绿色环保LED应用技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 05z1x

第5章　交流电供电的LED驱动电路 一般LED的工作电源是直流电，通常工作电压不会高于直流4V，所以交流220V市电是不能直接给LED光源供电的，需要对交流供电电源进行变换，AC-DCLED驱动器，就是把交流市电变换成LED照明灯需要的低压直流电，并提供恒定电流的驱动电路。5.1交流供电AC/DCLED驱动电路 AC/DCLED驱动电路，一般是先通过工频变压器将高压变成低压，然后再通过整流将交流电变换成直流电，或通过开关电源将交流电降低到与LED工作电压相匹配的电压等级。交流电供电的AC/DCLED驱动器的电源变换结构主要有电容器降压、工频变压器降压和开关电源降压三种类型。5.1.1电容器降压在交流电供电条件下，LED驱动器最简单的实现方法是通过电容器降压后再整流，电路如图5-1所示，这种结构的电路具有非常低的成本。图5-1电容器降压LED驱动电路5.1.1电容器降压5.1.1电容器降压5.1.1电容器降压5.1.1电容器降压5.1.2工频变压器降压5.1.2工频变压器降压 1．线性恒流源LED驱动电路 交流电首先经工频变压器降压，再经整流滤波电路滤波后，输出直流低电压。在实际 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中，可以根据后续电路的实际耐压值来选择整流后的直流电压值，然后再确定变压器的降压比例。降压后的直流电压为集成线性LED驱动集成电路（IC）供电，组成线性恒流源LED驱动电路，来驱动LED串。 对于通用照明领域，可以采用小功率LED光源，也可以选用大功率LED光源。小功率LED光源的电流一般为20mA，不需要PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）调光， 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 驱动集成电路简单，引脚少。大功率LED光源，其工作电流一般是350mA以上，要求驱动集成电路内部带有大功率场效应晶体开关管，以减少外围器件的数量。 下面介绍几款线性恒流源驱动集成电路，这些集成电路的共同特点是引脚很少，应用简单，恒定电流输出或外部电阻可调输出，驱动电流较小，一般为10～50mA，输入电压范围广，价格便宜，可驱动一个至几十个LED。5.1.2工频变压器降压 （1）BCR402R线性恒流LED驱动电路 BCR402R是英飞凌（Infineon）公司推出的线性恒流LED驱动电路，主要应用于广告字幕、装饰照明LED条、飞机/火车/船舶照明、普通照明改造、医疗照明。 BCR402R的特点如下： 输出20mA的LED驱动电流。 通过外部电阻调节，输出电流高达60mA。 供电电压高达18V。 通过几个驱动器并联，可增加电流。 1.2V低电压压降。 电源电压变化时，可高精确度地输出电流。5.1.2工频变压器降压5.1.2工频变压器降压5.1.2工频变压器降压5.1.2工频变压器降压对于某些LED应用场合，如建筑照明需要很高的亮度时，就要串入较多的LED，这就需要更高的输入电压才能使LED发光，此时输入电压会大于BCR402R的最高输入电压18V。为了在这种情况下也能使用BCR402R作为驱动电路，在确保引脚 3 的电压VS小于18V的情况下，可以采用如图5-5所示的电路来实现。5.1.2工频变压器降压5.1.2工频变压器降压5.1.2工频变压器降压（2）NSI45020线性恒流LED驱动电路NSI45020是安森美公司生产的一款电路结构简单的LED线性恒流驱动电路，如图5-6所示，能够提供一个具有低成本、高效率的恒流驱动LED解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。NSI45020采用自偏置晶体管技术，可在宽电压范围内调节LED电流。NSI45020具有负温度系数，在极端电压和电流条件下，在热失控时保护LED。NSI45020无需外部器件，高阳极-阴极耐压可以承受常见于汽车、工业、商业标志应用的浪涌电压。