照明用LED的低壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析

照明用LED光源的VF電壓都很低，一般VF=2.75-3.8V，IF在15-1400mA;因此LED驅(qū)動(dòng)IC的輸出電壓是VFXN或VFX1,IF恒流在15-1400mA。LED燈具使用的LED光源有小功率(IF=15-20mA)和大功率(IF>200mA))二種，小功率LED多用來(lái)做LED日光燈、裝飾燈、格柵燈;大功率LED用來(lái)做家庭照明燈、射燈、水底燈、洗墻燈、路燈、隧道燈、汽車工作燈等。功率LED光源是低電壓、大電流驅(qū)動(dòng)的器件，其發(fā)光的強(qiáng)度由流過(guò)LED的電流大小決定，電流過(guò)強(qiáng)會(huì)引起LED光的衰減，電流過(guò)弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，因此，LED的驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。在LED照明領(lǐng)域，要體現(xiàn)出節(jié)能和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，選擇好LED驅(qū)動(dòng)IC至關(guān)重要，沒(méi)有好的驅(qū)動(dòng)IC的匹配，LED照明的優(yōu)勢(shì)無(wú)法體現(xiàn)。

1 LED工作要素

LED工作的主要參數(shù)是VF、IF，其它相關(guān)的是顏色/色溫/波長(zhǎng)/亮度/發(fā)光角度/效率/功耗等。LED是一個(gè)P-N結(jié)二極管，只有施加足夠的正向電壓才能傳導(dǎo)電流。VF正向電壓是為L(zhǎng)ED發(fā)光建立一個(gè)正常的工作狀態(tài)，IF正向電流是促使LED發(fā)光，發(fā)光亮度與流過(guò)的電流成正比例。LEDVF標(biāo)稱電壓：3.4V±0.2V。

LEDIF工作電流按應(yīng)用需要選用，各檔不能混用。

LED燈用各檔LED電流見(jiàn)下表：

2 大功率照明用LED

大功率照明用LED其封裝從成品來(lái)看是單顆芯片的，其實(shí)是用N顆LED管芯封裝在一個(gè)單位里的。它們的排列組合是串并聯(lián)，它們是N個(gè)串聯(lián)，再N個(gè)并聯(lián)，然后由二點(diǎn)聯(lián)接電源(圖1)。選用時(shí)要特別注意它的VF和IF。

圖1 大功率照明用LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 LED燈具驅(qū)動(dòng)原理

LED燈具驅(qū)動(dòng)需要先將高壓的交流電變換成低壓的交流電(AC/AC)，然后將低壓的交流電經(jīng)橋式整流變換成低壓的直流電(AC/DC)，再通過(guò)高效率的DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器降壓和變換成恒流源，輸出恒定的電流驅(qū)動(dòng)LED光源。LED光源是按燈具的設(shè)計(jì)要求由小功率或大功率LED多串多并而組成。每串的IF電流是按所選用的LED光源IF要求設(shè)計(jì)，總的正向電壓△VF是N顆LED的總和。

LED燈具驅(qū)動(dòng)原理如圖2所示。

LED燈具選用36V以下的交流電源可以考慮非隔離供電，如選用220V和100V的交流電源應(yīng)考慮隔離供電。

圖2 LED燈具驅(qū)動(dòng)原理

4 LED燈具的低壓驅(qū)動(dòng)

目前MR11、MR16射燈、水底燈、洗墻燈、路燈、隧道燈、汽車工作燈等LED燈具大多選用散熱較好的自帶銅基或鋁基板的1W、3W大功率LED光源，使用AC/DC12-36V電源，因而需要使用DC/DC的降壓(Buck)+恒流給LED提供VF和IF。LED燈具大多使用低壓電源，因此在這類燈具的電路設(shè)計(jì)上，LED的串聯(lián)個(gè)數(shù)在1-9顆，尤以1-3顆為常見(jiàn)。串聯(lián)的總△VF應(yīng)低于電源Vin。如三顆LED串聯(lián)，△VF=3.4VX3=10.2V。在Vin>12V，能正常工作。MR11、MR16射燈常見(jiàn)的是1WX3串聯(lián)或3WX1;水底燈常見(jiàn)的是1WX3串聯(lián)2-3并，三個(gè)一組;洗墻燈常見(jiàn)的是1WX7-9串聯(lián);路燈常見(jiàn)的是1WX9串聯(lián)3并，4--6個(gè)一組;、汽車工作燈常見(jiàn)的是1WX3-6串聯(lián)3并。當(dāng)然LED的串并聯(lián)的方案是多種多樣的，串聯(lián)個(gè)數(shù)與其工作電壓(Vin)有關(guān)，這里就DC12-36V工作電壓而言。目前1W的LED光源散熱較好，因此選用較多。

