LED显示屏电源及恒流驱动技术知识

2018-01-08

led显示屏中的LED芯片是特性敏感的半导体元器件,又具有负温度特性,因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护,正是因为这样才产生了驱动的概念。LED显示屏的器件对驱动电源的要求是近乎于苛刻的,LED不像普通的白炽灯泡,可以直接连接220V的交流市电。LED是2~3伏的低电压驱动,必须要设计复杂的变换电路,不同用途的LED灯,要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高,设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数,因为电源在整个LED显示屏中的作用就好比像人的心脏一样重要。

LED显示屏电源是至关重要的,每一块LED显示屏中都含有很多个专用电源,而电源的型号、功率都是直接影响LED显示屏的效果和性能的,简单的知识LED显示屏电源品牌市场上就有很多很多,价格也相差很大,如果LED显示屏电源性能跟不上会导致很多不可预料的后果,比如说:显示不正常,闪烁,严重的引起短路和火灾,这些事故都并不是新鲜事,都是真实的列子,很多客户在采购的时候喜欢对比价格,然后不停的压价,有些厂家为了拿下订单,只能底价接单,然后在各种配件上做文章,其中就包括电源。

LED显示屏电源

LED显示屏电源和恒流驱动是密不可分的,用LED作为显示屏或其他照明设备或背光源时,必须要对其进行恒流驱动,主要原因如下:

1.避免驱动电流超出最大额定值,影响其可靠性。

2.获得预期的亮度要求,并保证各个LED亮度、色度的一致性。

 

恒流驱动特点

根据电网的用电规则和LED驱动电源的特性要求,在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点:

1.高可靠性:特别像LED路灯的驱动电源,装在高空,维修不方便,维修的花费也大。

2.高效率:LED是节能产品,驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构,尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降,所以LED的散热非常重要。电源的效率高,它的耗损功率小,在灯具内发热量就小,也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。

3.高功率因素:功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器,没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大,但晚上大家点灯,同类负载太集中,会对电网产生较严重的污染。对于30瓦~40瓦的LED驱动电源,据说不久的将来,也许会对功率因素方面有一定的指标要求。

4.这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电,LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点,但灵活性差,还要解决某个LED故障,不影响其他LED显示屏配件运行的问题。这两种形式,在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式,在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。

5.浪涌保护:LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外,如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力。

6.保护功能:电源除了常规的保护功能外,最好在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高。

7.防护方面:灯具外安装型,电源结构要防水、防潮,外壳要耐晒。

8.驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。

9.要符合安规和电磁兼容的要求。

LED的应用范围和使用量日益广泛,LED电源和驱动的性能将越来越适合LED的要求,那么LED显示屏的性能也会逐步提高和稳定,这是行业的进步。

 

恒流驱动原理

正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线,由曲线可知,当正向电压超过某个阈值(约2V),即通常所说的导通电压之后,可近似认为,IF与VF成正比。见表是当前主要超高亮LED的电气特性。由表可知,当前超高亮LED的最高IF可达1A,而VF通常为2~4V。

由于LED的光特性通常都描述为电流的函数,而不是电压的函数,光通量(φV)与IF的关系曲线,因此,采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外,LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1V以上),而由上图中的VF-IF曲线可知,VF的微小变化会引起较大的,IF变化,从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性,并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此,超高亮LED通常采用恒流源驱动。

LED的温度与光通量(φV)关系曲线,由下图可知光通量与温度成反比,85℃时的光通量是25℃时的一半,而一40℃时光输出是25℃时的1.8倍。温度的变化对LED的波长也有一定的影响,因此,良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。

 

恒流驱动电路

由于受到LED功率水平的限制,通常需同时驱动多个LED以满足亮度需求,因此,需要专门的驱动电路来点亮LED

1.阻容降压:利用电容在交流下的阻抗来限制输入电流,从而获得直流电平给LED供电。这种驱动方式结构简单,成本低廉,但是输入非隔离方案,有安全隐患。而且转换效率很低,无法做到恒流控制。

