照明級驅(qū)動設計技術基礎

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行電氣隔離。文中論述了LED照明設計需要考慮的因素。

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。

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?

二、LED驅(qū)動電源的拓撲結(jié)構

采用AC-DC 電源的LED 照明應用中，電源轉(zhuǎn)換的構建模塊包括二極管、開關(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，參見圖3，其中反激拓撲結(jié)構是功率小于30 W 的中低功率應用的標準選擇，而半橋結(jié)構則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結(jié)構中的變壓器而言，其尺寸的大小與開關頻率有關，且多數(shù)隔離型 LED 驅(qū)動器基本上采用“電子”變壓器。

圖3、常見的隔離式拓撲結(jié)構

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。開關穩(wěn)壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關(FET)的開和關，進而控制電流的流動。

圖4、常見的DC-DCLED驅(qū)動方式

開關穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關，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 開關穩(wěn)壓器常見的拓撲結(jié)構包括降壓(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，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，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，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅(qū)動 4 顆串聯(lián)的LED，但這種結(jié)構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)構中LED 在低頻開關，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。

圖5、直接采用交流驅(qū)動的LED示意圖

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