LED電源

一、LED路燈電源設計方案

作為LED電源的一種，LED路燈電源是目前國內照明市場中重要的組成環(huán)節(jié)，正在逐漸取代傳統(tǒng)道路照明模式。就目前的路燈電源市場情況來看，高頻率、高可靠性逐漸成為諸多新產品在設計時所重點關注的兩個方向。下文為大家總結了三種平時比較常見的LED路燈電源設計方案，并將其優(yōu)缺點進行了比較。

首先要為大家分享的LED路燈電源方案，是一種間接AC輸出，對于6串LED辨別做恒流掌握的設計方案。這種設計思路是目前市面上頻率最高、通路利潤最低的設計方案，其電路設計圖如下圖圖1所示。從圖1中可以看到，在這種LED電源方案中，間接用光電嚙合器對于高級側通路停止回溯掌握，調理輸入電壓。相比較此前國內應用的一些照明方案來看，該方案的電門消耗少。將CS的電壓流動正在0.25V，對于6串LED辨別做恒流掌握。IC會偵測FB的地位，將電壓最低那串LED流動正在0.5V。這是因為各串LED的Vf值的總數(shù)是不一致的，發(fā)生的壓降會落正在MOS管上并會招致一些消耗。假如是正常對于Vf分BIN挑選當時的LED，消耗該當能夠掌握正在2%以內，少于正常的電門消耗。

與傳統(tǒng)的路燈照明設計方案相比，這種新型方案的優(yōu)勢是頻率高、利潤低，適用于能夠用AC間接輸出的路燈。相對應的，這一方案最大的問題就在于AC輸出需求較多的研制利潤。

接下來要為大家分享的第二種LED電源方案是一種DC或者電池組輸出，對于6串LED辨別做恒流掌握的路燈照明設計。該方案中主要采納多串的升溫構造設想，其本身的LED驅動形式與第一種方案相類似，而二者之間的主要不同則在于由AC輸出改為DC或者是由電池組輸出，該方案的電路設計圖紙如下圖圖2所示。

從圖2的設計圖中我們可以看到，在這一電源系統(tǒng)中，高壓側傳感如要滿足照明需求，則需取舍恰當?shù)腗OS管，在選對場效應管的前提下LED能夠串相等多的照明顆數(shù)。絕對于于AC輸出的計劃，這種設計方案是比較容易的，但是因為在這一電源系統(tǒng)設計中多了一次升溫的電門，頻率絕對于較低。與第一種方案相比，該種設計方案的長處是構思容易、通路利潤低，其缺點是頻率較低。該方案在實際應用中更適合夜間照明的月光電池組或者經(jīng)過適配重輸出的路燈。

單串降壓構造的LED路燈電源，是我們要為大家分享的第三種比較常見的設計方案。這種設計方案的電路系統(tǒng)圖紙如下圖圖3所示。作為一種能夠實現(xiàn)模塊化設計的方案，該方案的改動比較簡單，然而其美中不足之處在于每一串都需要一個獨立的電源模塊，相比較前兩種方案來看生產利潤較高，而降壓的構造會讓LED的數(shù)目受只限IC的耐壓。從圖3中可以看到，在這一電源系統(tǒng)中的LED至多串到14顆，假如要設想20W的燈條，就需求運用700mA的LED。為了使頻率到達最高，必須對準于LED的數(shù)目來調理輸出電壓，也就是適配重的輸入電壓。以10顆LED為例，假如要到達最高頻率，就必需把輸出電壓調到約42V內外。

與上文中所介紹的兩種方案相比，這一LED電源設計方案的長處是降壓構造頻率較高、單串設計和配置的靈敏度比較高，宜經(jīng)過適配重輸出的路燈。其缺點則是通路利潤較高，且在設計的過程中LED并聯(lián)數(shù)目受限于IC耐壓。

二、LED驅動電源的分類及特性

1、按驅動方式可分為兩大類：
（1）恒流式：

a、恒流驅動電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高；

b、 恒流電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。

c、 恒流驅動電路驅動LED是較為理想的，但相對而言價格較高。

d、應注意所使用最大承受電流及電壓值，它限制了LED的使用數(shù)量；

（2）穩(wěn)壓式：

a、當穩(wěn)壓電路中的各項參數(shù)確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化；

b、 穩(wěn)壓電路不怕負載開路，但嚴禁負載完全短路。

c、以穩(wěn)壓驅動電路驅動LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均；

d、 亮度會受整流而來的電壓變化影響。

2、按電路結構方式分類

（1）電阻、電容降壓方式：通過電容降壓，在閃動使用時，由于充放電的作用，通過LED的瞬間電流極大，容易損壞芯片。易受電網(wǎng)電壓波動的影響，電源效率低、可靠性低。

（2）電阻降壓方式：通過電阻降壓，受電網(wǎng)電壓變化的干擾較大，不容易做成穩(wěn)壓電源，降壓電阻要消耗很大部分的能量，所以這種供電方式電源效率很低，而且系統(tǒng)的可靠也較低。

