LED应用的电源要求

2009年10月29日 12:10    贾延安
关键词: LED , 电源 , 应用
作者:Vicor公司 Paul Yeaman  日期:2009-10

LED技术的最新突破使得人们能够生产出可以输出宽谱光的LED,而不再仅仅是传统的红光和绿光的衍生物。因此用在产品中(照明和其他方面)的LED的绝对数量正呈指数型增加。

从手电筒到汽车头灯,再到LCD电视显示器的背光照明,LED的应用正在不断拓展到新的领域。总之,LED应用迅猛增长背后最主要的驱动力是LED技术带来的效率提升(即每瓦耗能可以提供更高流明的照明输出)。

电源要求

与以前的白炽灯相比,LED有不同的电源要求。此外,根据功率等级和总体系统要求的不同,驱动LED的最好解决方案也不同。

在传统的照明解决方案中(如白炽灯照明),负载呈阻性。功耗以及相应的灯的亮度是加到灯上的电压以及灯的电阻的函数(根据欧姆定律)。

光强会随着输入电压的变化增强或减弱。以汽车头灯为例,当引擎启动时,电池的电压较低,因此头灯会变暗;一旦引擎开始运转,电池的电压会恢复,头灯也随之恢复标准亮度。

LED的与传统白炽灯有着根本的不同。LED的亮度是通过调节LED电流来控制的,而LED负载的电阻则会随着所加负载的不同而变化。LED需要恒定的电流,而不是通过恒定电压和电阻来保持恒定的亮度。根据LED的功率等级的不同,实现上述效果的方法也不同。

对于功率非常低的LED,图1所示的一种非常简单的电路基本就够用了。与R相比,LED的有效电阻非常小,因此流过LED的电流由V/R确定。它的缺点如下:

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图1 电阻受限LED的简易电源解决方案

● 亮度是电压的函数。V的变化实质上会改变电流,进而改变LED的亮度。回到最初的汽车头灯的例子——在引擎刚开始启动时光依然会很弱。

● 这种解决方案无法利用LED的效率优势。因为与LED的电阻相比,R非常大,大部分功率都消耗在R上。

大功率LED

对于大功率LED,为了将LED的效率优势最大限度地发挥出来,需要一种电流受控的解决方案。图2给出了这种解决方案的一个实例。

2.gif

图2 电流受控的LED供电解决方案

V·I芯片PRM整流器和VTM电压变换器用来提供稳定的电压。为了使用PRM和VTM给LED供电,需要修改PRM的工作方式以提供稳定的电流。这是通过采用电流放大器和补偿器来实现的。

与常规方法相比,使用PRM和VTM来提供恒定电流具有几项优势。在系统中采用VTM可实现负载点的电流倍增。根据下面的公式,VTM的输出电流正比于它的输入电流,比值是固定的匝数比K,IOUT = IIN/K。

因此,在电流受控的应用中,可以通过检测和控制VTM的输入电流来控制它的输出电流。检测较低的电流需要较小的传感器,后者会消耗较少的功率并改善整体效率。同样,高效率和高功率密度使得整个LED系统体积小、温度低,并将每瓦耗能所输出的流明数达到最高。

一项重要的附加优势是,流过LED的电流(IOUT)不是输入电压的函数。因此,在我们的汽车头灯的例子中,只要流过LED的电流保持恒定,不管电池电压是多少,LED的亮度都将保持恒定。这是因为PRM是一个可以随着V而改变的可变负电阻,从而提供了一种保持电流恒定的方法。

更为重要的是,PRM的电阻是有效电阻,而不是真实电阻,这意味着功率损耗非常小,而且不是有效电阻值的函数。因此,大部分功率都消耗在LED上,使得这个解决方案同它所使用的LED一样有效且高效。

这个解决方案的一些缺点包括其复杂度明显比图1所示的解决方案要高,因此它的正确实施需要更多的关注和控制。复杂度的增加也带来了成本的提高,因此这个解决方案更加适用于大功率LED,在大功率LED中节省的功率(以及LED运行中的电能成本)能够更容易地弥补掉增加的成本和复杂度。

最后,对于LED不同的电源要求,有从简单到复杂的不同的解决方案可供使用。图1所示的电阻型限流器简单、成本低,但对大功率LED而言它效率低,不适用。

图2所示的可调节的电流源可以使效率和尺寸达到最佳,但它们需要更高的成本,并增加了复杂度。可调节的电流源提供了附加优势,如不受输入电压波动影响,对总体系统目标而言这些附加优势可能重要,也可能不重要。LED电源的设计人员应该注意到可用于给LED供电的不同方案以及整个系统的目标。
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