白光LED的应用与驱动

郑久云韩志刚,罗胜钦:白光LED的应用与驱动文章编号:1006-6268(200908-0043-04白光LED的应用与驱动技术交郑久云,韩志刚,罗胜钦上海同济大学电子与信息学院,上海201800)摘要:随着地球能源的不断消耗和人们对绿色产品的追求,高效无污染的白光LED越来越受到人们的青睐。文中讨论了白光LED的几种主要驱动方式,并以PT4115驱动芯片为例阐逑开关电源驱动电路的原理与应用关键词:白光LED;开关电源;PWM调光中图分类号:TN431文献标识码:AThe Application and Driver of White-light LEDZHENG Jiu- Yun, HAN Zhi-gang, LUO Sheng-qinCollege of Electronics and information Engineering, Tongji University,Shanghai 201800, China)Abstract: With the constant consumption of energy and the people' s pursuit of the greenproduct, LED becomes more and more popular In this article we will describe severalmethods of driving white LEDs and theory of driver used in switching power with PT4115Keywords: white-light LED; switching power; PWM dimming1LED的应用性,使LED可以直接嵌入到产品之中,而无须考虑更换。因为在这个时间内,很多东西都已经要报废处理,LED照明被称为第4代照明技术,正以飞快的所以可以大大简化一些产品的设计;另外,无污染,无速度向前发展。LED如此受到人们的青睐,是由于它辐射。白光LED中不含汞等有害重金属,可以回收利所具备的各项优点正符合了现在人们的追求。第一用,而且无辐射是真正的绿色光源LED具有很高的效率。由于能源的不断消耗,人们对由于这些优点,LED正不断地应用到社会的各高效的产品显然更感兴趣。在传统照明中普遍应用白个领域之中。炽灯而白炽灯的热损耗高达95%,大部分的电能转LED指示灯市场。这是LED最常规最普遍变成了热能而耗散掉。在后来应用的荧光灯中功率的应用之一,这个市场的需求量大,但是对LED的损耗仍高达80%。而随着LED不断地发展,现在它质量要求一般不是很高价格比较便宜;的效率已经可以达到80%以上,极大提高了能源的显示屏市场。这个市场是LED的主要应用利用率;第二,超长的寿命。LED在适当的电流和电市场中国煤化工站广场等各个地压下工作,使用寿命可以长达10万小时。这也是常规方比较好,因此价格照明用灯所无法比拟的一个优势。这样的长寿命特会CNMH、,在也很活跃,整体市场超过指示灯市场。凭借着独特优势,LED全彩显收稿日期:2009-06-09g20,0第103期现代显示 Advanced Display43郑久云韩志刚罗胜钦:白光LED的应用与驱动示屏广泛应用在体育场馆、市政广场、演唱会、车站、这个市场之中。现在,在一些诸如酒店、商务会馆、高机场等场所档商用写字楼等商用场所已有所应用。三、背光源市场。中大尺寸将成为新关注点。LED早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光市场2LED的驱动与调光技中,手机产量的持续增长带动了背光源市场的发展交彩屏手机的出现更是推动了白光LED市场的快速发目前,作为光源使用的主要有 RGB LED和白光展。但随着手机产量进入平稳增长阶段以及技术提升LED。基于不同的原理,它们的驱动方案有所不同,导致用于手机液晶面板背光源的LED数量减少,使因此在应用设计时,必须考虑采用哪种LED。前者相得LED在手机背光源中用量增速放缓,加上平均价比后者,有更广的色谱,因此在显示屏上能够更好地格的不断下降,最终导致小尺寸背光源市场增长乏还原图像的原貌,但同时也使得驱动方案更复杂和力。现在LED已经应用于笔记本电脑的背光源和大代价庞大。