和驱动电路原理进行分析后，所设计的驱动电路能保证LED的达
2、到高亮度的稳定发光。关键词：大功率LED；恒流；驱动电路 （关键词3-5个）I第1章 LED的发展与前景1.1LED 诞生自从上世纪六十年代诞生第一个发光二极管以来，在相当长的一段时间内，由于输出流明的局限性，LED只是应用在信号指示用途。至九十年代，蓝光LED由于较经济的实现方法而得以产品化。进入二十一世纪，大功率白光LED被研制成功并且迅速地产业化。此间，由于大型照明光源电气公司的介入，例如PHILIPS和OSRAM，高亮度白光LED的光效取得了突破性的改进，并且迅速地开始进入普通照明的应用领域。目前，高亮度白光LED的光效在良好的散热条件下，已经超越了荧光灯的光效。随着更多的技术与资本投
3、入，高亮度LED的光效在不断的提高，而其成本则开始快速的下降，最终其性能价格比必将为普通消费者所接受。 1.2 LED与传统灯的比较传统照明光源种类包括：白炽灯、卤钨灯、荧光灯和高强度气体放电灯。与此相比，采用高亮度LED的固态照明光源具有诸多的优点：低功耗，高光效，长寿命，响应快，易数字控制，环境友好。 早在1907年开始，人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象，但生产出有一定发光效率的红光LED已是1969年了。1994-1995年人们开发成功了蓝光LED，并在1998年实现 了真正商品化。2000-2002年间，研发人员不断追求成本效益，使LED成功打入手机背光
4、源市场。到今天，LED已生产了30多年，各种类型的LED、利用LED作二次 开发的产品及与LED配套的产品(如白光LED驱动器)发展迅速，新产品不断上市，并已发展成为一种新型产业。 1.3 LED 照明的前景 首先，作为对照明灯价格最为敏感的普通照明市场，成本将成为决定市场地位的主要因素。其次，蓝光激发的白光技术由于通过荧光粉的散射而减小了LED作为点光源存在的眩光问题，因此更适合普通照明环境。另外，蓝光激发的单芯片白光LED,模块设计简单，体积小，不需要复杂的RGB控制电路，易被下游照明厂家与消费者者接受。由于该技术的巨大经济效益以及节能环保效益，大量企业参与到技术的研发以及产品的推广中。尽
5、管目前市场上仍以红黄光LED技术最为成熟，但是蓝绿光潜在的市场效益与经济效益仍不容忽视。在LED芯片的研发历史中，红黄光芯片的研发历史最为长久，因此，各方面参数以及性能都有良好的市场反应。 第二章 电压源2.1 电压源的分类普通电源又可细分为：开关电源、 逆变电源、交流稳压电源、直流稳压电源、DC/DC电源、稳压电源、 通信电源、 模块电源、 变频电源、UPS电源 、 EPS应急电源 、净化电源 、 PC电源、 整流电源 、 定制电源、加热电源、 焊接电源/电弧电源 、电镀电源 、 网络电源、 电力操作电源 、适配器电源、 线性电源、 电源控制器/驱动器 、 功率电源、 其他普通电源 逆变电源
6、、参数电源、调压电源、变压器电源。 特种电源特种电源又可细分为：岸电电源、安防电源、 高压电源、 医疗电源 、 军用电源、 航空航天电源 、激光电源、 其他特种电源 2.2 恒流电压源与恒压电压源的优缺点恒压源：日常生活中恒压源是多见的，蓄电池、干电池是直流恒压电源，而 220V 交流电，则可认为是一种交流恒压电源，因为它们的输出电压是基本不变的，是不随输出电流的大小而大幅变化的。恒压变压器又叫磁饱和稳压器。 恒压变压器采用一个“日”字型铁芯，初级线圈在一个窗孔中，次级线圈和谐振线圈在另一个窗孔中。谐振线圈外接电容谐振频率与电源频率相近的谐振回路。当初级接通电源后，谐振回路起振，使次级铁芯浅饱
7、和，形成一个恒定的交变磁场，其磁感应强度在一定范围内，基本不受输入电压变化的影响，于是次级线圈的感应电动势保持不变。在这种情况下，初级的输入电流只起补充能量的作用。恒压变压器的输出电压只与铁芯的磁性能参数和铁芯截面积有关，与初级与次级匝数比无关。恒压变压器的效率、体积重量与普通变压器相当，当铁芯材料比较好的时候，市电电压在160-250伏变化时，输出电压变化小于1.5%；当负载电流从满载到减半时，输出电压变化约1.5-4%，当输出短路时，输出电流上升约1倍，因此不怕长时间短路。恒流源首先举例说明：一个恒定电流值调至 1A 的，最高输出电压可达 100V 的一个恒流电源，当你打开这个恒流源的电源
