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1、大功率大功率LED照明的恒流驱动技术照明的恒流驱动技术 上海大学自动化系上海大学自动化系 刘廷章刘廷章2011.07.09汇报提纲汇报提纲一、大功率一、大功率LED照明概述照明概述二、二、LED特性与驱动要求特性与驱动要求三、三、LED恒流驱动技术恒流驱动技术四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧五、我们的工作五、我们的工作六、总结与展望六、总结与展望1。大功率。大功率LEDl早期的早期的LED：功率几十：功率几十mW，光效最高，光效最高1Lm/W，只能用，只能用于显示领域于显示领域l大功率大功率LED：单管功率超过：单管功率超过1W，光效超过，光效超过20Lm/W，可，可白光可彩色，进入照明
2、领域成为可能白光可彩色，进入照明领域成为可能l目前水平：目前水平：商用商用LEDLED光效达光效达160Lm/W(CREE160Lm/W(CREE，2011.1)2011.1)，实，实验室验室已达已达231Lm/W（CREE，2011.5）0.01W0.5W1W3W一、一、大功率大功率LEDLED照明概述照明概述2。大功率。大功率LED照明照明的优点的优点l节能高光效：能耗较白炽灯减少节能高光效：能耗较白炽灯减少80%l稳定性：长寿命，高流明维持率稳定性：长寿命，高流明维持率l安全：低电压带来更好的安全性安全：低电压带来更好的安全性l环保：无有害金属汞环保：无有害金属汞l小型化：小型化：LED
3、芯片芯片3-5mm正方形正方形,可制成各种形状可制成各种形状,易隐蔽易隐蔽l响应时间：白炽灯响应时间为毫秒级，响应时间：白炽灯响应时间为毫秒级，LED灯为纳秒级，且灯为纳秒级，且开关次数与寿命无关开关次数与寿命无关l控制灵活：轻松控制颜色与亮度变化，实现多种控制模式控制灵活：轻松控制颜色与亮度变化，实现多种控制模式l全固态，抗振性能好全固态，抗振性能好l冷光束，无紫外线（冷光束，无紫外线（UV）辐射）辐射一、一、大功率大功率LEDLED照明概述照明概述3。LED照明技术的主要应用领域照明技术的主要应用领域l景观照明景观照明l交通信息显示交通信息显示l道路、桥梁照明道路、桥梁照明l室内照明室内照
4、明l大屏幕显示大屏幕显示l汽车照明汽车照明lLED背光源（手机、背光源（手机、MP3、液晶电视）、液晶电视）一、一、大功率大功率LEDLED照明概述照明概述4 4。国际形势国际形势各国大力推行各国大力推行LEDLED照明产业促进计划照明产业促进计划l日本：日本：“2121世纪照明计划世纪照明计划”（19981998年）年）20082008年宣布：年宣布：3 3年内停止产销白炽灯年内停止产销白炽灯l美国：美国：“下一代照明计划下一代照明计划”（20002000年）年）2007.12 Clean Energy Act2007.12 Clean Energy Act：2014.12014.1禁止禁止
5、3103102600Lm2600Lm的的白炽灯（白炽灯（4040150W150W）l欧盟：欧盟：“彩虹计划彩虹计划”（20002000年）年）白炽灯禁令：白炽灯禁令：2009.9.12009.9.1禁禁磨沙灯泡和磨沙灯泡和100W以上，以上，2010.9.1禁禁75W以上以上，2011.9.1禁禁60W以上，以上，2012.9.1完全禁止完全禁止l韩国：韩国：“固态照明计划固态照明计划”（20042004年）年）20152015年年LEDLED满足满足3030照明需求照明需求lLEDLED照明产业已经形成美、亚、欧三足鼎立局面照明产业已经形成美、亚、欧三足鼎立局面一、一、大功率大功率LEDLE
6、D照明概述照明概述5 5。国内形势。国内形势l国家战略：国家战略：国家节能减排大背景国家节能减排大背景 2003 2003年启动年启动“国家半导体照明工程国家半导体照明工程”2009 2009年年“十城万盏十城万盏”2010 2010年战略性新兴产业（年战略性新兴产业（LEDLED照明为节能环保中六类之一）照明为节能环保中六类之一）l我国照明产业：我国照明产业：2009 2009年年20112011亿元亿元/出口出口143143亿美元，世界第一大照明电器生产亿美元，世界第一大照明电器生产国和出口国，占全球国和出口国，占全球18%18%市场份额市场份额 未来未来1010年年LEDLED将成为主流
