LED新光源驱动技术论文

LED新光源的驱动技术探讨
摘要：被视为本世纪省电环保照明之星的高亮度led,已经成为各国厂商积极进入的领域,未来白光led的应用市场将非常广泛,包括手电筒、装饰灯、lcd背光源、汽车内部照明市场、投影灯源等,不过最被看好以及最大的市场还是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯。

关键词： led 新光源应用技术
1.led光源的概念
led（light emitting diode），又称发光二极管，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生光。

应用半导体pn结发光的原理制成的led问世于20世纪60年代初，1964年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色led。

直到1994年，蓝色、绿色led才研制成功。

1996年开发出白色led。

2.led发光原理
发光二极管主要有pn结芯片、电极和光学系统组成。

起发光体—晶片的面积为10.2mil（1mil=0.0254平方毫米），目前国际上出现大量晶片led，其晶片面积达40mil。

其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。

微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。

电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。

光子的能量反过来与光的颜
色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。

由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。

3.led的主要特点
3.1 发光效率高：led经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。

白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明／瓦，荧光灯50～70流明／瓦，钠灯90～140流明／瓦，大部分的耗电变成热量损耗。

led光效经改良后将达到达50～200流明／瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。

3.2 耗电量少： led单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15～18毫安，反应速度快，可在高频操作。

同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。

3.3 使用寿命长：采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。

而采用led灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。

平均寿命达10万小时。

光衰为初始的50%。

led灯具使用寿命可达5～10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯。

3.4 安全可靠性强：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。

内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。

3.5 有利于环保： led为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破
碎，废弃物可回收，没有污染。

光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。

3.6 响应时间短：白炽灯的响应时间为毫秒级，led灯的响应时间为纳秒级。

4．led的主要应用
led广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见。

但由于其亮度差、价格高，一直不能大范围的推广使用，特别对于大功率的白光led的开发应用对未来照明具有革命性的意义。

5．led的发展进程
2006 年初，国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，“高效节能、长寿命的半导体照明产品”被列入中长期规划第一重点领域（能源）的第一优先主题（工业节能），在国内外引起广泛关注。

2006 年 10 月，国家“十一五” 863 计划“半导体照明工程”重大项目正式启动。

我国半导体照明产业正在进入自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇期。

“十一五”国家半导体照明工程的发展，将重点围绕半导体普通白光照明的目标，强调创新性，突破白光照明技术的部分核心专利，实现重点跨越；强化技术集成，围绕重大战略产品，产学研上下游联合攻关，解决制约产业发展的共性关键技术；实施产业技术联盟与人才培养、基地建设战略，建立完善的技术创新体系与特色产业集群，提升产业持续创新的能力，最终形成有自主知识产权和
中国特色的半导体照明新兴产业。

随著不可再生资源存量日渐减少并带来污染，生态环境严重受到影响，市场著眼点逐渐转投至再生清洁能源的发展，以及所造就绿色经济的投资机遇。

业内人士认为，新能源在低碳经济正扮演一个相当重要的角色，当中led技术可望成为国家其一关键性的领域。

由此，国际上的一些专业从事照明的大公司投入巨资，对大功率、高亮度led进行了研究和开发，使其亮度得到了大幅度的提高，成本进一步降低。

这将给新光源与新能源照明制造企业带来巨大的机遇与挑战。

新光源与新能源照明行业是个朝阳产业，其增长速度之快可以说是极为惊人。

我国国内新光源与新能源照明行业也正处于高速发展阶段。

随着新光源与新能源照明产品技术不断更新与进步，新光源与新能源照明将会取代传统光源在照明行业中得到普及，从而将引发照明行业的一场革命。

目前我们国家的“十城万盏”led应用试点示范城市建设正在如火如荼进行中，这些对led新光源的产业有着积极的推动作用。

由此，本文对高亮度led的照明驱动提出个别方案，供大家交流探讨。

6．led驱动方案
根据驱动电源的不同，led照明通常可以划分为交流-直流
(ac-dc) led照明、直流-直流(dc-dc) led照明电源以及电池供电的led手电筒等不同类型，led灯具及其功率也各不相同，如3 w par16、3×2 w par20、10 w/15 w par30、15 w/22 w par38、1 w
g13、3 w gu10、1 w mr11、3 w mr16、3 w/9 w/15 w嵌灯、1 w led 阅读灯等。

ac-dc led照明应用中，小功率的led应用通常以恒流(cc)来驱动，而恒压(cv)功能是在输出开路的情况下作为保护功能。

大功率的led应用可能需要在电路中增加功率因数校正(pfc)，其中的
ac-dc转换与led驱动两部分电路既可能采用整体式(integral)配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，也可以采用分布式(distributed)配置，从而简化安全考虑，并增加系统灵活性。

从应用的具体功率范围来看，ac-dc led照明应用主要包括：
1 w-8 w：g13/gu10/par16/par20照明；8w -25 w：
par30/par38照明
50 w-150 w：区域照明 ; 100 w-300 w：区域照明
7． 8 w-25 w ac-dc led照明驱动方案
美国能源部(doe)“能源之星”(energystar)固态照明(ssl)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(pfc)。

这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的led驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9。

但这标准属于自愿性标准，即可以选择不遵从或是遵从。

相应地，在8 w-25 w ac-dc led照明应用中，我们考虑两种情况，一种是应用没有功率因数要求，即不需采用pfc控制器，另一种是要求采用pfc控制器。

在不需要pfc的应用中，我们假定输入电压规格为90~132 vac或180~264vac(或通用输入)，能效达85%，
提供短路保护及开路保护等保护特性，输出电流为350 ma、700 ma 及1 a恒流，相应地可以采用安森美半导体的ncp1028或ncp1351。

其中，ncp1028是一款增强型单片开关稳压器，适用于在通用主电源输入的应用中提供数瓦至15 w的输出功率。

ncp1028的导通阻抗比ncp101x更低，提供800 ma峰值电流，具备ncp101x的诸多特性，此外还提供过功率保护、内置斜坡补偿及输入欠压保护等特性。

ncp1351则是一款固定导通时间、可变关闭时间脉宽调制(pwm)控制器，适用于成本至关重要的低功率离线反激开关电源应用。

这器件支持频率反走，还具有闩锁输入、自然的频率抖动、负电流感测及扩展的电源电压范围等特性。

图1显示的是90至264 vac输入条件下基于ncp1351的8 w-25 w led照明方案。

（图1：基于ncp1351的8 w至25 w ac-dc led照明应用电路示意图）
（图2：基于ncp1607/8 pfc控制器的8 w-25 w ac-dc led照明应用示意图）。

需要pfc的8 w-25 w ac-dc led照明应用中，假定输入电压规格为90至264 vac，功率因数高于0.9，能效达80%，提供短路及过功率保护，输出电流同样有350 ma、700 ma和1 a等不同选择。

在这类应用中，可以采用安森美半导体的ncp1607或ncp1608 pfc 控制器。

ncp1607是一款高性价比的临界导电模式(crm) pfc控制器。

这器件与业界标准引脚对引脚兼容，简化工程师的设计。

可调节的过压保护(ovp)及环路开路保护等功能也增强了设计灵活性及
强固性。

图2展示的是ncp1607/ncp1608在85至135 vac或185至264 vac输入条件下的led照明应用方案。

注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。