8、开关时，你会看到电源的电压表和电流表显示什么数值呢？可以肯定的说：输出电压为 100V ，输出电流为 0A 。有人曾经这样问，你不是 100V 1A 的恒流源吗？怎么输出不是 100V 1A 呢？这里仍然要用欧姆定律来解释，理论上可以这样来计算，电源的输出电压 U=IR ，式中 U 为输出电压， I 为输出电流， R 为负载电阻。以下分 5 种情况来说明： 1）如果电源为空载， R 可以用无穷大来表示， U=I* ，由于电源能输 1A 的电流，如果电源电流为 1A ，那么 U=1A* = ，而电源电压最多只能输出 100V ，无疑电源只能输出其最大电压 100V ，由于电源不能输出无穷大的电压
9、，因而电流只能是很小很小的值，即电流输出为 0A ，即 I=U/R=100V/ =0A 。 2）如果负载电阻 R=200 欧，那么又因电源只能输出 100V ，因此电流只能为 0.5A ，即 I=U/R=100V/200R=0.5A 3）如果负载电阻 R=100 欧，由于电源能输出 100V ，就使得电流能达到 1A ，即 I=U/R=100V/100R=1A 此时输出电流正好达到电源的恒流值。 4）如果负载电阻继续减小，改为 50 欧，如果根据公式 I=U/R=100V/50R=2A. 但这里的关键是我们的电源是个恒流值为 1A 的电源，因此此时的输出电流只能被强迫限制在 1A 而不能为 2
10、A 因而输出电压只能被迫降到 50V 而不能为 100V 。这里仍然要符合欧姆定律，即 U=IR=1A*50R=50V 5）如果负载电阻变为 0 欧（即短路），那么由于输出电流只能为 1A ，输出电压就只能为 0V ，即 U=I*R=1A*0R=0V 从以上 5 个例子可以看出，如果负载电阻太大，使电源输出电流不能达到恒流值，那么恒流源的输出电压就会自动升到电源的最大输出电压，只有当负载电阻小到一定的程度，使电源输出电流达到恒流值，电源才真正处于恒流工作状态，随着负载电阻值的逐步减小，输出电压也按规律下降，以保持输出电流的恒定不变。这就是恒流的概念。总之，实际上无论是恒压电源，还是恒流电源，它
11、们本质上都是一致的，它们的输出都是电压和电流，两个量中，电源只能控制其中的一个量，要么稳住电压，要么稳住电流，另一个量是一定要由负载电阻来决定的，而负载电阻是由使用者来决定的，因而电源的两个输出量中，必然有一个由使用者来决定的，这才能符合逻辑，符合欧姆定律，才能为使用者所用，决无所谓既能给定输出电压，又能同时给定输出电流的电源。2.3 LED照明恒流驱动的优点现在很多人以为可以用恒压源给LED供电,这是很危险的.因为这会加大LED的光衰,缩短LED的使用寿命.原因是LED是一个二极管,它的伏安特性具有负温度系数的特点,通常是-2mV/度,而LED本身的效率很低,温升很高.很容易上升到8,9十度
12、以上,假定采用恒压源常温下工作在20mA,而温度升高到85度时,电流就会增加到35-37mA,而其亮度并不增加,电流增加只会使它的温升更高,这样就会增加光衰,降低寿命. 而且如果不用恒流源而用恒压源供电时,常温下工作在20mA时,到了-40度时,电流就会降低至8-10mA,亮度会降低. 假如既不用恒流源又不用恒压源供电时,例如用干电池或蓄电池供电,那么因为LED伏安特性的非线性,很小的电压变化就会引起很大的电流变化,3.3V时为20mA的LED,如果用3节干电池供电,新的电池电压超过1.5V,3节就是4.5V,LEDd1电流就会超过100mA,很快就会烧坏.1W的LED,电压变10%,电流变3
