照明級驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)（一）

LED 的排列方式及LED 光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動(dòng)器要求。LED驅(qū)動(dòng)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(jì)需要考慮的因素。

一、LED驅(qū)動(dòng)器通用要求

驅(qū)動(dòng)LED 面臨著不少挑戰(zhàn)，如正向電壓會(huì)隨著溫度、電流的變化而變化，而不同個(gè)體、不同批次、不同供應(yīng)商的LED 正向電壓也會(huì)有差異;另外，LED 的“色點(diǎn)”也會(huì)隨著電流及溫度的變化而漂移。

另外，應(yīng)用中通常會(huì)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(dòng)串聯(lián)的單串LED， 因?yàn)檫@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(gè)LED 因故障開路，電路中僅有1 個(gè)LED 的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)加倍，從而盡量減少對整個(gè)電路的影響。

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(qū)動(dòng)器要求。LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意圖

值得一提的是，在LED 照明設(shè)計(jì)中，AC-DC 電源轉(zhuǎn)換與恒流驅(qū)動(dòng)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(dú)存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。

LED 驅(qū)動(dòng)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(jì)能嚴(yán)格限定電流;也可能會(huì)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(jì)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(dòng)?

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(jī)械連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等?

二、LED驅(qū)動(dòng)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)，參見圖3，其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30 W 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(dòng)器基本上采用“電子”變壓器。

圖3、常見的隔離式拓?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(dòng)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)用示意圖參見圖 4。電阻型驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式易于設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護(hù)(fold back)，且提供外部電流設(shè)定點(diǎn)，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(dòng)。

圖4、常見的DC-DCLED驅(qū)動(dòng)方式

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。LED DC-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(shí)采用降壓結(jié)構(gòu)，如采用24 Vdc 驅(qū)動(dòng)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(shí)采用升壓結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 驅(qū)動(dòng) 6 顆串聯(lián)的LED;而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)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(dòng) 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(dòng)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(shí)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(huì)察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)計(jì)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。

圖5、直接采用交流驅(qū)動(dòng)的LED示意圖