它主要应用于汽车的显示器和仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 背光、汽车高位刹车灯、地图灯，以及交流照明面板、显示标牌、装饰照明。5.1.2工频变压器降压5.1.2工频变压器降压5.1.2工频变压器降压5.1.2工频变压器降压2．变压器降压DC/DCLED驱动电路采用线性恒流源驱动电路，电路简单、经济，但是效率较低，电流调节精度差，驱动电流较小，一般只能驱动小功率LED串。另外，电路对LED的保护功能较少，如缺少过电压、欠电压、过电流、过温保护等。驱动大功率LED时，可采用第4章介绍的DC/DCLED驱动电路，如BUCK型LED驱动电路。若供电电源为交流市电，BUCK型DC/DCLED驱动电路连接方式可采用如图5-9所示的方式。5.1.2工频变压器降压5.1.2工频变压器降压电路中的开关管VF1可采用场效应晶体管，接于场效应晶体管栅极的控制信号为PWM信号，调整PWM信号的占空比，流过LED的电流就可变化，从而实现LED亮度调整。在实用电路中，PWM的占空比是通过流过采样电阻RCS电流的大小自动调整的，这样可以实现流过LED的电流为恒流。改变RCS的大小，就可以改变流过LED的电流，也就可以改变LED的亮度。交流市电供电的变压器降压DC/DCLED驱动电路，电路结构复杂，但驱动电流大，可达安培级，输出功率可达几十瓦，电路保护功能多，电流调节精度高。DC/DC型驱动电路是目前LED照明的主流驱动方式，很多公司研制出多种形式的控制芯片。对于采用变压器降压后，实现LED照明的芯片，可用第4章介绍的芯片来实现。5.1.3开关电源LED驱动电路5.1.3开关电源LED驱动电路EMI滤波器用来滤除高频干扰信号对电路的影响和电路对交流电网的干扰。PFC电路用于提高电路的功率因数，增加有功功率。电路中的4个二极管，是用来将交流变成直流的整流电路。实际电路中，也可采用整流桥实现。DC/DC变换器可以采用多种拓扑结构，如反激、正激、LLC谐振、推挽等。拓扑结构的选择，需要考虑成本、复杂程度以及功率大小等因素。开关电源LED驱动电路可以做到1W至几百瓦的功率输出，并可以实现电源隔离。开关电源结构复杂，一般需要高频变压器。5.2功率因数校正随着LED照明亮度的增加，驱动电源的功率将增加，功率因数校正变得越来越重要，本节将介绍功率因数校正的相关问题。在交流电路中，电压与电流之间的相位差的余弦叫做功率因数。在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值。功率因数的大小与电路的负载性质有关，如白炽灯、电阻炉等电阻负载的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术指标，是衡量用电设备效率高低的一个重要标准。5.2功率因数校正交流输入电源经整流和滤波后，非线性负载使得输入电流波形畸变，输入电流呈脉冲波形，电流中含有大量谐波分量，使功率因数很低。由此带来的问题是，谐波电流污染电网，干扰其他用电设备；在输入功率一定的条件下，输入电流变大，就必须增大输入断路器和加粗电源线；三相四线制供电时中线的电流较大，由于中线无过电流防护装置，有可能过热甚至燃烧。为此，没有功率因数校正电路的开关电源逐渐被限制应用。因此，开关电源必须减小谐波分量，提高功率因数。提高功率因数对于降低能源消耗、减小电源设备的体积和重量、缩小导线截面积、减弱电源设备的辐射和传导干扰都具有重大意义。5.2功率因数校正功率因数校正电路通过对电源的输入电流波形进行整形，使负载吸取的有功功率最大化。在理想情况下，电器应该表现为一个纯电阻的负载，此时电器吸收的反射功率为零。电流是输入电压（通常是一个正弦波）的完美复制品，而且相位相同，负载从电网源吸收的电流最小，降低了与配电发电相关过程中基本设备的损耗。由于没有谐波，也减小了与使用相同电源供电的其他电器之间的干扰。5.2.1功率因数的定义5.2.1功率因数的定义由于输入电路的原因，开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。输入电路通常由半波或全波整流器及其后面的滤波电容器组成，电容器将电压维持在接近输入正弦电压的波峰处，直至下一个峰值到来时对电容再进行充电。