13、.5倍. 所以一定要用恒流电源供电.第3章 芯片BP28083.1选芯片的缘由 BP2808 是专门驱动LED 的恒流控制芯片。BP2808 工作在连续电流模式的降压系统中，芯片通过控制LED 峰值电流和纹波电流，从而实现LED 平均电流的恒定。芯片使用非常少的外部元器件就实现了恒流控制、模拟调光和PWM 调光等功能。连接在RT 的电阻设定MOSFET 的关断时间。每个周期开始，MOSFET 打开直到电感电流上升到峰值I V / R (mA) P REF CS = 。这时MOSFET 关断，关断时间由Toff 4 10 5 R (us) T = 决定。过了设定的关断时间， MOSFET 又重新
14、打开， 这样周而复始地工作。关断时间控制了纹波电流( )103mALT VI OFF LEDR = ，LED 平均电流( ) 2I I 1 I mA LED P R = 。对于串联固定LED个数的系统，LED 电压相对比较稳定，如果电感也固定，LED 的输出电流就恒定了。值得一提的是，理论上，LED 电流不随输入电压变化。实际上对于固定系统来说，由于系统延时，实际的峰值电流随着输入电压的升高而升高，为了补偿这个峰值电流的变化，BP2808 采用独特的方法，管脚LN 用来检测输入电压，随着输入电压升高，降低CS 的阈值电压值。比如，LN 跟VDD 的差值1V，CS 的阈值电压值降低30mV这样保
15、证系统在很宽的电压范围恒流。同样，管脚LN 也可以补偿输出电压。详见AN-211。为了达到系统效率最高，BP2808 采用独特的源极驱动功率MOSFET 的方法，使得芯片的工作电流非常低。同时把MOSFET 开关损耗的电能通过馈电二极管给芯片供电，这样大大提高了系统的效率。BP2808 的管脚DIM 可以接受模拟或PWM 调光信号。而且，DIM 端利用模拟调光方法对系统进行动态温度补偿。BP2808 还有芯片过温保护、输出LED 短路保护和输出LED 开路保护。非常适合对于系统效率要求很高的LED 日光灯和投射灯等应用。3.2芯片介绍及其应用应用于以下LED照明： 1 LED 日光灯 2 E1
16、4/PAR30/PAR38/GU10/E27 LED 射灯 3 LED 路灯 4 LED 信号灯 5 LED 景观灯特点如下： 1 源级驱动结构 2 恒流补偿技术 3 系统应用电压范围从12V 到600V 直流电压 5 输入，支持交流85V-265V 输入占空比最大可达100%。5%的输出电流精度高达95%的系统效率LED 短路保护、LED 开路保护芯片内部过温保护复用DIM 引脚进行LED 模拟调光、PWM 调光和系统动态温度补偿 第4章 LED驱动电路设计4.1 LED 发光原理及其特性介绍 50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文
17、light emitting diode(发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 LED结构图如下图所示 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时(即两
18、端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。4.2 LED恒流电源驱动芯片BP2808外围电路设计 通过对LED发光原理的认识实习，又加之对电压源的了解和芯片BP2808构造及其组成，接下来就对驱动电路进行设计。典型应用如图表（a）所示。图表（a） 典型应用图管脚描述管脚号管脚名称描述1GND信号和功率地2LN峰值阈值的线电压补偿，采样LN 和VDD 之间的电压3VDD电源输入端，必须就近接旁路电容4OUT内部功率开关的漏端，外部功率开关的源端5NC悬空6CS电流采样端，采样电阻接在CS和GND端之间7RT设定功率开关关断时间8DI