7、光源，是传统照明产业转型的方向将成为主流光源，是传统照明产业转型的方向l奥运世博亚运大规模示范应用说明技术成熟度已满足工程应奥运世博亚运大规模示范应用说明技术成熟度已满足工程应用需求，已到大面积推广阶段用需求，已到大面积推广阶段l市场巨大：城市亮化、节能改造有巨大市场市场巨大：城市亮化、节能改造有巨大市场 一、一、大功率大功率LEDLED照明概述照明概述6.上海形势上海形势l国家国家7 7个半导体照明工程产业化基地之一（个半导体照明工程产业化基地之一（20032003）l21个个“十城万盏十城万盏”半导体照明应用工程半导体照明应用工程试点城市之一试点城市之一（09）l上海明确将上海明确将LED
8、定位为战略性新兴产业（定位为战略性新兴产业（2009）l国家半导体照明应用系统工程技术研究中心（国家半导体照明应用系统工程技术研究中心（2011）l连续多年实施光电子科技攻关专项、半导体照明重大科技连续多年实施光电子科技攻关专项、半导体照明重大科技攻关项目、世博科技专项攻关项目、世博科技专项l通过政府投入实施半导体照明示范工程，以示范应用带动通过政府投入实施半导体照明示范工程，以示范应用带动半导体照明产业的发展，如崇明前卫村、罗山路立交、东半导体照明产业的发展，如崇明前卫村、罗山路立交、东方明珠改造工程等方明珠改造工程等一、一、大功率大功率LEDLED照明概述照明概述汇报提纲汇报提纲一、大功率
9、一、大功率LED照明概述照明概述二、二、LED特性与驱动要求特性与驱动要求三、三、LED恒流驱动技术恒流驱动技术四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧五、我们的工作五、我们的工作六、总结与展望六、总结与展望以绿色以绿色5mmLED举例说明：举例说明：1电压电压3.5V时，时，LED电流为标电流为标准值准值20mA，正常工作，正常工作2当电压当电压3.8V时，时，LED电流为电流为50mA，已超过，已超过LED的正常的正常使用标准，其寿命及光衰会使用标准，其寿命及光衰会大幅度恶化大幅度恶化3当电压当电压4.2V时，时，LED电流为电流为110mA，LED将很快损坏。将很快损坏。4电压增加电压增加
10、10，电流增加，电流增加100以上以上1。LED驱动特性驱动特性lVf-I非线性关系，非线性关系，VfVonIRdl光通量与驱动电流成正比光通量与驱动电流成正比l微小的电流波动也会对微小的电流波动也会对LED的寿命与光衰产生极大影响的寿命与光衰产生极大影响 LED最好恒流驱动最好恒流驱动二、二、LED LED特性与特性与驱动要求要求2。LED驱动电源的重要性驱动电源的重要性l驱动电源是大功率驱动电源是大功率LED灯具工作的必需部件灯具工作的必需部件lLED需要恒流驱动，如果驱动精度不高、性能不稳定需要恒流驱动，如果驱动精度不高、性能不稳定LED灯光衰、失效、损坏灯光衰、失效、损坏l目前目前LE
11、D灯具故障灯具故障80源于驱动可靠性问题，使整灯寿命源于驱动可靠性问题，使整灯寿命远低于远低于LED 器件本身的器件本身的10万小时寿命万小时寿命l光效是光效是LED最主要指标，驱动环节效率不高影响整体光效，最主要指标，驱动环节效率不高影响整体光效，目前驱动环节的效率一般在目前驱动环节的效率一般在7090lLED驱动目前主流采用高频开关方式，引发电磁兼容驱动目前主流采用高频开关方式，引发电磁兼容EMC问题问题二、二、LED LED特性与特性与驱动要求要求3。LED驱动电源主要要求驱动电源主要要求l恒流（或至少恒压）恒流（或至少恒压）l高效率高效率l高可靠性高可靠性l良好电磁兼容良好电磁兼容EM
12、Cl电气安全性好电气安全性好二、二、LED LED特性与特性与驱动要求要求汇报提纲汇报提纲一、大功率一、大功率LED照明概述照明概述二、二、LED特性与驱动要求特性与驱动要求三、三、LED恒流驱动技术恒流驱动技术四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧五、我们的工作五、我们的工作六、总结与展望六、总结与展望三、三、LED LED恒流恒流驱动技技术1.LED驱动电源的基本功能驱动电源的基本功能l首要功能：输入电压电流首要功能：输入电压电流要求的电压电流要求的电压电流l辅助功能：保护、安全、电磁兼容等辅助功能：保护、安全、电磁兼容等外外部部供供电电输入输入要求的电流要求的电流电压电压功率功率2.LE