在这种情况下，只在输入波形的各峰值处从输入端吸收电流，而且电流脉冲必须包含足够的能量，以便在下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程通过在短时间内将大量电荷注入电容，然后由电容缓慢地向负载放电来实现，之后再重复这一过程。电流脉冲为周期的10%～20%是十分常见的，这意味着脉冲电流应为平均电流的5～10倍。图5-11即为不带PFC的典型开关模式电源的输入特性。5.2.1功率因数的定义5.2.1功率因数的定义通过傅里叶级数，很容易分析出图5-11中输入电流的基波及其谐波成分，图5-12给出了电流波形的谐波成分。图5-11中的基波频率为50Hz，图5-12中的基波以100%作参考，谐波的幅度则显示为基波幅度的百分比。如果波形包含无限窄和无限高的脉冲，则谐波成分会变得复杂些。通过实际计算，这个电源的功率因数大约为0.6，而不是前面的结论1.0。5.2.1功率因数的定义5.2.1功率因数的定义5.2.2总谐波失真5.2.2总谐波失真5.2.3功率因数校正的类型功率因数校正就是将畸变电流校正为正弦电流，并使之与电压同相位，从而使功率因数接近于1。功率因数校正的基本方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种，应用最多、效果最好的是后者。5.2.3功率因数校正的类型1．无源功率因数校正无源功率因数校正电路是利用电感和电容等元件组成滤波器，将输入电流波形进行移相和整形，采用这种方法可使功率因数PF达到0.9以上。其优点是电路简单，适用于小功率场合；缺点是在某频率点可能产生谐振而损坏用电设备。典型的无源功率因数校正电路就是利用电容、二极管网络组成的填谷式功率因数校正整流电路。如图5-14所示为桥式整流滤波电路的基本结构，如图5-15所示为一种无源功率因数校正电路。5.2.3功率因数校正的类型5.2.3功率因数校正的类型由VD5～VD7和C1与C2组成的填谷式无源PFC电路，在AC线路电压较高时，由于二极管VD6的接入，电容C1和C2以串联方式被充电。只要AC电压高于C1和C2上的电压，线路电流将通过负载。一旦线路电压幅值降到每个电容上的充电电压以下时，VD6则反向偏置，而VD5和VD7导通，C1和C2以并联方式通过负载放电，此时AC电流不再向负载供电。由于电容和二极管的串并联特性，增大了二极管的导通角，从而使输入电流波形得到了改善。采用填谷式电路能使线路功率因数达到0.9以上，3次和5次谐波的电流分别降至20%和16%以下，总谐波失真（THD）降至30%。填谷式电路虽然使线路的功率因数达0.9以上，谐波电流被大大衰减，但因其产生的DC输出电压极不平滑，致使灯电流波峰比达2.0以上，超过标准规定≤1.7的要求。5.2.3功率因数校正的类型2．有源功率因数校正有源功率因数校正电路的基本工作原理是利用控制电路强迫输入电流波形跟踪输入交流电压波形变化，实现交流电流正弦化，并与输入电压同步。有源功率因数校正电路的特点如下：1）功率因数高，PF可达0.99以上。2）总谐波畸变率低，THD<10%。3）交流输入电压范围宽，可达90～270V。4）输出电压稳定。5）所需磁性元件小。有源功率因数校正电路的缺点是电路比较复杂；优点是工作于高频开关状态，体积小、重量轻、效率高。5.2.3功率因数校正的类型有源功率因数校正（ActivePFC）技术具有功率因数高、性能指标好、电路形式多样、控制集成电路品种齐全等一系列优点，因此在实际应用中占有绝对优势。有源功率因数校正电路的主电路常采用DC/DC开关变换器，其中输出升压型变换器由于电感电流连续，储能电感也可以用做滤波电感来抑制射频干扰（RadioFrequencyInterference，RFI）和EMI噪声、电流波形畸变小、输出功率大及主动功率因数校正功率开关共源极工作和驱动电路简单等优点，所以使用较为广泛。除了采用升压型变换器外，Buck/Boost、Flyback、SEPIC变换器都可用做有源功率因数校正的主电路。5.2.3功率因数校正的类型按有源功率因数校正电路输入电流检测和控制方式，升压输出型有源功率因数校正电路可分为如下3类：电感L电流iL连续模式（ContinaousConductionMode，CCM）。