19、M开关使能、模拟和PWM 调光端 电源SPEC.输入电压: Vin=176V-265V输入频率： Fin=50HzLED电压： Vled=3.2VLED电流： Iled=20mA系统效率： =90%功率因数： PF=0.9电感电流纹波系数： IL= 65% 相关参数计算及设定：输出电压： Vout=24s*3.2V=76.8V输出电流： Iout=12p*20mA=240mA输出功率： Pout=76.8*240=18.4W电感峰值电流： ILpk=240+(240*65%)=396mA电感纹波电流： ILrp=2*(396-240)=312mA关断时间： Toff=10.8uS关键元件参数设
20、计：1、 保险管 (F1)a) 根据其应用的地区，选择满足相应认证的保险管。常见如下：美洲地区：UL（美国），CSA（加拿大）；欧洲地区：CE(欧洲)，VDE（德国），SEMKO（瑞典）,IMQ（意大利）；中国大陆：CCC日本地区：PSEb) 额定电流：IN MIN MINO MAXR V PFPI =_ 2=20/(176*0.85*90%)*2=297mA实际应用保险管电流须大于297mA。c) I2*t：计算或测量出系统的浪涌电流。根据相应的电流波形计算出I2*t 的大小。然后可根据额定电流大小和I2*t 从保险管生产商的产品目录中选出能满足要求的型号。d) 这里选择：慢断VDE 500
21、mA 5.5mm*15mm2、 滤波电容 CE1 CE2a) 电容容量为提高系统的PF 值，这里采用了逐流电路-串联充电，并联放电。在设计中，需保证Vbulk电压在任何时段都大于输出电压Vout，通常预留25%的余量。通过推导，可知：6 (0.707 1.25 ) MIN IN _ MIN IN _ MIN O _ MAXO MAXf V VCE I D =38.9uFO MAX V _取243.686.4Vdc， MAX D 0.8，IN MIN V _取176Vac， MIN 90，IN MIN f _50Hzb) 电容耐压因为逐流电路是串联冲电，所以电容两端的最高电压为：CE IN MA
22、X V V 2 _21/ 2 = =0.5*1.414*265=187V这里选用250V 耐压就够用了。c) 由于是并联放电，所以CE1，CE2 在这里选用两个22uF/250V 105的电解电容。3、 主电感 LM1a) 电感量L VOut ToffB = ILrp=76.8*10.8/0.32=2.6mHb) 绕线线径D=1.13*sqrt(Iout/J) J:为电流密度，这里取6=1.13*sqrt(0.24/6)=0.226mm这里取：0.23mmc) 磁芯由于工字电感的成本比较低，所以目前市面上用的比较多。但工字电感会有以下几个问题：镍锌工字电感。对于镍锌由于磁芯的种类太多，初始磁导
23、率从几十到一二千高斯。若没有很严格的产品检测，很难保证电感的性能。如果要用这类的电感，须对电感的磁芯芯指定具体磁芯厂家的具体型号。锰锌工字电感。对于锰锌，其初始磁导率问题就没有镍锌那么严重。但随之而来的是绝缘问题。如果要用这类的电感，磁芯先涂一层绝缘层，然后磁芯加一个绝缘底座。磁路问题。由于工字电感的磁路为开环状态，所以其抗干扰问题会比较突出，尤其是在金属材料做为灯管的应用中。所以在这里建议使用EE 型或环形的锰锌磁芯来制作主电感LB。这里使用EE-13 做为电感。用0.23mm 绕245Ts 的情况下，其Bm 值为2445Gs4、 开关管 Q1a) 耐压需大于最高输入电压时的峰值。DS IN
24、 MAX V V _ = 2 =1.414*265=374.71Vb) 电流开关管中的有效值为：O MIN MINO MAXS RMS VPI= _ 2=2*20.7/(0.9*70)=0.64A考虑降额值（25%Imos=0.64*1.25=0.8Ac) 为提高系统效率，可选择电流更大些（Rdson 小）的MOSFET。d) 这里选择ST 公司的STD2HNK60Z-1(IPAK 封装)5、 继流二极管 D5a) 耐压需大于最高输入电压时的峰值。DS IN MAX V V _ = 2 =1.414*265=374.71Vb) 电流开关管中的有效值为：Page 10 BP2808_DS_V2.
