LED電源設(shè)計及經(jīng)驗匯編

　　隨著LED照明的發(fā)展，led驅(qū)動電源的入行者人數(shù)在激增。其中有從其他電源設(shè)計或者電子行業(yè)轉(zhuǎn)行而來，但更多的確是眾多的新入行者。OFweek電源網(wǎng)小編在這里整理前人經(jīng)驗，摘錄匯總led電源的常見設(shè)計思路、問題與注意事項。希望對新進(jìn)者有所幫助...

　　LED電源及其基本驅(qū)動電路設(shè)計

　　LED供電的原始電源目前主要有三種：即低壓電池、太陽能電池和交流市電電源。無論是采用哪一種原始電源，都必須經(jīng)過電源變換來滿足LED的工作條件。這種電源變換電路，一般來說就是指的LED驅(qū)動電路。在LED太陽能供電系統(tǒng)中，還需要蓄電池或超級電容器，用以儲存太陽能。在夜晚需要照明時，蓄電池或超級電容器再通過控制電路放電，為LED驅(qū)動電路供電。

　　太陽能和風(fēng)能與LED的結(jié)合，是LED應(yīng)用的一大亮點，它將為第三世界的貧困和邊遠(yuǎn)地區(qū)帶來光明，讓綠色照明的光輝照亮世界的每一個角落。

　　一、低壓直流供電的LFD驅(qū)動電路

　　1.當(dāng)輸入電壓高于LED電壓時

　　當(dāng)輸入電壓高于LED或LED串的電壓降時，通常采用線性穩(wěn)壓器或開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器。

　　(1)線性穩(wěn)壓器

　　線性穩(wěn)壓器是一種DC-DC降壓式變換器。LED驅(qū)動電路所采用的線性穩(wěn)壓器大都為低壓差穩(wěn)壓器(LDO)，其優(yōu)點是不需要電感元件，所需元件數(shù)量少，不產(chǎn)生EMI,自身電壓降比較低。但是與開關(guān)型穩(wěn)壓器相比，LDO的功率損耗還是較大，效率較低。LDO在驅(qū)動350mA以上的大功率LED串時，往往需要加散熱器。

　　(2)開關(guān)型降壓(buck)穩(wěn)壓器

　　基于單片專用IC的開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器需要一個電感元件。許多降壓穩(wěn)壓器開關(guān)頻率達(dá)1MHz以上，致使外部元件非常小，占據(jù)非常小的空間，效率達(dá)90%以上。但這種變換器會產(chǎn)生開關(guān)噪聲，存在EMI問題。圖1所示是基于Zetex公司ZXSC300的3WLED降壓型驅(qū)動電路。其中的RCS為電流傳感電阻，D1為1A的肖特基二極管。在6V的輸入電壓下，通過LED的電流達(dá)1.11A.ZXSC300采用5引腳SOT23封裝。

　　目前有很多降壓變換器單片IC將開關(guān)MOSFET(Q1)和降壓二極管(D1)也集成在同一芯片上，使外部元件數(shù)量進(jìn)一步減少。

　　2.當(dāng)輸入電壓低于LED電壓時

　　當(dāng)輸入電壓低于LED或LED串的總正向壓降時，LED需要升壓型驅(qū)動電路。升壓型變換器主要有以下兩種類型。

　　(1)電感升壓變換器

　　在手機(jī)背光照明中，常使用電感升壓型LED驅(qū)動電路。開關(guān)型電感升壓變換器被用作驅(qū)動一個或多個LED組成的LED串，通過每個LED的電流相等。如果LED串中有一個LED開路，其他LED將會熄滅。圖2所示為電感升壓型LED驅(qū)動電路，LED串由8只日亞化工公司的NSPW500BS型白光LED組成，在4V的輸入電壓下，通過每個LED的電流約為25mA。

　　目前絕大多數(shù)升壓穩(wěn)壓器IC,都將開關(guān)管集成在芯片中，有的還集成了肖特基二極管。

　　(2)開關(guān)電容(電荷泵)升壓變換器

　　開關(guān)電容升壓轉(zhuǎn)換器亦即電荷泵。電荷泵專用IC內(nèi)置切換開關(guān)，外接1個或兩個1μF的充放電電容。電荷泵工作模式有1×、1.5×和2×，近幾年又出現(xiàn)了1.33×(4/3倍)和4×模式。在輸出電壓接近輸入電壓時，電荷泵不需要升壓，即在1×模式工作。當(dāng)需要升壓時，則切換到1.5×或其他工作模式。電荷泵電路可以驅(qū)動LED陣列，也可只驅(qū)動1個LED.圖3所示為基于MAXl570的電荷泵驅(qū)動5個白光LED的電路。MAX1570采用4mm×4mm的16引腳QFN封裝，最大厚度為0.8mm.MAX1570輸入電壓范圍為2.7V~5.5V,在1MHz的固定頻率和在1×及1.5×模式高效工作，為LED提供30mA的恒流，LED電流匹配精度達(dá)0.3%,并且LED電流可由單個電阻RsEr設(shè)置?？赏ㄟ^數(shù)字輸入或PWM來控制LED亮度，在關(guān)閉狀態(tài)僅消耗0.1μA的電流。

　　3.當(dāng)輸入電壓既可能高于也可能低于LED電壓時

　　在輸入電壓既可能高于，也可能低于LED或LED串的總電壓降時，就必須使用降壓/升壓變換器?；贚T℃3783的降壓/升壓型變換器驅(qū)動8只1.5A串聯(lián)LED的電路如圖4所示。該LED串驅(qū)動電路的輸入電壓范圍為9~36V,LED串的總電壓降范圍為18~37V.在VIN=14.4V,Vo=36V和I0=1.5A條件下，輸出功率為54W,效率達(dá)93%.電路的開關(guān)頻率由IC腳FREQ上的