电感L电流iL临界导通模式（CritiealConductionMode，CRM）。电感L电流iL不连续模式（DiscontinaousConductionMode，DCM）。5.2.3功率因数校正的类型（1）临界导电模式(CRM)控制器临界导电模式或者称为过渡模式控制器在照明和其他较低功率的应用中很常见，这些控制器使用简单，而且价格低廉。如图5-16所示为临界导电模式转换器的基本原理图。带有CRM功率因数校正的转换器使用一种类似于图5-16的控制方案，具有低频极点的误差放大器向参考乘法器提供一个误差信号，乘法器的另一个输入是经整流的交流输入电压的比例信号，乘法器输出是误差放大器的近似直流信号与交流输入端的全波整流正弦波形的乘积，而且被用做输出电压的参考信号，此信号的幅度经调整后可保持正确的平均功率，以使输出电压能保持其稳压值。5.2.3功率因数校正的类型5.2.3功率因数校正的类型电流整形网络强制电流跟随乘法器的波形，尽管线路频率电流信号（检测后）是参考幅度的一半。电流整形网络的功能如下：在如图5-17的波形中，Vref是乘法器的输出信号。此信号被送到比较器的一个输入端，另一个输入端则连接电流波形。当功率开关接通时，电感电流斜升，直到分路上的信号达到Vref的电平。在此点上，比较器会改变状态并断开功率开关。断开开关后，电流斜降直到降为零。零电流检测电路测量电感两端的电压，当电流达到零时，电压也会降到零。在此点上，开关接通，电流再次斜升。5.2.3功率因数校正的类型5.2.3功率因数校正的类型这类稳压器的频率随着线路和负载的变化而变化，在大线高电压和负载轻时达到最大值，而且在线路周期中频率也会有所变化。优点：芯片廉价，便于设计，没有开关导通损耗，升压二极管的选择并非起决定性作用。缺点：存在频率变化。由于存在潜在的EMI问题，需要一个设计精巧的输入滤波器。上面介绍的是一种带乘法器的临界导通电路，下面介绍一种不带乘法器的临界导电电路。如前所述，CRM控制器的电流波形从零斜升至参考信号，然后再斜降回零。5.2.3功率因数校正的类型5.2.3功率因数校正的类型5.2.3功率因数校正的类型5.2.3功率因数校正的类型因为导通时间的给定值仅在给定负载和线路电压的条件下有效，且直流环路的低频误差放大器连接到单稳态电路。误差信号改变了充电电流，同时改变了控制电路的导通时间，使其在一个较宽的负载和线路电压条件范围内保持稳压。优点：芯片廉价，便于设计，没有导通切换损耗，可以工作在跟随升压模式下，电感更小、更廉价。缺点：频率变化，由于存在潜在的EMI问题，需要一个设计精巧的输入滤波器。5.2.3功率因数校正的类型（2）连续导电模式(CCM)控制连续导电模式控制在各种应用中被广泛使用，因为它具有如下几个优点：峰值电流小，从而使开关和其他元件损耗较小。而且，输入纹波电流低且频率恒定，从而使滤波简单易行。CCM工作的下列属性需作进一步考虑。1）有效电压控制与大多数PFC控制器一样，按照整流输入电压的比例进行变换，并用做电流整形电路的参考信号，基本上都使用乘法器来实现这个功能。但这种乘法器比传统的两输入乘法器复杂。5.2.3功率因数校正的类型5.2.3功率因数校正的类型2）平均电流模式控制乘法器的交流参考信号输出(Vi)表示图5-20中的PFC转换器的输入电流波形、相位和比例系数，PWM控制器模块的任务是使平均输入电流与参数相匹配。平均电流模式控制应用在这些控制器中，如图5-21所示。5.2.3功率因数校正的类型5.2.3功率因数校正的类型平均电流模式控制电路根据控制信号Icp来稳定平均电流（输入或输出）。对于PFC控制器来说，Icp由低频直流环路误差放大器产生。图5-21中的电流放大器是电流信号的积分器和误差放大器。它控制波形调整，而Icp信号控制直流输出电压。电流Icp在Rcp上产生了一个电压。为保持电流放大器的线性状态，它的两个输入必须相等。因此，在Rshunt上的电压必须等于Rcp上的电压。与电压模式控制电路的情形一样，将此信号同振荡器的锯齿波信号进行比较，PWM比较器根据这两个输入信号生成一个占空比的PWM信号。优点：对高于200W的功率时效果好。固定频率工作，比用其他方法产生的高频电流具有更低的峰值。缺点：比临界导电电路更复杂而且成本更高。