LED電源

一、LED路燈電源設計方案

作為L(cháng)ED電源的一種，LED路燈電源是目前國內照明市場(chǎng)中重要的組成環(huán)節，正在逐漸取代傳統道路照明模式。就目前的路燈電源市場(chǎng)情況來(lái)看，高頻率、高可靠性逐漸成為諸多新產(chǎn)品在設計時(shí)所重點(diǎn)關(guān)注的兩個(gè)方向。下文為大家總結了三種平時(shí)比較常見(jiàn)的LED路燈電源設計方案，并將其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(lái)看，該方案的電門(mén)消耗少。將CS的電壓流動(dòng)正在0.25V，對于6串LED辨別做恒流掌握。IC會(huì )偵測FB的地位，將電壓最低那串LED流動(dòng)正在0.5V。這是因為各串LED的Vf值的總數是不一致的，發(fā)生的壓降會(huì )落正在MOS管上并會(huì )招致一些消耗。假如是正常對于Vf分BIN挑選當時(shí)的LED，消耗該當能夠掌握正在2%以?xún)?，少于正常的電門(mén)消耗。

與傳統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(wèn)題就在于A(yíng)C輸出需求較多的研制利潤。

接下來(lái)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(dòng)形式與第一種方案相類(lèi)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，在這一電源系統中，高壓側傳感如要滿(mǎn)足照明需求，則需取舍恰當的MOS管，在選對場(chǎng)效應管的前提下LED能夠串相等多的照明顆數。絕對于于A(yíng)C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設計中多了一次升溫的電門(mén)，頻率絕對于較低。與第一種方案相比，該種設計方案的長(cháng)處是構思容易、通路利潤低，其缺點(diǎn)是頻率較低。該方案在實(shí)際應用中更適合夜間照明的月光電池組或者經(jīng)過(guò)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(jiàn)的設計方案。這種設計方案的電路系統圖紙如下圖圖3所示。作為一種能夠實(shí)現模塊化設計的方案，該方案的改動(dòng)比較簡(jiǎn)單，然而其美中不足之處在于每一串都需要一個(gè)獨立的電源模塊，相比較前兩種方案來(lái)看生產(chǎn)利潤較高，而降壓的構造會(huì )讓LED的數目受只限IC的耐壓。從圖3中可以看到，在這一電源系統中的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的數目來(lái)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(cháng)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(guò)適配重輸出的路燈。其缺點(diǎn)則是通路利潤較高，且在設計的過(guò)程中LED并聯(lián)數目受限于IC耐壓。

二、LED驅動(dòng)電源的分類(lèi)及特性

1、按驅動(dòng)方式可分為兩大類(lèi)：
（1）恒流式：

a、恒流驅動(dòng)電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著(zhù)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(kāi)路。

c、 恒流驅動(dòng)電路驅動(dòng)LED是較為理想的，但相對而言?xún)r(jià)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的使用數量；

（2）穩壓式：

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

b、 穩壓電路不怕負載開(kāi)路，但嚴禁負載完全短路。

c、以穩壓驅動(dòng)電路驅動(dòng)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(huì )受整流而來(lái)的電壓變化影響。

2、按電路結構方式分類(lèi)

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

（2）電阻降壓方式：通過(guò)電阻降壓，受電網(wǎng)電壓變化的干擾較大，不容易做成穩壓電源，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，而且系統的可靠也較低。

（3）常規變壓器降壓方式：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(kāi)關(guān)電源：穩壓范圍比較寬、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，開(kāi)關(guān)頻率不容易控制，負載電壓波紋系數也比較大，異常負載適應性差。

（6）PWM控制方式開(kāi)關(guān)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穩壓控制部分、開(kāi)關(guān)能量轉換部分。PWM開(kāi)關(guān)穩壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號與基準信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調節主電路開(kāi)關(guān)器件導通的脈沖寬度，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流穩定（即相應穩壓電源或恒流電源）。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(cháng)、發(fā)光強度、光通亮、色溫、工作電壓、反向擊穿電壓等幾個(gè)關(guān)鍵參數進(jìn)行測試與分選。LED的測試與分選是LED生產(chǎn)過(guò)程中的一項必要工序。目前，它是許多LED芯片和封裝廠(chǎng)商的產(chǎn)能瓶頸，也是LED芯片生產(chǎn)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(jìn)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(guò)程需要精確的機械和圖像識別系統，這使得設備的造價(jià)變得很高，而且測試速度受到限制?，F在的LED芯片測試分選機價(jià)格約在100萬(wàn)元人民幣\臺，其測試速度在每小時(shí)10000只左右。如果按照每月25天計算，每一臺分選機的產(chǎn)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(diǎn)是可靠，但速度很慢，產(chǎn)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(gè)芯片的位置和參數，然后把這些數據傳遞到分選設備上，進(jìn)行快速分選、這樣做的優(yōu)點(diǎn)是快速，但缺點(diǎn)是可靠性比較低，容易出錯，因為在測試與分選兩個(gè)步驟之間通常還有襯底減薄和芯片分離的工藝過(guò)程，而在這個(gè)過(guò)程中，外延片有可能碎裂、局部殘缺碎裂或局部殘缺，使得實(shí)際的芯片分布與儲存在分選機里的數據不符，造成分選困難。

從根本上解決芯片測試分選瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵是改善外延片均勻性。如果一片外延片波長(cháng)分布在2nm之內，亮度的變化在+15%之內，則可以將這個(gè)片子上的所有芯片歸為一檔（Bin），只要通過(guò)測試把不合格的芯片去除即可，將大大增加芯片的產(chǎn)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(chǎn)品較多”的芯片區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(huì )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(chǎng)無(wú)法接受的水平。