13、D驱动电源的主要架构驱动电源的主要架构l输入处理：各种输入的归一化（交流整流，幅值调整）、输入处理：各种输入的归一化（交流整流，幅值调整）、隔离、滤波等隔离、滤波等l辅助电路：冲击吸收、辅助电路：冲击吸收、EMC、异常保护、异常保护、PFC等等lDC-DC变换：电路调节输出调节恒流输出变换：电路调节输出调节恒流输出l输出处理：滤波等输出处理：滤波等l反馈：输出变量采样，如负载电流、电压等反馈：输出变量采样，如负载电流、电压等l控制：反馈比较电路调节指令，保护策略等控制：反馈比较电路调节指令，保护策略等三、三、LED LED恒流恒流驱动技技术3.LED驱动电源的基本分类驱动电源的基本分类（1）按
14、输入分）按输入分l标准交流输入型：市电标准交流输入型：市电l直流输入型：太阳能，电池等直流输入型：太阳能，电池等l特殊输入型：作为替代灯具需兼容的已有输入接口特殊输入型：作为替代灯具需兼容的已有输入接口（2）按控制分）按控制分l全电路型全电路型l专用管理芯片型专用管理芯片型lCPU型型（3）按主电路结构分）按主电路结构分l镇流电阻型镇流电阻型l线性电源型线性电源型l电荷泵型电荷泵型l 高频开关型（高频开关型（非隔离非隔离/隔离型隔离型)三、三、LED LED恒流恒流驱动技技术4 4。Boost型非隔离型非隔离DC/DC恒流驱动电路恒流驱动电路（1）基本拓扑）基本拓扑基本功能：基本功能：DC-D
15、C升压升压恒流原理：恒流原理：三、三、LED LED恒流恒流驱动技技术（2）一个）一个Boost恒流驱动案例：恒流驱动案例：12VDC输入，负载输入，负载 10个个1W/3.4V LED5串串2并并采用采用Boost DC-DC升压电路升压电路 CPU根根据据检检测测的的LED电电流流，对对比比设设定定值值，根根据据误误差差调调整整PWM占占空空比比，调调节节输输出出使使电电流流恒恒定定，实实现现恒流驱动恒流驱动 也也可可用用恒恒流流芯芯片片 如如 XL6004代替代替CPU三、三、LED LED恒流恒流驱动技技术恒流模块效率恒流模块输出电流值输出电压输出电流（0.31欧采样）恒流模块测试恒流
16、模块测试三、三、LED LED恒流恒流驱动技技术（1）基本拓扑）基本拓扑基基 本本 功功 能能：DC/DC、AC/DC宽宽范范围围升升降降压压，连续模式时连续模式时工作原理：工作原理：Q导导通通时时：变变压压器器一一次次侧侧储储能能，二二极极管管VD截截止止，由电容由电容C向负载供电向负载供电Q截截止止时时：二二极极管管VD导导通通，变变压压器器二二次次侧侧NS向向负负载载放电以及向电容充电放电以及向电容充电5 5。FlybackFlyback型隔离型隔离AC/DC恒流驱动电路恒流驱动电路三、三、LED LED恒流恒流驱动技技术（2）Flyback型恒流驱动案例型恒流驱动案例输输入入电电压压2
17、20VAC(20%)、输输出出电电压压10.20V、输输出出电电流流1.100A、负载为、负载为3并并3串串LED阵列（阵列（1W/350mA/3.4V）采用采用TinySwitch-III为核心的反激式为核心的反激式LED恒流驱动电路恒流驱动电路TinySwitch TNY277：PI公公司司电电源源芯芯片片，集集成成了了700V MOSFET振荡器高压开关电流源限流及热关断振荡器高压开关电流源限流及热关断 三、三、LED LED恒流恒流驱动技技术TL341：阴极连参考极，阴、阳极之间：阴极连参考极，阴、阳极之间2.5V R1：将负载电流转为电压，线性变换后输入运放：将负载电流转为电压，线性
18、变换后输入运放运放运放LM358：R1检测值与设定电流比较检测值与设定电流比较 光光耦耦PC817：检检测测值值超超过过设设定定时时，运运放放输输出出增增大大驱驱动动光光耦耦，从从U1的的EN/UV脚脚拉拉出出电电流流超超阈阈值值，MOSFET关关多多个周期减电流；检测值未超过设定时，个周期减电流；检测值未超过设定时，MOSFET正常正常三、三、LED LED恒流恒流驱动技技术实验结果：实验结果：输输入入电电压压波波动动20%，输输出出电电流流最最大大只只有有0.001A变化变化平平均均转转换换效效率率约约为为78%左右左右 三、三、LED LED恒流恒流驱动技技术汇报提纲汇报提纲一、大功率一