2.隔离反激电路:利用反激电路,通过变压器在副边产生直流电平,再通过光耦将此电平的纹波反馈回原边,从而自激稳定。此类电路符合安规认定要求,而且输出恒流精度较好,转换效率较高。但由于需要光耦和副边恒流控制电路,导致系统复杂,体积大,成本高。

3.原边方案:原边方案就是通过完全在交流原边控制输出的电源和电流,最精确可以做到5%的恒流精度,副边仅需简单的输出电路即可。原边主要依靠辅助边的反馈来控制输出电压,依靠限流电阻对原边电流的控制,同时乘以匝比来控制输出电流的精度。原边方案继承了隔离反激电路的种种优点,同时架构简单,可以做到小体积和低成本。

原边的恒流精度问题:由于变压的生产精度难以控制,导致原边方案在使用低质量变压器时,输出电流漂移较大。所以,原边方案通过改进增加了副边恒流控制电路,这样虽然比普通的原边方案复杂了,但是对比反激方案,仍然可以省去光耦等,系统性价比最高。

 

恒流驱动方式

通过线性稳压器来转换电压会面临功耗问题,这种方式比较适合用于需要回避噪声(比如汽车音响)因而不能采用开关方式的转换电路中。而开关方式的特点是转换效率非常高,但它也有噪声的问题,所以选择何种转换方式取决于何种应用。

通常,电荷泵驱动方式的效率会随着输入电压的变化而变化,在电压变化范围大的应用中,其效率比较低;而在电压变化范围比较小的应用中,只有当输入和输出电压之间是整倍数关系时,它的效率才能达到最大,但这在电池供电的实际应用中很难达到。反观电感的转换效率不太受电压干扰,应用限制也比电荷泵要少。

 

恒流设计思想

LED显示屏的LED在可携式产品中背光源的地位已经不可动摇,即便是在大尺寸LCD的背光源当中,LED也开始挑战CCFL(冷阴极萤光灯)的主流地位;而在照明领域,LED作为半导体照明最关键的部件,更是因为顶着节能、环保、长寿命、免维护等诸多光环而受到市场的追捧。驱动电路是LED(发光二极管)产品的重要组成部分,无论在照明、背光源还是显示板领域,驱动电路技术架构的选择都应与具体的应用相匹配。

LED的发光原理是在它两端加上正向电压,使半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合,放出过剩能量,从而引起光子的发射。LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源,同时按照LED器件的要求完成与LED的电压和电流的匹配。LED驱动电路除了要满足安全要求外,另外的基本功能应有两个方面:

一是尽可能保持恒流特性,尤其在电源电压发生±15%的变动时,仍应能保持输出电流在±10%的范围内变动。

1、避免驱动电流超出最大额定值,影响其可靠性。

2、获得预期的亮度要求,并保证各个LED亮度、色度的一致性。

二是驱动电路应保持较低的自身功耗,这样才能使LED的系统效率保持在较高水准。

PWM(脉宽调制)技术是一种传统的调光方式,它利用简单的数位脉冲,反覆开关LED驱动器,系统只需要提供宽、窄不同的数位式脉冲,即可简单地实现改变输出电流,从而调节LED的亮度。该技术的优点在于能够提供高品质的白光,以及应用简单,效率高,但一个致命的缺点是容易产生电磁干扰,有时甚至会产生人耳能听见的杂讯。

升压是LED驱动电路的重要任务,而电感升压和电荷泵升压是两种不同的拓扑模式。“由于LED是由电流驱动的,而电感在进行电流转换时效率最高,因此电感升压方式最大的优点就是效率高,如果设计得当可以超过90%;不过它的缺点也同样明显,就是电磁干扰很强,对手机等通信产品的系统要求就非常高。随着电荷泵的出现,采用电荷泵的升压方式其效率将低于电感升压。