（3）常規(guī)變壓器降壓方式：電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有45%～60%，所以一般很少用，可靠性不高。

（4）電子變壓器降壓方式：電源效率較低，電壓范圍也不寬，一般180～240V，波紋干擾大。

（5）RCC降壓方式開關電源：穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高，一般可以做到70%～80%，應用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù)，開關頻率不容易控制，負載電壓波紋系數(shù)也比較大，異常負載適應性差。

（6）PWM控制方式開關電源：主要由四部分組成，輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩(wěn)壓控制部分、開關能量轉換部分。PWM開關穩(wěn)壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調節(jié)主電路開關器件導通的脈沖寬度，使得開關電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定（即相應穩(wěn)壓電源或恒流電源）。電源效率極高，一般可以做到80%～90%，輸出電壓、電流穩(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護措施，屬高可靠性電源。

三、LED電源選型方法、設備及發(fā)展趨勢

LED通常按照主波長、發(fā)光強度、光通亮、色溫、工作電壓、反向擊穿電壓等幾個關鍵參數(shù)進行測試與分選。LED的測試與分選是LED生產過程中的一項必要工序。目前，它是許多LED芯片和封裝廠商的產能瓶頸，也是LED芯片生產和封裝成本的重要組成部分。

1. LED的分選方法

LED的分選有兩種方法：一是以芯片為基礎的測試分選，二是對封裝好的LED進行測試分選。

（1）芯片的測試分選

LED芯片分選難度很大，主要原因是LED芯片尺寸一般都很小，從9mil到14mil（0.22-0.35nm）。這樣小的芯片需要微探針才能夠完成測試，分選過程需要精確的機械和圖像識別系統(tǒng)，這使得設備的造價變得很高，而且測試速度受到限制。現(xiàn)在的LED芯片測試分選機價格約在100萬元人民幣\臺，其測試速度在每小時10000只左右。如果按照每月25天計算，每一臺分選機的產能為每月5KK。

目前，芯片的測試分選有兩種方法：一種方法是測試分選由同一臺機器完成，它的優(yōu)點是可靠，但速度很慢，產能低；另一種方法是測試和分選由兩臺機器完成，測試設備記錄下每個芯片的位置和參數(shù)，然后把這些數(shù)據(jù)傳遞到分選設備上，進行快速分選、這樣做的優(yōu)點是快速，但缺點是可靠性比較低，容易出錯，因為在測試與分選兩個步驟之間通常還有襯底減薄和芯片分離的工藝過程，而在這個過程中，外延片有可能碎裂、局部殘缺碎裂或局部殘缺，使得實際的芯片分布與儲存在分選機里的數(shù)據(jù)不符，造成分選困難。

從根本上解決芯片測試分選瓶頸問題的關鍵是改善外延片均勻性。如果一片外延片波長分布在2nm之內，亮度的變化在+15%之內，則可以將這個片子上的所有芯片歸為一檔（Bin），只要通過測試把不合格的芯片去除即可，將大大增加芯片的產能和降低芯片的成本。在均勻性不是很好的情況下，也可以用測試并把“不合格產品較多”的芯片區(qū)域用噴墨涂抹的方式處理掉，從而快速地得到想要的“合格”芯片，但這樣做的成本太高，會把很多符合其他客房要求的芯片都做為不合格證的廢品處理，最后核算出的芯片成本可能是市場無法接受的水平。

（2）LED的測試分選

封裝后的LED可以按照波長、發(fā)光強度、發(fā)光角度以及工作電壓等進行測試分選。其結果是把LED分成很多檔（Bin）和類別，然后測試分選機會自動地根據(jù)設定的測試標準把LED分裝在不同的Bin盒內。由于人們對于LED的要求越來越高，早期的分選機是32Bin，后來增加到64Bin，現(xiàn)在已有72Bin的商用分選機。即使這樣，分Bin的LED技術指標仍然無法滿足生產和市場的需求。

LED測試分選機是在一個特定的工作臺電流下（如20mA），對LED進行測試，一般還會做一個反向電壓值的測試?，F(xiàn)在的LED測試分選機價格約在40~50萬人民幣/臺，其測試速度在每小時18000只左右。如果按照每月25天，每天20小時的工作時間計算，每一臺分選機的產能為每月9KK。

大型顯示屏或其他高檔應用客戶，對LED的質量要求較高。特別是在波長與亮度一致性的要求上很嚴格。假如LED封裝廠在芯片采購時沒有提出嚴格的要求，則這些封裝廠在大量的封裝后會發(fā)現(xiàn)，封裝好的LED中只有很少數(shù)量的產品能滿足某一客戶的要求，其余大部分將變成倉庫里的存貨。這種情形迫使LED封裝廠在采購LED芯片時提出嚴格的要求，特別是波長、亮度和工作臺電壓的指標；比如，過去對波長要求是+2nm，而現(xiàn)在則要求為+1nm，甚至在某些應用上，已提出+0.5nm的要求。這樣對于芯片廠就產生了巨大的壓力，在芯片銷售前必須進行嚴格的分選。

