照明用LED驅(qū)動電源設(shè)計詳細(xì)圖解

　　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。　

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。

圖2 LED驅(qū)動器的基本工作電路示意圖

　　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(jī)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)，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)動器基本上采用“電子”變壓器?！　?/FONT>

圖3 常見的隔離線拓?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(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。

　　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)（fold back），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?！?/FONT>

圖4 常見的DC-DC LED驅(qū)動方式

　　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(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。

圖5 直接采用交流驅(qū)動LED的示意圖

　　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(qiáng)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25 W 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(qiáng)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(jī)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(jī)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+）。