4.1 LED燈具對(duì)低壓驅(qū)動(dòng)芯片的要求

1)驅(qū)動(dòng)芯片的標(biāo)稱輸入電壓范圍應(yīng)當(dāng)滿足DC8-40V，以覆蓋應(yīng)用面的需要，耐壓如能大于45V更好;AC12V或24V輸入時(shí)簡(jiǎn)單的橋式整流器輸出電壓會(huì)隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)，特別是電壓偏高時(shí)輸出直流電壓也會(huì)偏高，驅(qū)動(dòng)IC如不能適應(yīng)寬電壓范圍，往往在電網(wǎng)電壓升高時(shí)會(huì)被擊穿，LED光源也因此被燒毀。

2)驅(qū)動(dòng)芯片的標(biāo)稱輸出電流要求大于1.2-1.5A，作為照明用的LED光源，1W功率的LED光源其標(biāo)稱工作電流為350mA，3W功率的LED光源其標(biāo)稱工作電流為700mA，功率大的需要更大的電流，因此LED照明燈具選用的驅(qū)動(dòng)IC必需有足夠的電流輸出，設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)必需使驅(qū)動(dòng)IC工作在滿負(fù)輸出的70-90%的最佳工作區(qū)域。使用滿負(fù)輸出電流的驅(qū)動(dòng)IC在燈具狹小空間散熱不暢，容易疲勞和早期失效。

3)驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電流必需長(zhǎng)久恒定，LED光源才能穩(wěn)定發(fā)光，亮度不會(huì)閃爍;同一批驅(qū)動(dòng)芯片在同等條件下使用，其輸出電流大小要盡可能一致，也就是離散性要小，這樣在大批量自動(dòng)化生產(chǎn)線上生產(chǎn)才能有效和有序;對(duì)于輸出電流有一定離散性的驅(qū)動(dòng)芯片必選在出廠或投入生產(chǎn)線前分檔，調(diào)整PCB板上電流設(shè)定電阻(Rs)的阻值大小，使之生產(chǎn)的LED燈具恒流驅(qū)動(dòng)板對(duì)同類LED光源的發(fā)光亮度一致，保持最終產(chǎn)品的一致性。

4)驅(qū)動(dòng)芯片的封裝應(yīng)有利于驅(qū)動(dòng)芯片管芯的快速散熱，如將管芯(Die)直接綁定在銅板上，并有一Pin直接延伸到封裝外，便于直接焊接在PCB板的銅箔上迅速導(dǎo)熱(圖3)。如在一個(gè)類似4X4mm的硅片管芯上，要長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)300-1000mA的電流，必然有功耗，必然會(huì)發(fā)熱，芯片本身的物理散熱結(jié)構(gòu)也是至關(guān)重要的。

圖3 驅(qū)動(dòng)IC剖面 驅(qū)動(dòng)IC俯視

5)驅(qū)動(dòng)芯片本身的抗EMI、噪音、耐高壓的能力也關(guān)系到整個(gè)LED燈具產(chǎn)品能否順利通過(guò)CE、UL等認(rèn)證，因此驅(qū)動(dòng)芯片本身在設(shè)計(jì)伊始就要選用優(yōu)秀的拓樸結(jié)構(gòu)和高壓的生產(chǎn)工藝。

6)驅(qū)動(dòng)芯片自身功耗要求小于0.5W，開(kāi)關(guān)工作頻率要求大于120Hz，以免工頻干擾而產(chǎn)生可見(jiàn)閃爍應(yīng)用方案簡(jiǎn)潔的PT4115：

PT4115具備高度集成的DC/DC-Buck→ConstantCurrent功能，它能將直流電壓直接轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的恒流輸出。應(yīng)用方案簡(jiǎn)潔的PT4115實(shí)用電路如圖4。

圖4 應(yīng)用方案簡(jiǎn)潔的PT4115實(shí)用電路