19、、大功率LED照明概述照明概述二、二、LED特性与驱动要求特性与驱动要求三、三、LED恒流驱动技术恒流驱动技术四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧五、我们的工作五、我们的工作六、总结与展望六、总结与展望1.1.驱动效率驱动效率选择合适的主电路结构选择合适的主电路结构计算、选取合理的电路器件参数计算、选取合理的电路器件参数选择导通电阻小的开关管选择导通电阻小的开关管高频开关采用软开关技术高频开关采用软开关技术四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧金属氧化物N沟道功率MOSFET IRF640与3205比较IRF640IRF3205生产公司生产公司International RectifierI
20、nternational Rectifier静态漏静态漏-源导通电阻源导通电阻Ron0.158.0m(超低导通电阻超低导通电阻)封装形式封装形式TO-220AB/贴片贴片/TO-262TO-220AB/贴片贴片/TO-262最大漏极连续电流最大漏极连续电流ID18A110A最大漏极脉冲电流最大漏极脉冲电流IDM72A390A最大功率耗散最大功率耗散PD150W200W最大漏极最大漏极-源极电压源极电压(VDSS)200V55V软开关、软开关、硬开关波硬开关波形比较形比较硬开关损硬开关损耗耗四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧2.2.结温测量结温测量结温直接关系结温直接关系LED芯片寿命芯片寿
21、命过温保护、热降额补偿等功能都需要结温测量过温保护、热降额补偿等功能都需要结温测量结温测量目前有很多难点结温测量目前有很多难点四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧一种新的结温测量方法：测量正向电压计算结温一种新的结温测量方法：测量正向电压计算结温1W白光白光LED在典型工作温度范围内在典型工作温度范围内6个结温下的个结温下的I-V特性特性四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧1W白白光光LED在在不不同同驱驱动动电电流下的流下的V-结温结温T特性特性限限制制：高高质质量量InGaN LED；正正向向电电流流在在中中间段间段100uA-10mA实实际际测测量量方方法法：工工作作模模式式正正常常
22、驱驱动动电电流流，10s；测测量量模模式式驱驱动动电电流流100uA左左右右，0.01s。四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧3.3.可靠性设计可靠性设计（1）可靠性均衡设计技术）可靠性均衡设计技术要要在在设设计计中中贯贯穿穿可可靠靠性性因因素素，建建立立LED产产品品的的可可靠靠性性设设计计准则准则根根据据使使用用要要求求、目目前前技技术术条条件件及及技技术术经经济济分分析析，评评估估LED产产品品中中各各部部件件的的可可靠靠性性水水平平，制制定定合合理理的的整整体体可可靠靠性性目目标标值值根据整体可靠性目标值，在零部件间进行可靠性平衡设计根据整体可靠性目标值，在零部件间进行可靠性平衡设计
23、通通过过可可靠靠性性试试验验获获取取试试验验数数据据，进进行行整整体体可可靠靠性性验验证证及及设设计改进，形成闭环反馈体系计改进，形成闭环反馈体系针针对对已已有有LED产产品品，采采集集各各关关键键部部件件的的可可靠靠性性设设计计指指标标，进行可靠性均衡分析，建立可靠性均衡分析模型进行可靠性均衡分析，建立可靠性均衡分析模型四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧（2 2）冲击吸收电路）冲击吸收电路l LED电源开机输出有过冲电流和过冲电压，会对电源开机输出有过冲电流和过冲电压，会对LED 的的寿命造成影响寿命造成影响,需设计限流吸收机制。需设计限流吸收机制。故障电源故障电源四、四、LED驱动设计
24、技巧驱动设计技巧（3）电解电容）电解电容l电解电容是电源可靠性瓶颈，一般产品标称寿命电解电容是电源可靠性瓶颈，一般产品标称寿命1000H l 在实际应用中，使用寿命计算一般简化为在实际应用中，使用寿命计算一般简化为“十度法则十度法则”，也就是从室温算起，温度每升高，也就是从室温算起，温度每升高10度，元器件的寿命减度，元器件的寿命减半半l如果电解电容寿命为如果电解电容寿命为105时寿命时寿命5000h（标称值），工作（标称值），工作温度在温度在85内时寿命为内时寿命为20000h，可满足一般要求，可满足一般要求l解决电解电容可靠性瓶颈的方法：采用高性能电容；控制解决电解电容可靠性瓶颈的方法：采
