LED電源-LED電源驅(qū)動三種設(shè)計方案及選型方法和技術(shù)趨勢-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-05-17
作為LED電源的一種，LED路燈電源是目前國內(nèi)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(chǎn)品在設(shè)計時所重點(diǎn)關(guān)注的兩個方向。下文為大家總結(jié)了三種平時比較常見的LED路燈電源設(shè)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(shè)計方案。這種設(shè)計思路是目前市面上頻率最高、通路利潤最低的設(shè)計方案，其電路設(shè)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(cè)通路停止回溯掌握，調(diào)理輸入電壓。相比較此前國內(nèi)應(yīng)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?yàn)楦鞔甃ED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(dāng)時的LED，消耗該當(dāng)能夠掌握正在2%以內(nèi)，少于正常的電門消耗。
與傳統(tǒng)的路燈照明設(shè)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(yīng)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(shè)計。該方案中主要采納多串的升溫構(gòu)造設(shè)想，其本身的LED驅(qū)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(shè)計圖紙如下圖圖2所示。
從圖2的設(shè)計圖中我們可以看到，在這一電源系統(tǒng)中，高壓側(cè)傳感如要滿足照明需求，則需取舍恰當(dāng)?shù)腗OS管，在選對場效應(yīng)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(shè)計方案是比較容易的，但是因?yàn)樵谶@一電源系統(tǒng)設(shè)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(shè)計方案的長處是構(gòu)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(yīng)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(gòu)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(shè)計方案。這種設(shè)計方案的電路系統(tǒng)圖紙如下圖圖3所示。作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化設(shè)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(dú)立的電源模塊，相比較前兩種方案來看生產(chǎn)利潤較高，而降壓的構(gòu)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(shè)想20W的燈條，就需求運(yùn)用700mA的LED。為了使頻率到達(dá)最高，必須對準(zhǔn)于LED的數(shù)目來調(diào)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(dá)最高頻率，就必需把輸出電壓調(diào)到約42V內(nèi)外。
與上文中所介紹的兩種方案相比，這一LED電源設(shè)計方案的長處是降壓構(gòu)造頻率較高、單串設(shè)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(diǎn)則是通路利潤較高，且在設(shè)計的過程中LED并聯(lián)數(shù)目受限于IC耐壓。
a、恒流驅(qū)動電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負(fù)載阻值小，輸出電壓就低，負(fù)載阻值越大，輸出電壓也就越高；
b、 恒流電路不怕負(fù)載短路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全開路。
c、 恒流驅(qū)動電路驅(qū)動LED是較為理想的，但相對而言價格較高。
d、應(yīng)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；
a、當(dāng)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(fù)載的增減而變化；
b、 穩(wěn)壓電路不怕負(fù)載開路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全短路。
c、以穩(wěn)壓驅(qū)動電路驅(qū)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。
（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(guān)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(yīng)用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù)，開關(guān)頻率不容易控制，負(fù)載電壓波紋系數(shù)也比較大，異常負(fù)載適應(yīng)性差。
（6）PWM控制方式開關(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(wěn)壓控制部分、開關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開關(guān)穩(wěn)壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定（即相應(yīng)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(hù)措施，屬高可靠性電源。
LED通常按照主波長、發(fā)光強(qiáng)度、光通亮、色溫、工作電壓、反向擊穿電壓等幾個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測試與分選。LED的測試與分選是LED生產(chǎn)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(chǎn)能瓶頸，也是LED芯片生產(chǎn)和封裝成本的重要組成部分。
LED的分選有兩種方法：一是以芯片為基礎(chǔ)的測試分選，二是對封裝好的LED進(jìn)行測試分選。
