LED燈具驅(qū)動技術(shù)發(fā)展趨勢分析

　　科技進(jìn)步日新月異，科技創(chuàng)造人類的新生活。近幾年，全球人類共識：未來與綠色環(huán)保節(jié)能相關(guān)的產(chǎn)業(yè)前景光明燦爛。LED照明產(chǎn)業(yè)首當(dāng)其沖，將展現(xiàn)無限的生命力、無窮大的海量市場。2009年LED照明產(chǎn)業(yè)絲毫沒有受全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，在中國政府的大力推動下，中國LED照明產(chǎn)業(yè)正快速走熱，2009年成為LED照明元年，中國LED照明產(chǎn)業(yè)鏈在此經(jīng)濟(jì)危機(jī)中快速成長和完善，LED新一代照明技術(shù)迅速發(fā)展，帶動LED照明產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)以千百萬家企業(yè)欣欣向榮。

　　LED光源是一顆耀眼的明星，基于LED可以做成形形色色、千變?nèi)f化的照明和燈飾燈具、LED廣告大屏、LED信息屏、手機(jī)和MP3/MP4等消費(fèi)電子的顯示屏背光、筆記本電腦和LCD-TV顯示屏的背光。

　　LED光源的正常工作發(fā)光，離不開驅(qū)動IC。本文就最近階段LED照明燈具驅(qū)動技術(shù)發(fā)展趨勢而言。

　　LED照明燈具的基本架構(gòu)

　　LED照明燈具的基本架構(gòu)是：LED光源 + 驅(qū)動電源 + 燈具金屬/塑料結(jié)構(gòu)件。LED光源涉及LED燈具產(chǎn)品的亮度、色彩、壽命；驅(qū)動電源涉及LED燈具產(chǎn)品的電氣性能和穩(wěn)定性、可靠性、壽命；金屬/塑料結(jié)構(gòu)件涉及LED燈具產(chǎn)品散熱性能和造型時(shí)尚新穎，以及不同的應(yīng)用場合。

圖1 LED照明燈具的基本架構(gòu)

　　LED光源高效節(jié)能而無碳排放

　　LED光源是固體發(fā)光的新一代光源，LED光源作為綠色、節(jié)能、省電、長壽命的第四代照明燈具而異軍突起、廣受關(guān)注、如火如荼迅速發(fā)展。LED光源作為第四代新型節(jié)能光源誕生之時(shí)即被用來做各類燈具的發(fā)光光源。作為光源的白熾燈其發(fā)光效率只有百分之五，而LED光源的發(fā)光效率幾乎接近百分之九十。LED照明以其高節(jié)能、長壽命、利環(huán)保的特點(diǎn)成為大家廣為關(guān)注的焦點(diǎn)。這幾年高亮度的LED光源因其制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，而其生產(chǎn)成本又節(jié)節(jié)下降，如今幾乎所有的燈具都可以使用LED光源作為高亮度、高效率而又省電、無碳排放的照明光源。

　　LED光源點(diǎn)亮需要驅(qū)動IC

　　目前的DC LED光源是低電壓（VF=2→3.6V）、大電流（IF=200→1500mA）工作的半導(dǎo)體器件，必須提供合適的直流恒定電流才能正常發(fā)光。直流（DC）驅(qū)動DC LED光源發(fā)光的技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，由于我們?nèi)粘Ｕ彰魇褂玫碾娫词歉邏航涣麟姡ˋC100-220V），所以必須使用降壓的技術(shù)來獲得較低的電壓，常用的是開關(guān)電源降壓，然后將交流電（AC）變換成直流電（DC），再由驅(qū)動IC變換成直流恒流源才能促使LED光源發(fā)光。因此直流驅(qū)動LED光源的系統(tǒng)應(yīng)用方案必然是：開關(guān)電源 + 恒流源。LED燈具里必然要有一定的空間來安置這個(gè)電源模塊，但是對于E27標(biāo)準(zhǔn)螺口的燈具來說空間十分有限，很難安置。無論是經(jīng)由開關(guān)電源或是其它方法降壓，系統(tǒng)都會有一定量的損耗，DC LED燈具在交流、直流電之間轉(zhuǎn)換時(shí)約8～25%的電力被損耗，系統(tǒng)效率很難做到90%以上。因此提高轉(zhuǎn)換效率一直是電源芯片和電源制造商追求的目標(biāo)。

　　常見LED光源驅(qū)動IC

　　目前常見LED光源驅(qū)動IC都是從通用電源IC借用過來的，真正為LED光源設(shè)計(jì)的驅(qū)動IC還很少，很多公司都在設(shè)計(jì)中，預(yù)計(jì)到2010年中可能會有不少可應(yīng)市。目前LED光源驅(qū)動的低成本而不安全的方案是用阻容降壓的方法來實(shí)現(xiàn)的，如先前的圣誕燈飾；低成本的驅(qū)動還可以用CCR和LDO，它們的驅(qū)動電流都不大，CCR只能驅(qū)動0.5W以下的LED，如0.06W的草帽燈，LDO用穩(wěn)壓的方法可驅(qū)動1W的LED，但對LED光源的壽命不利；DC/DC→恒流源可能是目前已知的最理想方案之一了。

