LED電源設(shè)計及經(jīng)驗匯編

單獨存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。LED驅(qū)動器根據(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)計能嚴(yán)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(fù)載的LED的正向電壓確定其電流。

　　總的來看，LED照明設(shè)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(qū)動

　　功能要求：調(diào)光要求、調(diào)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(hù)特性）、要遵從的標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動電源的拓?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)，其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30W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)動器基本上采用“電子”變壓器。

　　常見的隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　采用DC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，可以采用的LED驅(qū)動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關(guān)穩(wěn)壓器等，基本的應(yīng)用示意圖參見電阻型驅(qū)動方式中，調(diào)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(qū)動方式易于設(shè)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。

　　常見的DC-DCLED驅(qū)動方式

　　線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計且沒有EMC問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護(hù)（foldback），且提供外部電流設(shè)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(guān)穩(wěn)壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關(guān)（FET）的開和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動。

　　開關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關(guān)，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復(fù)雜度也更高，且存在電磁干擾（EMI）問題。LEDDC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、降壓-升壓（Buck-Boost）或單端初級電感轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，如采用24Vdc驅(qū)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(jié)構(gòu)，如采用12Vdc驅(qū)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(jié)構(gòu)，如采用12Vdc或12Vac驅(qū)動4顆串聯(lián)的LED，但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。

　　采用交流電源直接驅(qū)動LED的方式近年來也獲得了一定的發(fā)展，其應(yīng)用示意圖參見。這種結(jié)構(gòu)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(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢，如避免AC-DC轉(zhuǎn)換所帶來的功率損耗等。但是，這種結(jié)構(gòu)中LED在低頻開關(guān)，故人眼可能會察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)計中還需要加入LED保護(hù)措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。

　　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(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9;但是，這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)。歐盟的IEC61000-3-2諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定了功率大于25W的照明應(yīng)用的總諧波失真性能，其最大限制相當(dāng)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(yīng)用中改善功率因數(shù)，但某些應(yīng)用可能有這方面的要求，如公用事業(yè)機構(gòu)大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用，此外，公用事業(yè)機構(gòu)購入/維護(hù)街燈時，也可以根據(jù)他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(shù)（通?！?.95+）。

　　PFC技術(shù)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(dá)到約0.8或更高的功率因數(shù)。其中，在小于5W至40W的較低功率應(yīng)用中，幾乎是標(biāo)準(zhǔn)選擇的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要采用無源元件及稍作電路改動，即可實現(xiàn)高于0.7的功率因數(shù)。有源PFC通常是作為一個專門的電源轉(zhuǎn)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277Vac的寬輸入范圍下，PFC輸出電壓范圍達(dá)直流450至480Vdc.如果恰當(dāng)?shù)卦O(shè)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(zhuǎn)換來提供電流穩(wěn)流。

　　四、能效問題

　　LED照明應(yīng)用的能效需要結(jié)合功率輸出來考慮。美國“能源之星”固態(tài)照明規(guī)范規(guī)定了照明器具級的能效，但并不涉及單獨LED驅(qū)動器的能效要求。如前所述，采用AC-DC電源的LED應(yīng)用可以采用兩段式分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(guān)單輸出外部電源的規(guī)范，其2.0版外部電源規(guī)范于2008年11月開始生效，要求標(biāo)準(zhǔn)工作模式下最低能效達(dá)87%，而低壓工作模式下最低能效達(dá)86%;在此規(guī)范中，功率大于100W時才要求PFC.美國能源部2008年秋季提出的LED照明燈具能效研發(fā)目標(biāo)而在采用AC-DC電源的LED應(yīng)用中，要提供更高的AC-DC轉(zhuǎn)換能效，就涉及到成本、尺寸、性能規(guī)范及能效等因素之間的折衷問題。例如，若使用更高質(zhì)量的元件、更低導(dǎo)通阻抗（RDSon），就可降低損耗及改善能效;降低開關(guān)頻率一般會改善能效，但卻會增加系統(tǒng)尺寸。諸如諧振這樣新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供更高能效，卻也增加設(shè)計及元件的復(fù)雜度。如果我們將設(shè)計限定在較窄的功率及電壓范圍，則可以幫助優(yōu)化能效。

