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第二講照明用LED驅動電源設計基礎

發布時間：2009-07-30 來源：電子元件技術網

LED 的排列方式及LED 光源的規范決定著基本的驅動器要求。LED 驅動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED 的電流，而無論輸入及輸出電壓如何變化。最常用的是采用變壓器來進行電氣隔離。文中論述了LED 照明設計需要考慮的因素

一、LED驅動器通用要求

驅動LED 面臨著不少挑戰，如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化，而不同個體、不同批次、不同供應商的LED 正向電壓也會有差異；另外，LED 的“色點”也會隨著電流及溫度的變化而漂移。

另外，應用中通常會使用多顆LED，這就涉及到多顆LED 的排列方式問題。各種排列方式中，首選驅動串聯的單串LED，因為這種方式不論正向電壓如何變化、輸出電壓(Vout)如何“漂移”，均提供極佳的電流匹配性能。

當然，用戶也可以采用并聯、串聯-并聯組合及交叉連接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED 正向電壓的應用，并獲得其它優勢。如在交叉連接中，如果其中某個LED 因故障開路，電路中僅有1 個LED 的驅動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。

LED 的排列方式及LED 光源的規范決定著基本的驅動器要求。LED 驅動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED 的電流，而無論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅動器基本的工作電路示意圖如圖2 所示，其中所謂的“隔離”表示交流線路電壓與LED(即輸入與輸出)之間沒有物理上的電氣連接，最常用的是采用變壓器來電氣隔離，而“非隔離”則沒有采用高頻變壓器來電氣隔離。



值得一提的是，在LED 照明設計中，AC-DC 電源轉換與恒流驅動這兩部分電路可以采用不同配置：

1)整體式(integral)配置，即兩者融合在一起，均位于照明燈具內，這種配置的優勢包括優化能效及簡化安裝等；

2)分布式(distributed)配置，即兩者單獨存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。

LED 驅動器根據不同的應用要求，可以采用恒定電壓(CV)輸出工作，即輸出為一定電流范圍下鉗位的電壓；也可以采用恒定電流(CC)輸出工作，輸出的設計能嚴格限定電流；也可能會采用恒流恒壓(CCCV)輸出工作，即提供恒定輸出功率，故作為負載的 LED 的正向電壓確定其電流。

總的來看，LED 照明設計需要考慮以下幾方面的因素：

    輸出功率：涉及LED 正向電壓范圍、電流及LED 排列方式等

? 電源：AC-DC 電源、DC-DC 電源、直接采用AC 電源驅動

? 功能要求：調光要求、調光方式(模擬、數字或多級)、照明控制

? 其他要求：能效、功率因數、尺寸、成本、故障處理(保護特性)、要遵從的標準及可靠性等

? 更多考慮因素：機械連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等

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二、LED 驅動電源的拓撲結構

采用AC-DC 電源的LED 照明應用中，電源轉換的構建模塊包括二極管、開關(FET)、電感及電容及電阻等分立元件用于執行各自功能，而脈寬調制(PWM)穩壓器用于控制電源轉換。

電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC 電源轉換包含反激、正激及半橋等拓撲結構，參見圖3，其中反激拓撲結構是功率小于30 W 的中低功率應用的標準選擇，而半橋結構則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結構中的變壓器而言，其尺寸的大小與開關頻率有關，且多數隔離型 LED 驅動器基本上采用“電子”變壓器。

采用 DC-DC 電源的LED 照明應用中，可以采用的LED 驅動方式有電阻型、線性穩壓器及開關穩壓器等，基本的應用示意圖參見圖 4。電阻型驅動方式中，調整與LED 串聯的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅動方式易于設計、成本低，且沒有電磁兼容(EMC)問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選(binning) LED，且能效較低。

線性穩壓器同樣易于設計且沒有EMC 問題，還支持電流穩流及過流保護(fold back)，且提供外部電流設定點，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關穩壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關(FET)的開和關，進而控制電流的流動。

開關穩壓器具有更高的能效，與電壓無關，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問題。LED DC-DC 開關穩壓器常見的拓撲結構包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉換器(SEPIC)等不同類型。