從以上關于LED與LED芯片分選取的分析中可以看出，比較經(jīng)濟的做法是對LED進行測試分選。但是由于LED的種類繁多，有不同的形式，不現(xiàn)的形狀，不同的尺寸，不同的發(fā)光角度，不同的客戶要求，不同的應用要求，這使用權得完全通過LED測試分選取進行產品的分選變得很難操作。而且目前LED的應用主要分布在幾個波長段和亮度段的范圍，一個封裝廠很難準備全部客戶需要的各種形式和種類的LED。所以問題的關鍵又回到MOCVD的外延工藝過程，如何生長出所需波長及亮度的LED外延片是降低成本的關鍵點，這個問題不解決，LED的產能及成本仍將得不到完全解決。但在外延片的均勻度得到控制以前，比較行之有效的方法是解決快速低成本的芯片分選問題。

2. 分選設備

目前，LED芯片的測試分選設備主要由美國和日本廠商提供，而LED的測試分選設備大多由臺灣地區(qū)、香港廠商提供，中國大陸還沒有能提供類似設備的廠家。LED芯片分選機主要包括兩大硬件部分（機器手、微探針和光電測試儀）和一套系統(tǒng)軟件，而這三部分分別由不同廠家提供再集成起來；而LED測試分選取機則包括LED的機械傳輸，儲存和光電測試兩部分。

3. LED分選取技術發(fā)展趨勢

（1）在外延片的均勻度得到控制以前，研發(fā)快速低成本芯片分選工藝和設備。

（2）隨著W級功率LED技術的發(fā)展，傳統(tǒng)LED產品參數(shù)檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要，須開發(fā)全新的測試標準和方法，包含更多的與照明相關的光學內容。

（3）在LED系統(tǒng)壽命測試中，研發(fā)LED系統(tǒng)的長期性能和壽命快速測定評價技術。

（4）照明用LED是處于大電流驅動下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。傳統(tǒng)LED的篩選方式不合適照明用大功率LED，必須開發(fā)新的篩選試驗辦法，剔除早期失效品，保證產品的可靠性。

四、設計LED驅動電源的一些建議

1、LED電流大小

大家都知道LEDripple過大的話，LED壽命會受到影響，影響有多大，但目前沒有具體的指標。

2、芯片發(fā)熱

這主要針對內置電源調制器的高壓驅動芯片，降低芯片的功耗，不要引入額外的功耗，做好散熱。

3、功率管發(fā)熱

功率管的功耗分成兩部分，開關損耗和導通損耗。LED是電驅動應用，開關損害要遠大于導通損耗。開關損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅動能力和工作頻率有關，所以要解決功率管的發(fā)熱可以從以下幾個方面解決：

A、不能片面根據(jù)導通電阻大小來選擇MOS功率管，因為內阻越小，cgs和cgd電容越大。

B、剩下的就是頻率和芯片驅動能力了，這里只談頻率的影響。頻率與導通損耗也成正比，所以功率管發(fā)熱時，首先要想想是不是頻率選擇的有點高。當頻率降低時，為了得到相同的負載能力，峰值電流必然要變大或者電感也變大，這都有可能導致電感進入飽和區(qū)域。如果電感飽和電流夠大，可以考慮將CCM(連續(xù)電流模式)改變成DCM(非連續(xù)電流模式)，這樣就需要增加一個負載電容了。

4、工作頻率降頻

降頻主要由兩個方面導致。輸入電壓和負載電壓的比例小、系統(tǒng)干擾大。對于前者，注意不要將負載電壓設置的太高，雖然負載電壓高，效率會高點。

對于后者，可以嘗試以下幾個方面：a、將最小電流設置的再小點;b、布線干凈點，特別是sense這個關鍵路徑;c、將電感選擇的小點或者選用閉合磁路的電感;d、加RC低通濾波吧，這個影響有點不好，C的一致性不好，偏差有點大，不過對于照明來說應該夠了。

5、電感或者變壓器的選擇

鑒于大功率發(fā)光二極管工作電壓僅為3V,通過全橋整流將220V交流電變成直流電,在全橋上的電壓降約為1.8V,只驅動一只發(fā)光二極管工作的電能利用效率僅為60%。必須把3只以上發(fā)光二極管串聯(lián)起來工作,才能使總的電能利用效率超過80%。

根據(jù)三基色合成白光原理,將紅、綠、藍3只1W大功率發(fā)光二極管串聯(lián)起來工作,就可以獲得相當于3W發(fā)白光的LED所達到的亮度 。同時還可以組合出6種彩色光線,滿足人們對變換彩光的喜好。

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