　　五、驅(qū)動器標(biāo)準(zhǔn)

　　LED驅(qū)動器本身也在不斷演進(jìn)，著重于進(jìn)一步提高能效、增加功能及功率密度。美國“能源之星”的固態(tài)照明規(guī)范提出的是照明器具級的能效限制，涉及包括功率因數(shù)在內(nèi)的特定產(chǎn)品要求。而歐盟的IEC61347-2-13（5/2006）標(biāo)準(zhǔn)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≤25Vrms（35.3Vdc）不同故障條件下“恰當(dāng)”/安全的工作故障時不冒煙或易燃此外，ANSIC82.xxxLED驅(qū)動器規(guī)范仍在制定之中。而在安全性方面，需要遵從UL、CSA等標(biāo)準(zhǔn)，如UL1310（Class2）、UL60950、UL1012.此外，LED照明設(shè)計還涉及到產(chǎn)品壽命周期及可靠性問題。

　　設(shè)計LED驅(qū)動電源的七個心得

　　1、放棄4路以上輸出，發(fā)展單路或兩路輸出，放棄大電流和超大電流，發(fā)展小電流。

　　輸出路數(shù)越多越復(fù)雜，不同出路之間的電流干擾解決起來成本很高，如不解決則故障率較高。另外輸出路數(shù)越多則總輸出電流也就越大，而電流是發(fā)熱的主要原因，電壓本身不直接導(dǎo)致發(fā)熱，簡單來說發(fā)熱量與電流的平方成正比，也就是說電流增加到原來的2倍的話，發(fā)熱量將增加到原來的4倍，電流增加到原來3倍，發(fā)熱量將增加到原來9倍。綜上所述，單路或兩路輸出的LED燈電源故障率會降低很多。

　　2、智能控制是LED燈具的優(yōu)勢之一，而電源是智能控制的關(guān)鍵。

　　智能控制在LED路燈和LED隧道燈照明應(yīng)用上條件最成熟效果最明顯，智能控制能在不同時間段、根據(jù)道路車流密度來實現(xiàn)燈具功率的無級控制，既滿足應(yīng)用要求，又實現(xiàn)巨大的節(jié)能效果，可以為公路主管單位節(jié)省大量經(jīng)費。在隧道照明上的應(yīng)用不但可以節(jié)能，還可以按照隧道外的亮度情況自動調(diào)節(jié)隧道出入口亮度，給司機提供一個視覺過度階段，以保證駕駛安全。

　　3、放棄大功率、超大功率，選擇較高穩(wěn)定性的中小功率電源。

　　因為功率越大，發(fā)熱量越大，里面的零部件也越緊湊，不利于散熱，而溫度正是電源發(fā)生故障的罪魁禍?zhǔn)?。再者，小功率電源相對來說發(fā)展的較為成熟，穩(wěn)定性和成本方面都有優(yōu)勢。其實很多大功率電源方案都沒有經(jīng)過時間驗證及實踐證明，都是匆匆上馬的項目，都是實驗性的產(chǎn)品，因此故障層出不窮。相比之下中小功率電源因發(fā)展較早，技術(shù)方案要成熟的多。

　　4、散熱和防護(hù)是電源故障的主要外部因素。

　　不僅電源本身會發(fā)熱，燈具也會發(fā)熱，這兩種熱源如何合理的散發(fā)出去是燈具設(shè)計工程師必須考慮的問題，一定要防止熱量的過度集中，形成熱島效應(yīng)，影響電源壽命。采用分離式電源方案是一個好的選擇。

　　5、維護(hù)的可行性。

　　電源的故障問題不可能完全避免，成都朝月光電提出了維護(hù)簡便性原則。只有把電源的更換做的跟常規(guī)照明的光源的更換那么簡便時，才能是用戶用的開心，即便是電源壞了，心情也不會太差，而用戶的心情好壞決定著LED燈廠家的命運。

　　6、防護(hù)性能。

防護(hù)問題也很重要，水分的滲透可能引起電源的短路，外殼上的沙塵會影響電源