　　常見LED光源驅(qū)動IC及其功能表：

DC/DC恒流源驅(qū)動IC

　　DC/DC恒流源驅(qū)動IC是直接為LED光源提供恒定直流電源的。使用最多的是用DC/DC-Buck來做降壓型恒流源，降壓型恒流源好比從大水庫取水，因此恒流特性穩(wěn)定、供應(yīng)能力強(qiáng)。用DC/DC-Boost來做升壓型的恒流源，好比從水渠往上提水，輸出電壓可高于輸入電壓，如要求輸出電流較大時(shí)需要擴(kuò)流。

　　LED光源往往是串、并聯(lián)應(yīng)用來擴(kuò)大燈具的亮度，由于LED光源具有一定的離散性，因此多個(gè)串聯(lián)應(yīng)用比并聯(lián)應(yīng)用來得更合理，可降低對LED光源一致性要求。用DC/DC-Buck來做降壓型恒流源，多個(gè)LED光源串聯(lián)以后需要的總電壓不能高于DC/DC-Buck的輸入電壓，如能低2V是最理想的，此時(shí)恒流源的效率可大于90%。為此新一代的DC/DC-Buck恒流源IC的一些主要指標(biāo)會有質(zhì)的提高，Vin=5-70V，甚至Vin=5-100V，這樣的芯片可達(dá)到汽車電子應(yīng)用的基本條件，輸出電壓也可滿足串接近20-30個(gè)LED光源的要求。提高Vin的電壓關(guān)鍵是集成電路的制造工藝。

　　輸出恒流精度也是值得關(guān)注的重要指標(biāo)，它關(guān)系到恒流驅(qū)動電源在大批量工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品的一致性，如因DC/DC-Buck恒流源IC輸出的恒流精度不同而產(chǎn)生恒流驅(qū)動電源輸出電流的不一致性，將影響成批生產(chǎn)的LED燈具亮度的差異，因此對新一代DC/DC-Buck恒流源IC的恒流輸出精度要求為2%-1%。過流、過壓、過溫、開路保護(hù)是這類IC所必須具備的。開關(guān)頻率抖動技術(shù)可有效地降低應(yīng)用電路的EMI，因此會越來越多地被采用。內(nèi)置的MOSFET還是不宜太大，一是顧及芯片的成本，二是考慮芯片本身在工作時(shí)的熱量散發(fā)，一般單顆芯片的輸出電流在2A以下。

　　此外由于工作時(shí)有750mA到1500mA電流通過，如在一個(gè)類似1.4X1.1mm的硅片管芯上，要長時(shí)間通過這些電流，必然有功耗，必然會發(fā)熱，芯片本身的物理散熱結(jié)構(gòu)也是至關(guān)重要，驅(qū)動芯片的封裝應(yīng)有利于驅(qū)動芯片管芯的快速散熱。如將管芯（Die）直接綁定在銅板上，并有一Pin直接延伸到封裝外，便于直接焊接在PCB板的銅箔上迅速導(dǎo)熱散發(fā)。

　　DC/DC恒流源驅(qū)動IC的功能高度集成是使應(yīng)用電路簡化的關(guān)鍵所在，如PT4115在應(yīng)用時(shí)周邊只需要四個(gè)元器件，大大節(jié)省了應(yīng)用成本。

圖2 應(yīng)用電路簡潔的PT4115

　　AC/DC恒流源驅(qū)動IC

　　直接在燈頭上使用AC電源的照明燈具十分需要應(yīng)用電路簡潔、使用成本低的AC/DC恒流源驅(qū)動IC。目前使用的驅(qū)動IC大多是從開關(guān)電源轉(zhuǎn)用過來的反激式恒流驅(qū)動方案，采用隔離降壓原理。分成初級側(cè)反饋控制和次級側(cè)反饋控制二類應(yīng)用，次級側(cè)反饋控制系統(tǒng)精度可達(dá)2%，但整個(gè)應(yīng)用電路需要元器件約二十多個(gè)；初級側(cè)反饋控制系統(tǒng)精度一般可達(dá)5-3%，整個(gè)電路需要的元器件最少方案僅7-8個(gè)。LED燈具生產(chǎn)廠家是十分注重成本的。

　　目前AC/DC恒流源驅(qū)動IC正從反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向高效率諧振半橋（LLC） + PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮零電壓開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(ZVS)的優(yōu)勢，和滿足LED燈具對PFC（功率因素較正）日益提高的要求，并要求在較低的功率等級(如50 W)時(shí)能提高效率>90%。寬電壓輸入、短路和過功率保護(hù)、開路保護(hù)、較低的總諧波失真(THD)是基本的要求。

　　圖 3 AC/DC恒流源驅(qū)動IC正從反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向高效率諧振半橋LLC

　　另一種AC/DC恒流源驅(qū)動IC發(fā)展思路是由功率因數(shù)