LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)-安森美培訓(xùn)資料

發(fā)光二極管(LED)繼在中小尺寸屏幕的便攜產(chǎn)品背光等應(yīng)用獲大量采用后，隨著它發(fā)光性能的進(jìn)一步提升及成本的優(yōu)化，近年來已邁入通用照明領(lǐng)域，如建筑物照明、街道照明、景觀照明、標(biāo)識(shí)牌、信號(hào)燈、以及住宅內(nèi)的照明等，應(yīng)用可謂方興未艾。

另一方面，LED照明設(shè)計(jì)也給包括中國(guó)工程師在內(nèi)的工程社群帶來了挑戰(zhàn)，這不僅因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LED">LED照明的應(yīng)用范圍非常廣泛，應(yīng)用的功率等級(jí)、可以采用的驅(qū)動(dòng)電源種類及電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，也各不相同。工程師們迫切需要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)及了解更多有關(guān)LED照明設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。有鑒于此，安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)Bernie Weir先生近期專門撰寫相關(guān)培訓(xùn)資料，為工程師們傳授相關(guān)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，內(nèi)容涉及LED驅(qū)動(dòng)器的通用要求、電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率因數(shù)校正、電源轉(zhuǎn)換能效和驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)，以及可靠性和使用壽命等其它問題，方便他們更好地設(shè)計(jì)入門及提高，從而更好地服務(wù)于LED照明市場(chǎng)。限于篇幅，本文是該培訓(xùn)資料的摘要介紹。

一、LED驅(qū)動(dòng)器通用要求

驅(qū)動(dòng)LED面臨著不少挑戰(zhàn)，如正向電壓會(huì)隨著溫度、電流的變化而變化，而不同個(gè)體、不同批次、不同供應(yīng)商的LED正向電壓也會(huì)有差異；另外，LED的“色點(diǎn)”也會(huì)隨著電流及溫度的變化而漂移。

另外，應(yīng)用中通常會(huì)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(qū)動(dòng)串聯(lián)的單串LED，因?yàn)檫@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(dāng)然，用戶也可以采用并聯(lián)、串聯(lián)-并聯(lián)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(yīng)用，并獲得其它優(yōu)勢(shì)。如在交叉連接中，如果其中某個(gè)LED因故障開路，電路中僅有1個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)加倍，從而盡量減少對(duì)整個(gè)電路的影響。

圖1：常見的LED排列方式

LED的排列方式及LED光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動(dòng)器要求。LED驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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。

圖2：LED驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意圖。

值得一提的是，在LED照明設(shè)計(jì)中，AC-DC電源轉(zhuǎn)換與恒流驅(qū)動(dòng)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(nèi)，這種配置的優(yōu)勢(shì)包括優(yōu)化能效及簡(jiǎn)化安裝等；2)分布式(distributed)配置，即兩者單獨(dú)存在，這種配置簡(jiǎn)化安全考慮，并增加靈活性。

LED驅(qū)動(dòng)器根據(jù)不同的應(yīng)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(shè)計(jì)能嚴(yán)格限定電流；也可能會(huì)采用恒流恒壓(CCCV)輸出工作，即提供恒定輸出功率，故作為負(fù)載的LED的正向電壓確定其電流。

總的來看，LED照明設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)?

功能要求：調(diào)光要求、調(diào)光方式(模擬、數(shù)字或多級(jí))、照明控制?

其他要求：能效、功率因數(shù)、尺寸、成本、故障處理(保護(hù)特性)、要遵從的標(biāo)準(zhǔn)及可靠性等?

更多考慮因素：機(jī)械連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等?

二、LED驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用AC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，電源轉(zhuǎn)換的構(gòu)建模塊包括二極管、開關(guān)(FET)、電感及電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能，而脈寬調(diào)制(PWM)穩(wěn)壓器用于控制電源轉(zhuǎn)換。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC電源轉(zhuǎn)換包含反激、正激及半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，參見圖3，其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30 W的中低功率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)選擇，而半橋結(jié)構(gòu)則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結(jié)構(gòu)中的變壓器而言，其尺寸的大小與開關(guān)頻率有關(guān)，且多數(shù)隔離型LED驅(qū)動(dòng)器基本上采用“電子”變壓器。