LED照明驅(qū)動設計基礎知識詳解

另一方面，LED照明設計也給包括中國工程師在內(nèi)的工程社群帶來了挑戰(zhàn)，這不僅因為LED照明的應用范圍非常廣泛，應用的功率等級、可以采用的驅(qū)動電源種類及電源拓撲結(jié)構(gòu)等，也各不相同。工程師們迫切需要系統(tǒng)地學習及了解更多有關(guān)LED照明設計的基礎知識。有鑒于此，安森美半導體的產(chǎn)品應用總監(jiān)Bernie Weir先生近期專門撰寫相關(guān)培訓資料，為工程師們傳授相關(guān)的設計基礎知識，內(nèi)容涉及LED驅(qū)動器的通用要求、電源拓撲結(jié)構(gòu)、功率因數(shù)校正、電源轉(zhuǎn)換能效和驅(qū)動器標準，以及可靠性和使用壽命等其它問題，方便他們更好地設計入門及提高，從而更好地服務于LED照明市場。限于篇幅，本文是該培訓資料的摘要介紹。

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(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(qū)動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。

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(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

LED驅(qū)動電源的拓撲結(jié)構(gòu)

采用AC-DC電源的LED照明應用中，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、正激及半橋等拓撲結(jié)構(gòu)，參見圖3，其中反激拓撲結(jié)構(gòu)是功率小于30 W的中低功率應用的標準選擇，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。

采用DC-DC電源的LED照明應用中，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，基本的應用示意圖參見圖4。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(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，復雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問題。LED DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器常見的拓撲結(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24 Vdc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12 Vdc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12 Vdc或12 Vac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，其應用示意圖參見圖5。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。

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(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED驅(qū)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(gòu)大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設施中的商業(yè)應用，此外，公用事業(yè)機構(gòu)購入/維護街燈時，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)(通常>0.95+)。

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，能夠達到約0.8或更高的功率因數(shù)。其中，在小于5 W至40 W的較低功率應用中，幾乎是標準選擇的反激式拓撲結(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(見圖6)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277 Vac的寬輸入范圍下，PFC輸出電壓范圍達直流450至480 Vdc。如果恰當?shù)卦O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。

能效問題

LED照明應用的能效需要結(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應用可以采用兩段式分布拓撲結(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，要求標準工作模式下最低能效達87%，而低壓工作模式下最低能效達86%；在此規(guī)范中，功率大于100 W時才要