25、用高性能电容；控制工作温度；通过电路设计减小电容容值规格工作温度；通过电路设计减小电容容值规格四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧汇报提纲汇报提纲一、大功率一、大功率LED照明概述照明概述二、二、LED特性与驱动要求特性与驱动要求三、三、LED恒流驱动技术恒流驱动技术四、四、LED驱动设计技巧驱动设计技巧五、我们的工作五、我们的工作六、总结与展望六、总结与展望五、五、我们的工作我们的工作1.LED照明恒流驱动技术照明恒流驱动技术*台达基金台达基金市市教委基金企业委托教委基金企业委托AC输入型恒流驱动输入型恒流驱动电子变压器输入型恒流驱动电子变压器输入型恒流驱动调光型恒流驱动调光型恒流驱动太阳
26、能供电型恒流驱动太阳能供电型恒流驱动2。照明网络监控技术。照明网络监控技术*科委课题临科委课题临港新城港新城LEDLED光光电照明应用技电照明应用技术及示范术及示范 三层控制模三层控制模型型两级两级B/SB/S模模式式B/SB/S和和C/SC/S结结合合J2EEJ2EE平台平台Java/JSPJava/JSP技技术术五、五、我们的工作我们的工作3.LED照明驱动测试技术照明驱动测试技术*09市科委课题市科委课题LED照明驱动模块质量检测方法研究照明驱动模块质量检测方法研究（1）LED驱动模块质量检测指标体系驱动模块质量检测指标体系LED电源输入特性指标电源输入特性指标LED电源输出特性指标电源
27、输出特性指标电源暂态特性指标电源暂态特性指标 电源保护特性指标电源保护特性指标 电源电源EMC特性指标特性指标电源环境适应性指标电源环境适应性指标电气安全特性指标电气安全特性指标可靠性及其他指标可靠性及其他指标（2）LED驱动模块专用指标检测方法驱动模块专用指标检测方法五、五、我们的工作我们的工作(3)LED(3)LED电源工程测试应用电源工程测试应用五、五、我们的工作我们的工作延安路高架延安路高架LEDLED护栏管电源测试护栏管电源测试内环漕溪路立交内环漕溪路立交LEDLED灯具电源测试灯具电源测试4.LED照明工程跟踪评价照明工程跟踪评价*10市科委课题世博场馆市科委课题世博场馆LED技术
28、与工程评估研究技术与工程评估研究 场馆场馆LED照明工程的技术分析照明工程的技术分析场馆场馆LED照明工程的评价体系照明工程的评价体系 场馆场馆LED照明工程的运行监控照明工程的运行监控 与维护技术与维护技术 场馆场馆LED照明工程的跟踪测评照明工程的跟踪测评五、五、我们的工作我们的工作l20102010年上海世博会成为全球最大的年上海世博会成为全球最大的LEDLED照明示范区照明示范区 世博园区世博园区LEDLED芯片用量约芯片用量约10.310.3亿个，亿个，LEDLED灯具灯具2020多万盏多万盏160160个建筑个建筑98.2%98.2%使用使用LEDLED，80%80%以上夜景照明光
29、源用以上夜景照明光源用LEDLED综合节能效率达综合节能效率达30%30%以上以上五、五、我们的工作我们的工作6。LED照明标准制定照明标准制定（1 1）上上海海市市地地方方标标准准DB31/T468.1-2009DB31/T468.1-2009：采采用用LEDLED技技术术的的照明工程施工与验收规范照明工程施工与验收规范 第第1 1部分：施工规范部分：施工规范（2）上上海海市市地地方方标标准准DB31/T468.2-2009DB31/T468.2-2009：采采用用LED技技术术的的照明工程施工与验收规范照明工程施工与验收规范 第第2部分：验收规范部分：验收规范五、五、我们的工作我们的工作六
30、六.总结与展望与展望LED照照明明市市场场巨巨大大，已已到到规规模模化化应应用用阶阶段段，属属于于战战略略新新兴产业兴产业驱驱动动电电源源是是关关键键部部件件，也也是是目目前前LED照照明明工工程程应应用用的的主主要瓶颈，应重点注意可靠性、热控制、效率等因素要瓶颈，应重点注意可靠性、热控制、效率等因素成成本本降降低低（尤尤其其应应用用系系统统）政政府府节节能能补补贴贴政政策策新新的的商业模式是进入自发市场的门槛商业模式是进入自发市场的门槛LED应应用用将将更更趋趋理理性性，充充分分发发挥挥LED特特长长的的应应用用技技术术将将提高其市场竞争力提高其市场竞争力谢谢各位领导和专家！谢谢各位领导和专家！