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(jī)械和圖像識別系統(tǒng)，這使得設(shè)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器完成，測試設(shè)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(shè)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?yàn)樵跍y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(shí)際的芯片分布與儲存在分選機(jī)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(guān)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(nèi)，亮度的變化在+15%之內(nèi)，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(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(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。
封裝后的LED可以按照波長、發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光角度以及工作電壓等進(jìn)行測試分選。其結(jié)果是把LED分成很多檔（Bin）和類別，然后測試分選機(jī)會自動地根據(jù)設(shè)定的測試標(biāo)準(zhǔn)把LED分裝在不同的Bin盒內(nèi)。由于人們對于LED的要求越來越高，早期的分選機(jī)是32Bin，后來增加到64Bin，現(xiàn)在已有72Bin的商用分選機(jī)。即使這樣，分Bin的LED技術(shù)指標(biāo)仍然無法滿足生產(chǎn)和市場的需求。
LED測試分選機(jī)是在一個特定的工作臺電流下（如20mA），對LED進(jìn)行測試，一般還會做一個反向電壓值的測試。現(xiàn)在的LED測試分選機(jī)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(jī)的產(chǎn)能為每月9KK。
大型顯示屏或其他高檔應(yīng)用客戶，對LED的質(zhì)量要求較高。特別是在波長與亮度一致性的要求上很嚴(yán)格。假如LED封裝廠在芯片采購時沒有提出嚴(yán)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(chǎn)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(yán)格的要求，特別是波長、亮度和工作臺電壓的指標(biāo)；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(yīng)用上，已提出+0.5nm的要求。這樣對于芯片廠就產(chǎn)生了巨大的壓力，在芯片銷售前必須進(jìn)行嚴(yán)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(jì)的做法是對LED進(jìn)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(yīng)用要求，這使用權(quán)得完全通過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(yīng)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(zhǔn)備全部客戶需要的各種形式和種類的LED。所以問題的關(guān)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(guān)鍵點(diǎn)，這個問題不解決，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題。
目前，LED芯片的測試分選設(shè)備主要由美國和日本廠商提供，而LED的測試分選設(shè)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(shè)備的廠家。LED芯片分選機(jī)主要包括兩大硬件部分（機(jī)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(jī)則包括LED的機(jī)械傳輸，儲存和光電測試兩部分。
（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(shè)備。
（2）隨著W級功率LED技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)LED產(chǎn)品參數(shù)檢測標(biāo)準(zhǔn)及測試方法已不能滿足照明應(yīng)用的需要，須開發(fā)全新的測試標(biāo)準(zhǔn)和方法，包含更多的與照明相關(guān)的光學(xué)內(nèi)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(shù)。
（4）照明用LED是處于大電流驅(qū)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(yàn)辦法，剔除早期失效品，保證產(chǎn)品的可靠性。
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(biāo)。
這主要針對內(nèi)置電源調(diào)制器的高壓驅(qū)動芯片，降低芯片的功耗，不要引入額外的功耗，做好散熱。
功率管的功耗分成兩部分，開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。LED是電驅(qū)動應(yīng)用，開關(guān)損害要遠(yuǎn)大于導(dǎo)通損耗。開關(guān)損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅(qū)動能力和工作頻率有關(guān)，所以要解決功率管的發(fā)熱可以從以下幾個方面解決：
A、不能片面根據(jù)導(dǎo)通電阻大小來選擇MOS功率管，因?yàn)閮?nèi)阻越小，cgs和cgd電容越大。
B、剩下的就是頻率和芯片驅(qū)動能力了，這里只談頻率的影響。頻率與導(dǎo)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(diǎn)高。當(dāng)頻率降低時，為了得到相同的負(fù)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(dǎo)致電感進(jìn)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(fù)載電容了。
降頻主要由兩個方面導(dǎo)致。輸入電壓和負(fù)載電壓的比例小、系統(tǒng)干擾大。對于前者，注意不要將負(fù)載電壓設(shè)置的太高，雖然負(fù)載電壓高，效率會高點(diǎn)。
對于后者，可以嘗試以下幾個方面：a、將最小電流設(shè)置的再小點(diǎn);b、布線干凈點(diǎn)，特別是sense這個關(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，這個影響有點(diǎn)不好，C的一致性不好，偏差有點(diǎn)大，不過對于照明來說應(yīng)該夠了。
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(qū)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(lán)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(dāng)于3W發(fā)白光的LED所達(dá)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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