（2）LED的測試分選

封裝后的LED可以按照波長(cháng)、發(fā)光強度、發(fā)光角度以及工作電壓等進(jìn)行測試分選。其結果是把LED分成很多檔（Bin）和類(lèi)別，然后測試分選機會(huì )自動(dòng)地根據設定的測試標準把LED分裝在不同的Bin盒內。由于人們對于LED的要求越來(lái)越高，早期的分選機是32Bin，后來(lái)增加到64Bin，現在已有72Bin的商用分選機。即使這樣，分Bin的LED技術(shù)指標仍然無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)和市場(chǎng)的需求。

LED測試分選機是在一個(gè)特定的工作臺電流下（如20mA），對LED進(jìn)行測試，一般還會(huì )做一個(gè)反向電壓值的測試?，F在的LED測試分選機價(jià)格約在40~50萬(wàn)人民幣/臺，其測試速度在每小時(shí)18000只左右。如果按照每月25天，每天20小時(shí)的工作時(shí)間計算，每一臺分選機的產(chǎn)能為每月9KK。

大型顯示屏或其他高檔應用客戶(hù)，對LED的質(zhì)量要求較高。特別是在波長(cháng)與亮度一致性的要求上很?chē)栏?。假如LED封裝廠(chǎng)在芯片采購時(shí)沒(méi)有提出嚴格的要求，則這些封裝廠(chǎng)在大量的封裝后會(huì )發(fā)現，封裝好的LED中只有很少數量的產(chǎn)品能滿(mǎn)足某一客戶(hù)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(chǎng)在采購LED芯片時(shí)提出嚴格的要求，特別是波長(cháng)、亮度和工作臺電壓的指標；比如，過(guò)去對波長(cháng)要求是+2nm，而現在則要求為+1nm，甚至在某些應用上，已提出+0.5nm的要求。這樣對于芯片廠(chǎng)就產(chǎn)生了巨大的壓力，在芯片銷(xiāo)售前必須進(jìn)行嚴格的分選。

從以上關(guān)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(jìn)行測試分選。但是由于LED的種類(lèi)繁多，有不同的形式，不現的形狀，不同的尺寸，不同的發(fā)光角度，不同的客戶(hù)要求，不同的應用要求，這使用權得完全通過(guò)LED測試分選取進(jìn)行產(chǎn)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(gè)波長(cháng)段和亮度段的范圍，一個(gè)封裝廠(chǎng)很難準備全部客戶(hù)需要的各種形式和種類(lèi)的LED。所以問(wèn)題的關(guān)鍵又回到MOCVD的外延工藝過(guò)程，如何生長(cháng)出所需波長(cháng)及亮度的LED外延片是降低成本的關(guān)鍵點(diǎn)，這個(gè)問(wèn)題不解決，LED的產(chǎn)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(wèn)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(chǎng)商提供，而LED的測試分選設備大多由臺灣地區、香港廠(chǎng)商提供，中國大陸還沒(méi)有能提供類(lèi)似設備的廠(chǎng)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）和一套系統軟件，而這三部分分別由不同廠(chǎng)家提供再集成起來(lái)；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(shù)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(zhù)W級功率LED技術(shù)的發(fā)展，傳統LED產(chǎn)品參數檢測標準及測試方法已不能滿(mǎn)足照明應用的需要，須開(kāi)發(fā)全新的測試標準和方法，包含更多的與照明相關(guān)的光學(xué)內容。

（3）在LED系統壽命測試中，研發(fā)LED系統的長(cháng)期性能和壽命快速測定評價(jià)技術(shù)。

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

四、設計LED驅動(dòng)電源的一些建議

1、LED電流大小

大家都知道LEDripple過(guò)大的話(huà)，LED壽命會(huì )受到影響，影響有多大，但目前沒(méi)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(dòng)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(kāi)關(guān)損耗和導通損耗。LED是電驅動(dòng)應用，開(kāi)關(guān)損害要遠大于導通損耗。開(kāi)關(guān)損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅動(dòng)能力和工作頻率有關(guān)，所以要解決功率管的發(fā)熱可以從以下幾個(gè)方面解決：

A、不能片面根據導通電阻大小來(lái)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(dòng)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(shí)，首先要想想是不是頻率選擇的有點(diǎn)高。當頻率降低時(shí)，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(jìn)入飽和區域。如果電感飽和電流夠大，可以考慮將CCM(連續電流模式)改變成DCM(非連續電流模式)，這樣就需要增加一個(gè)負載電容了。

4、工作頻率降頻

降頻主要由兩個(gè)方面導致。輸入電壓和負載電壓的比例小、系統干擾大。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(huì )高點(diǎn)。

對于后者，可以嘗試以下幾個(gè)方面：a、將最小電流設置的再小點(diǎn);b、布線(xiàn)干凈點(diǎn)，特別是sense這個(gè)關(guān)鍵路徑;c、將電感選擇的小點(diǎn)或者選用閉合磁路的電感;d、加RC低通濾波吧，這個(gè)影響有點(diǎn)不好，C的一致性不好，偏差有點(diǎn)大，不過(guò)對于照明來(lái)說(shuō)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(guò)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(dòng)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(lái)工作,才能使總的電能利用效率超過(guò)80%。

根據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(lái)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(shí)還可以組合出6種彩色光線(xiàn),滿(mǎn)足人們對變換彩光的喜好。

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