其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED 串最大電壓時采用降壓結構，如采用24 Vdc 驅動6 顆串聯的LED；與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時采用升壓結構，如采用12 Vdc 驅動 6 顆串聯的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC 結構，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅動 4 顆串聯的LED，但這種結構的成本及能效最不理想。

采用交流電源直接驅動LED 的方式近年來也獲得了一定的發展，其應用示意圖參見圖5。這種結構中LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在線路電壓大于正向電壓時才導通。這種結構具有其優勢，如避免AC-DC 轉換所帶來的功率損耗等。但是，這種結構中LED 在低頻開關，故人眼可能會察覺到閃爍現象。此外，在這種設計中還需要加入LED 保護措施，使其免受線路浪涌或瞬態的影響。
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三、功率因數校正

美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態照明(SSL)規范中規定任何功率等級皆須強制提供功率因數校正(PFC)。這標準適用于一系列特定產品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED 驅動器功率因數須大于0.7，而商業應用中則須大于0.9；但是，這標準屬于自愿性標準。歐盟的IEC61000-3-2 諧波含量標準中則規定了功率大于25 W 的照明應用的總諧波失真性能，其最大限制相當于總諧波失真(THD)< 35%，而功率因數(PF)>0.94。

雖然不是所有國家都絕對強制要求照明應用中改善功率因數，但某些應用可能有這方面的要求，如公用事業機構大力推動擁有高功率因數的產品在公用設施中的商業應用，此外，公用事業機構購入/維護街燈時，也可以根據他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(通常>0.95+)。

PFC 技術包括無源 PFC 及有源PFC 兩種。無源PFC 方案的體積較大，需要增加額外的元件來更好地改變電流波形，能夠達到約0.8 或更高的功率因數。其中，在小于5 W 至40 W 的較低功率應用中，幾乎是標準選擇的反激式拓撲結構只需要采用無源元件及稍作電路改動，即可實現高于0.7 的功率因數。

有源 PFC(見圖6)通常是作為一個專門的電源轉換段增加到電路中來改變輸入電流波形。有源PFC 通常提供升壓，交流100 至277 Vac的寬輸入范圍下，PFC 輸出電壓范圍達直流450 至480 Vdc。如果恰當地設計PFC 段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要專門的DC-DC 轉換來提供電流穩流。

四、能效問題

LED 照明應用的能效需要結合功率輸出來考慮。美國“能源之星”固態照明規范規定了照明器具級的能效，但并不涉及單獨 LED 驅動器的能效要求。如前所述，采用AC-DC 電源的LED應用可以采用兩段式分布拓撲結構，故可能采用外部AC-DC適配器供電。

而“能源之星”的確包含有關單輸出外部電源的規范，其 2.0 版外部電源規范于2008 年11 月開始生效，要求標準工作模式下最低能效達87%，而低壓工作模式下最低能效達86%；在此規范中，功率大于100 W 時才要求PFC。


而在采用AC-DC 電源的LED 應用中，要提供更高的AC-DC 轉換能效，就涉及到成本、尺寸、性能規范及能效等因素之間的折衷問題。例如，若使用更高質量的元件、更低導通阻抗(RDSon)，就可降低損耗及改善能效；降低開關頻率一般會改善能效，但卻會增加系統尺寸。諸如諧振這樣新的拓撲結構提供更高能效，卻也增加設計及元件的復雜度。如果我們將設計限定在較窄的功率及電壓范圍，則可以幫助優化能效。

五、驅動器標準

LED 驅動器本身也在不斷演進，著重于進一步提高能效、增加功能及功率密度。美國“能源之星”的固態照明規范提出的是照明器具級的能效限制，涉及包括功率因數在內的特定產品要求。而歐盟的IEC 61347-2-13 (5/2006)標準針對采用直流或交流供電的LED模塊的要求包括：

? 最大安全特低電壓(SELV)工作輸出電壓≤25 Vrms (35.3 Vdc)
? 不同故障條件下“恰當”/安全的工作
? 故障時不冒煙或易燃

此外，ANSI C82.xxx LED 驅動器規范仍在制定之中。而在安全性方面，需要遵從UL、CSA 等標準，如UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012。此外，LED 照明設計還涉及到產品壽命周期及可靠性問題。