25、0 Dec 2009O MIN MINO MAXD RMS VPI= _ 2=2*20.7/(70*0.9)= 640mA考虑降额值（选25%）Idb=0.64*1.25=0.8Ac) 由于DB 工作于高频状态，尽量使用超快恢复二极管。d) 这里选择ONsemi 公司的MUR160（DO-15 封装）。6、 采样电阻 Rs1，Rs2a) 阻值L PKREFCS IR V_= 250/396=0.63b) 额定功率PRcs=0.252/0.63=0.099Wc) 这里选择Rs1，Rs2 为SMD_0805_1.211%_2 并。7、 Toff 时间设置电阻 Rt1Rt1=Toff/(4*10-5
26、)=270K这里选择SMD_0805_270K1%8、 启动及前馈补偿电阻 R15,R16，R17a) 对于启动ST MAXIN MINST LN IVR R_+ = _=176/100uA=1760K这里选择 R15,R16 为510K，b) 对于前馈补偿对于内部补偿系数，选择k 0.1%LN ST R = k R=1020*0.1%=1.02k这里R17 选1.0K9、 调光脚可以用进行模拟调光和PWM 调光两种。在不用的情况，只要悬空即可。对于模拟调光，只需要外接一个150K 的电位器就可以实验0100%调光。对于PWM 调光，建议的调光频为270Hz。4.3驱动电路分析 LED日光灯的
27、LED光源灯条电源驱动方案有很多种，目前非隔离方案因其效率高、体积小、成本低而占主流，而用PWMLED驱动控制器来做LED日光灯驱动电源的又占绝大多数。事实上传统的荧光日光灯都是非隔离方案。以AC176V264V全电压输入为例，采用BP2808为主芯片来设计负载为小功率多颗LED光源多串、多并的LED日光灯时，整个系统方案的设计方框图如图1所示。全电路由抗浪涌/雷击保护、EMI滤波、全桥整流、无源功率因素校正（PPFC）、启动电压（包括前馈补偿、开机后的馈流供电、驱动变软）、恒流补偿、PWM控制、源极驱动、LED光源阵列，以及采样电阻、Toff时间设定、储能电感、续流二极管等各部分组成。图1：
28、18W LED日光灯系统方案设计方框图 LED光源阵列设计为0.06W白光LED（SMT或草帽灯）24个串联、12串并联的方案，驱动288个小功率WLED，总功率18W。全电压18W LED日光灯开关恒流源的设计电路如图2所示，其各部分的功能如红字所标注。图中抗雷击和EMI滤波组成EMC电路，馈流供电是利用已经做在芯片内部的整流二极管来实现的。图2：18W LED日光灯的实用电路图从AC220V看进去，交流市电入口接有1A保险丝F1和抗浪涌/雷击的压敏电阻Vz1；之后是EMI滤波器，由Ld1、Lc1和Cx1、Cx2组成；DB1是全桥整流器，内部是4个高压硅二极管；CE1、CE2、R10、D2D
29、4组成无源功率因数校正电路；BP2808芯片由R15、R16启动电阻降压经R17、C3前馈补偿，并由Dz1、C2、R18与BP2808内部电路组成专利的恒流补偿电路稳压后给BP2808控制电路供电，系统启动后由于控制电路本身静态电流小，以及芯片内部存在从OUT到VCC的馈流二极管可向BP2808提供工作电源，此时电阻R15-17上通过的电流将大大降低，因而总的系统功耗也大大降低，系统效率得到明显提高。专利的源极驱动电路由MOS管Q1、D6、Rg、Rt 、Rcs与BP2808内部电路组成，其显着特点是有效降低功耗、提高恒流精度。源极驱动方式的驱动电路使系统消耗电流减少，尤其是减少了传统的高压差供
30、电通路中类似R15-17上的电流，从而降低了功耗，提高了效率。D6、Rg可使开关开通驱动变软，关断驱动保持较强，既改善EMI，又尽量不牺牲效率。与LED光源并联的输出滤波电容C0用以减少LED光源上的电流纹波。BP2808的CS端采集电流采样电阻Rs1Rs2上的峰值电流，由内部逻辑在单周期内控制OUT脚信号的脉冲占空比进行恒流控制，输出恒流与D5、LM1的续流电路合并向LED光源恒流供电。LED光源阵列组合改变时，电阻Rs1Rs2的阻值也要随之改变，使整个电路的输出电流满足LED光源阵列组合的要求。4.4 制作PCB版的关键PCB板的排列是做好产品的关键，因此PCB板的走线要按电力电子安全规范
31、要求来设计。本电路可通用于T10、T8日光灯管，因两管空间大小不同，二块PCB的宽度将不同，要降低所有零件的高度，以便放入T10、T8灯管。图3是T10恒流源板的实物照片，30个组件安装0.8 毫米厚的环氧单面印制板上。 如是设计AC85V-264V全电压输入，又要考虑PFC，可将LED光源阵列设计成0.06W白光LED 12个串联、24串并联方案。BP2808做LED日光灯电源驱动电源设计时，建议输出电压100VDC、电流600mA13第5章 LED设计总结 5.1 总结原理如图5.1所示。图5.1 图 如表5-1所示。表5-1 表 参考文献1胡国桢，石流，严家宾化工密封技术M.北京：化学工业出版社，19992(本文转自电子工程世界