在价格敏感的产品中,采用白光LED其屏幕彩色电视的背光源,中大尺寸背光源市场虽为厂实也是可以接受的方案。事实上,目前市场上的产品商新宠,但是目前规模还不是很大,需要在技术继续也是以白光LED为主。下面我们主要探讨白光LED突破、价格继续下降后,规模将逐渐扩大;的驱动四、汽车市场。目前LED在汽车上的应用最主要的还是在汽车内部,比如内部指示灯、仪表盘、阅21恒流驱动和恒压驱动读灯等。但是如果能把LED应用到汽车的尾灯和前白光LED本质上是一个二极管结构,流过的电压灯上,市场将是巨大的。但是从目前来看,尾灯和前和电流之间有着典型的指数关系。在器件导通后,端电灯的应用市场才刚刚起步不久,大规模引用还需要压的微小变化就会引起比较大的导通电流的改变,而时间。这是因为LED的发光效率和亮度还需不断提电流的变化不仅影响亮度还会影响白光的质量,引起高,价格要下降,同时国家如果能够在政策上加以鼓色偏,这是我们在应用中理应避免的。因此,对白光励和扶持,那么相信不久的将来,这将是一个推动LED的恒流驱动方式就会优于恒压驱动方式LED继续高速向前发展的一个重要因素;五、窒内装饰灯市场逐步启动。室内装饰灯市场是LED的另一新兴市场。通过电流的控制,LED可22开关电源和电荷泵驱动以实现几百种甚至上千种颜色的变化。在当前讲究白光LED的驱动电路类型,市场上主要分为两类:一个是有电感的基于开关电源方式的驱动电路,个性化的时代中,LED颜色的多样化有助于LED装如图1所示;另一种就是电荷泵,如图2所示。饰灯市场的发展。LED已经开始做成小型装饰灯,应开关电源的基本原理是在开关闭合的时候,电用在酒店、居室中装饰幕墙源对负载供电,同时对电感充电,电感存储能量,当六、景观照明市场。这个市场目前正快速发展。景观照明市场主要以街道、广场等公共场所装饰照明为开关断开时,负载和电感通过续流二极管形成回路,电感释放能量。主,推动力量主要来自于政府。由于2008年北京奥运会和2010年上海世博会的影响,北京、上海等举在实际电路中,开关管一般用功率MOS管代替。由于开关管不断的开启和闭合,开关管处于间歇办地加快了景观照明的步伐。LED在景观照明中具有广阔的前景,主要是它的功耗低,在大型景观照明工作状态,电路的效率会比较高,但这个同时也带来中具有很大的优势。目前,LED已经越来越多地应用了电路的EM|问题。为了解决开关电源的EM问题,除了采用常规到景观照明市场中,相信这个市场会快速地发展;的方法比如采用滤波器或者切断传播途径等手段七、通用照明市场。对于进入通用照明市场而言白光LED面临着诸多问题,比如发光效率低、散热不外,还可以在源头上考虑解决的方法。在开关电路好、成本过高等问题,同时目前还没有一个通用的中国煤化射的能量峰值主要此可以考虑把辐射LED照明标准,普遍应用起来还将是一个漫长的过中集的CNMH技术可以达到这样程。但是LED具有的种种优点必将使它最终进入到的目的。频率抖动的原理是开关频率不固定,呈周期44现代显示 Advanced displayAug2009,总第103期郑久云韩志刚,罗胜钦:白光LED的应用与驱动contr。控制器E+_RLVD比较器技术交流图1性变化。因此在电路中需要采用频率抖动电路来产生周期性的开关频率。这个方法能比较有效地解决电路的EM问题。相比之下,电荷泵类型驱动器,不存在EM的图2问题。电荷泵的基本原理是在一段时间内不断对电电能转换效率随着输出电流的减小而急速下降。所以,容进行充放电和改变电容的连接关系,从而得到不用模拟调光技术时系统的效率会比较低。同的输出电压,但是电荷泵输出的电压缺少连续性,在输入电压比较高时,效率会比较低。2.42PWM调光PWM调光的原理是利用人们的视觉残留效23串联驱动和并联驱动应,当LED亮暗变化频率大于100Hz时,人们就不根据LED的连接方式可以分为串联驱动和并会感觉到闪烁,而认为灯是一直亮着的。联驱动。采用串联方式驱动的LED之间,将会有极PWM调光利用脉冲信号,反复开关白光功率好的电流匹配性,流过各个LED的电流相等,发出开关。这种方式的调光只需要改变输入脉冲信号的的白光质量几乎一致。但是这样的驱动方式所要求占空比,即可简单地实现改变LED的亮度。PWM的驱动电压高,是串联的所有LED驱动电压之和。调光的优点在于能够提供高质量的白光,因为在采用并联驱动方式的LED之间有相同的驱动电压,LED导通时流过的电流是恒定的。