　　電阻R5設(shè)置(頻率范圍為20kHz~1MHz)，R7與R8組成的分壓器設(shè)置輸出過電壓保護(hù)電平，連接在IC腳FBP與高側(cè)線路之間的R4,用作感測LED電流。LTC3783支持多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。用其還可以構(gòu)筑升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器等電路。

　　回掃變換器、單端初級電感變換器(SEPIC)和CUK穩(wěn)壓器等，都可以升高或降低輸入電壓，

　　輸出與輸入電壓在極性上可以相同或相反。每種拓?fù)涠加歇毺氐膬?yōu)勢，但效率都比降壓一升壓穩(wěn)壓器低。

　　二、交流市電供電的LED驅(qū)動電路

　　1.電容降壓型LED驅(qū)動電路

　　圖5所示為電容降壓型LED驅(qū)動電路(注：圖5電路繪于上期本版)。圖中，C1為降壓電容，R1為泄放電阻，DI~D5為橋式整流器，C2、C3為濾波電容，RVl用作瞬態(tài)過電壓保護(hù)，R2為限流電阻。在220V50Hz的輸入電源下，通過電容C1的電流為I=69C1(C1單位為μF,I單位為mA)。若選擇C1為0.471μF,電流約為32mA.在此情況下，R1值可選擇1MΩ。

　　電容降壓型LED驅(qū)動電路僅適合于小功率應(yīng)用，不能提供較大的驅(qū)動電流，而且效率很低。其優(yōu)點是成本低，電路簡單。

　　2.變壓器降壓LED驅(qū)動電路

　　一種采用電源變壓器降壓的LED驅(qū)動電路如圖6所示。變壓器次邊輸出為12Vac,白光LED的正向壓降VF=3.5V,正向電流IF=350mA.橋式整流濾波電壓為12Vx2,限流電阻R1值為R1=(12V×2-3xVF)/IF=(12V×2-3×3.5V)/350mA=18.3Ω

　　選擇R1=20Ω。R1在350mA下的功耗為0.352×20=2.45W,可選擇3W的電阻。在R1=20下Ω，通過LED的電流為：

　　ILED=(12V×2-3×3.5V)/20Ω=323mA

　　若橋式整流器輸入電壓波動±10%,在10.8Vac下的LED電流為238mA,在13.2Vac下的LED電流則為429mA,導(dǎo)致LED電流變化率超過±25%.由此可見，雖然圖6所示的電路比較簡單，但電流調(diào)整能力很差，并且電源變壓器大而笨重，不易于實現(xiàn)電路的小型化和輕量化。

　　圖7所示為采用線性穩(wěn)壓器MC7809的白光LED驅(qū)動電路，其AC輸入電壓(12Vac)為電源變壓器(或電子變壓器輸出。MC7809的DC輸出電壓為9V,R1值為：R1=(Vout-2×VF)/IF(9V-2x3.5V)/350mA=5.7ΩR1消耗的功率為：

　　p=12×R=(0.35A)2×5.7Ω=0.698W

　　MC7809的功耗為：P=(12V×根號(2)2-9V)×IF=(17-9V)×0.35A=2.8W采用線性穩(wěn)壓器后，電流調(diào)整率達(dá)±5%,但功率耗散較大，效率較低。

　　如果采用安森美公司生產(chǎn)的線性電流源NUD4001取代線性穩(wěn)壓器，電流調(diào)整率可低于1%,NUD4001的自身功耗在350mA下，僅為0.875W.

　　3.開關(guān)型穩(wěn)壓器

　　基于開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的離線LED驅(qū)動電路可以獲得80%左右的高效率，并且能提供恒流和恒壓輸出，但是電路比較復(fù)雜，成本較高，在有些情況下存在EMI問題。

　　圖8所示是基于控制器NCPl012的回掃(反激)式變換器驅(qū)動5個白光LED的電路。該電路的輸出DC電壓為17.5V,輸出功率為6.125W,效率接近80%.NCP1012的開關(guān)頻率為65kHz,提供動態(tài)自供電(DSS)、過電壓及短路保護(hù)和過溫度保護(hù)，無需變壓器提供偏置繞組。由于芯片上集成了功率MOSFET,使外部元件進(jìn)一步減少。

　　為滿足景觀照明、工業(yè)照明和建筑照明的需要，近期出現(xiàn)了很多用于驅(qū)動LED的離線控制器芯片。由于目前手機(jī)等便攜式設(shè)備已趨于飽和，LED的應(yīng)用將轉(zhuǎn)向景觀照明、汽車和大屏幕顯示及普通照明領(lǐng)域。離線開關(guān)型LED驅(qū)動電路，將成為今后占主導(dǎo)地位的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LED太陽能供電系統(tǒng)，將會有一個較大的發(fā)展。

　　LED照明驅(qū)動難題的解決思路

　　LED的排列方式及LED光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動器要求。LED驅(qū)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(jìn)行電氣隔離。文中論述了LED照明設(shè)計需要考慮的因素。

　　一、LED驅(qū)動器通用要求

　　驅(qū)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(yīng)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(yīng)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(qū)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(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。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(qū)動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。

　　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)動器要求。LED驅(qū)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(qū)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(shè)計中，AC-DC電源轉(zhuǎn)換與恒流驅(qū)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(nèi)，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