无论在照明应用还是背光应用领域,提高驱动电路的转换效率都是产品设计者必须面对的问题。提高转换效率,不仅有利于可携式产品延长待机时间,同时也是解决LED散热问题的重要手段。在照明领域,由于使用大功率LED,因此提高转换效率就显得尤为重要。

LED在工作时需要有稳流、稳压的元件,但是此类元件应具备自身承担的分压高,但功耗要小的特性,否则将使具有较高效率的LED因为驱动电路的工作功耗太大而使总体系统的效率大为降低,有悖于节能高效的宗旨。所以应尽可能不采用电阻或串联稳压电路来作为LED驱动器的限流主电路,而应该采用电容、电感或有源开关电路等高效电路,这样才能保证LED系统的高效率。采用串联式集成恒功率输出电路,可以使LED的光输出在很宽的电源范围内保持恒定,但一般的IC电路会因此而使效率有所下降。采用有源开关电路可以保证在较高的转换效率下实现电源电压大幅度变化时恒功率输出。

但是以其独特的长处,可以在安全特地电压(游泳池、划水池内水下灯具、矿灯)条件下高效工作。此外,在直接采用绿色电能(太阳能、风能等),以及应急照明方面也有着其独特的优势。尤其在调光方面,LED不仅可实现0~100%的调光,并且可保证在整个调光过程保持较高光效,并且不损害LED的寿命,而气体放电灯则很难做到这一点。

 

LED显示屏恒流驱动要求

LED驱动电路除了要满足安全要求外,另外的基本功能应有两个方面:

一是尽可能保持恒流特性,尤其在电源电压发生±15%的变动时,仍应能保持输出电流在±10%的范围内变动.主要原因是:1、避免驱动电流超出最大额定值,影响其可靠性.2、获得预期的亮度要求,并保证各个LED亮度、色度的一致性。

二是驱动电路应保持较低的自身功耗,这样才能使LED的系统效率保持在较高水准。

 

直流控制

LED是由电流驱动的器件,其亮度与正向电流呈比例关系。有两种方法可以控制正向电流。

第一种方法是采用LEDV-I曲线来确定产生预期正向电流所需要向LED施加的电压。其实现方法一般采用一个电压电源和一个镇流电阻器。如下所述,此方法有多项不足之处。LED正向电压的任何变化都会导致LED电流的变化。如果额定正向电压为3.6V,则图1中LED的电流为20mA。如果电压变为4.0V,这是温度或制造变化引起的特定压变,那么正向电流则降低到14mA。正向电压变化11%会导致更大的正向电流变化,达30%。另外,根据可用的输入电压,镇流电阻的压降和功耗会浪费功率和降低电池使用寿命。

第二种方法、也是首选的LED电流调整方法是利用恒流电源来驱动LED。

 

高效率

便携式应用中电池使用寿命是至关重要的。LED驱动器如果实用,就必须具备高效性。LED驱动器的效率测量与典型电源的效率测量不同。典型电源效率测量的定义是输出功率除以输入功率。而对于LED驱动器来说,输出功率并非相关参数。重要的是产生预期LED亮度所需要的输入功率值。这可以简单地通过使LED功率除以输入功率来确定。请注意:如果这样定义效率的话,则电流检测电阻器中的功耗会导致电源功率耗散。通过图3所示的公式,我们可以看出较小的电流传感电压会产生较高效率的LED驱动器。图4说明了选用0.25V参考电压的电源与选用1V参考电压的电源相比,二者的效率提高情况。较低的电流传感电压电源更为有效,无论输入电压或LED电流如何,只要其他条件相同,较低的参考电压都可以提高效率并延长电池的使用寿命。

 

《结语》LED显示屏电源恒流驱动是非常重要的一环,是直接影响到使用效果、使用寿命和安全隐患的,无论是厂家还是客户,都应该重视而不是为了接单而将其重要成都拉低。