照明用LED驅動電源設計詳細圖解

　　LED 的排列方式及LED 光源的規(guī)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(zhàn)，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(lián)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(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 正向電壓的應用，并獲得其它優(yōu)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?！?/FONT>

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。

圖2 LED驅動器的基本工作電路示意圖

　　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(yōu)勢包括優(yōu)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(shù)字或多級）、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。

　　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(zhí)行各自功能，而脈寬調制（PWM）穩(wěn)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(shù)隔離型 LED 驅動器基本上采用“電子”變壓器。　　

圖3 常見的隔離線拓撲結構

　　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(wěn)壓器及開關穩(wěn)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(lián)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(wěn)壓器同樣易于設計且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)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(wěn)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?！?/FONT>

圖4 常見的DC-DC LED驅動方式

　　開關穩(wěn)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(wěn)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(lián)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(lián)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(lián)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(fā)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(yōu)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(xiàn)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(tài)的影響。

圖5 直接采用交流驅動LED的示意圖

　　三、 功率因數(shù)校正

　　美國能源部（DOE）“能源之星”（ENERGYSTAR）固態(tài)照明（SSL）規(guī)范中規(guī)定任何功率等級皆須強制提供功率因數(shù)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(shù)須大于0.7，而商業(yè)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(guī)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(shù)（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(shù)，但某些應用可能有這方面的要求，如公用事業(yè)機構大力推動擁有高功率因數(shù)的產品在公用設施中的商業(yè)應用，此外，公用事業(yè)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(shù)（通?！?.95+）。