电流的匹配性不如采用串联驱动,但是所需驱动电当输入的PWM波在一个周期中,高电平时,开启压很低,只是一个LED的驱动电压即可。功率开关管,LED导通,电流恒定;而在低电平期间,通路关闭,流过LED的电流为零。这样MOS管根据输24模拟调光和PWM调光入频率快速反复进行开关,可以知道,只要导通时流过24.1模拟调光的电流大小是恒定的,发出的白光就不会发生色偏,而模拟调光是直接改变流过LED的电流的大小,且只要频率大于100Hz,人眼是察觉不到闪烁的。从而调节亮度。但是从前面的论述得知,当流过LED但是,PWM调光也有其劣势。首先是控制器比的电流发生变化时,除了亮度会改变以外,也会影响较复杂;其次则是驱动电路很容易产生人们听得到白光的质量,即不同电流下发出的白光有色偏。这在的噪声。因为这种驱动器一般都属于开关电源器件某些对白光质量要求比较高的场合是不适用的,比当开关频率落在200Hz到20kH之间时,会使得电如LcD的背光应用。但是这种调光方式的电路简感中的线圈之间相互产生机械振动,电感发出的噪单,调节的精度也比较高,因此在要求不高的场合还声就能够被人耳听到。所以为了避免PWM调光时是会获得一些应用。产生可听得见的噪声,白光LED驱动器应能够提供模拟调光最大的优势是它避免了调光时所产生的超出人耳可听见范围的调光频率噪声。在采用模拟调光技术时,LED的正向导通压降会随着LED电流的减小而降低,使得白光LED的能耗3凵中国煤化k的典型应用也有所降低。但是有别于PWM调光技术,在模拟调光CNMHG时白光LED驱动器始终处于工作模式,并且驱动器的PT4115是一款基于开关电源的白光LED驱动Aug2009,总第103期现代显示 Advanced Display45郑久云韩志刚,罗胜钦:白光LED的应用与驱动器,可以用于驱动一个或者多个串联LED。它主要应用在车载LED灯、LED备用灯、LED信号灯等场合。图3是芯片的应用框图,该芯片内部集成功率管,采电压调整器用高端电阻检测法,外围电路极其简单,只需要4个抆元器件,即使与电荷泵驱动电路相比,整个电路占用基准电压电流交的空间也显得非常小。做神内+比较器>→输出驱动调光模块温度保护DVIN CSN调光模块和比较器组成电路的功能模块。通过外部的输入直流电压或者输入PWM波,调光模块DIMDIMPT4115输出电压与比较器比较后输出高低电平来驱动功率GND开关管,从而来控制流过LED的电流。逻辑电路则是实现频率抖动的关键。逻辑电路图3选择不同的电压作为比较器的比较电压,从而改变PT4115是一款降压型的驱动芯片。输出电流最开关管的开关频率,实现频率抖动,把能量分散到各高可以达到12A。通过芯片上的DM端可以方便频率点上,大大减小了EM。的进行模拟或PWM调光。保护模块包括温度保护和欠压保护,保护电路模拟调光时,DM端电压要在O5到25之在异常工作状态下及时关闭芯片,使电路免遭破坏,间。电流大小为而在情况恢复正常时,芯片重新开始工作。0.1xV-25×4结论VmM为DM端直流电位,R5为采样电阻的大随着LED技术的不断突破和创新,LED在社会数字调光时DM端输入方波脉冲信号,方波幅生活中必将扮演越来越重要的角色。同时开发高效值应该超过25V但是应小于5V。电流大小为的LED驱动器也是使LED能够广泛应用的保证。0.1×D,(0≤D≤100%)参考文献D为方波信号的占空比。1时斌大功率LED太阳能照明系统相关电路设计中但是如果方波信号幅值小于25时,电流国照明电器2007.1的计算如下所示2 Tony Armstrong.RGB与白光LED如何取舍J电子与VM×01×D电脑20086.25×3105Ww≤25)3]付佳升压型双模式PM+LED驱动芯片设计D杭州浙江大学2007图4为芯片的内部原理图,芯片主要有电压调4]周正王世山频率抖动技术抑制变换器电磁干整器、带隙基准、调光模块、比较器、逻辑电路和保护扰分析J通信电源技术,2008,251)电路组成电压调整器的作用是输入电压变成逻辑电平电作者简介:郑久云,上海同济大学电子与信息学院在压给低压电路和逻辑电路供电,带隙基准则是给电读中国煤化工芯片设计,E-malt路提供各种基准电压或者电流。只有这两个模块正CNMHG常工作后,其他模块才能正常工作。46现代显示 Advanced DisAug2009,总第103期