LED照明產品中驅動電源的設計選擇

天津光電通信技術有限公司 張家琳

天津三星電子有限公司 鄭勝男

1.引言

隨著全球能源緊缺的狀況日益加劇，大力發展節能環保產品勢在必行。采用發光二極管（LED）作為發光源的半導體照明因具有節能、環保、體積小、長壽命的特點，成為頗具優勢的綠色節能照明光源。為加快發展中國的半導體照明產業，科技部于2003年成立了“國家半導體照明工程協調領導小組”協調組織實施國家半導體照明工程。在新頒布的《輕工業“十二五”發展規劃》中，照明電器產業被列為八個“重點行業技術改造工程”之一。2011年11月，發改委公布了白熾燈的淘汰路線圖，傳統高能耗的白熾燈將逐步淡出人們的視野。LED照明產品的驅動電源設計選擇既具有電源設計的普遍性又有它的特殊性。

2.LED的特性與驅動原理

2.1 LED的電氣特性

從白光LED誕生以來，LED用于常規照明領域成為可能。隨著近年來大功率白光LED的出現與發展，它已進入人們的生活照明、道路照明、工業照明等各個領域。

LED作為二極管的種類之一，具有同普通二極管相似的V-I特性，它的開啟電壓要大于普通二極管。當外部施加電壓大于開啟電壓后，電流將以正向電壓的指數倍增加。（如圖1）在LED導通后一定電流值范圍內，其發光亮度與電流值幾乎成線性正比關系。故外部微小的電壓變化都會引起發光亮度的顯著改變。而過大的正向電流會使LED發熱，LED的光效會隨著溫度的升高而降低。并且持續過熱會嚴重影響LED的壽命甚至造成其損壞。

2.2 LED的驅動方式

傳統的白熾燈直接使用交流市電，熒光燈需要高壓啟輝。而LED的驅動有別于傳統光源的驅動方式。為避免LED工作電流超出其最大額定范圍而造成損壞，需要用恒流方式加以限制。在照明產品應用中，LED多數是以串并聯組合成燈珠陣列的方式作為光源，為保證陣列中各個LED單元亮度的一致性，也決定了應采用恒流的驅動方式。

2.3 恒流電源的工作原理

在應用單顆或單串LED且負載功率較小的時候，通常會用在LED串上串聯限流電阻的方式來實現穩流。在LED負載功率稍大時則使用線性恒流穩壓器（CCR）來實現。（如圖2）這種方法在小功率應用時簡便易行。

但由于CCR方式效率較低，熱耗散高，在LED負載功率較大時就不適用了。在大功率應用時，通常使用反饋恒流的方式。圖3是一個恒流線性電源的基本模型。通過檢測LED串聯的取樣電阻Rs兩端的電壓，與放大器A1參考電壓比較，調整開關管Q1以維持Rs兩端電壓不變，即實現了負載中電流的恒定。

3.LED驅動電源的設計選擇

3.1 LED照明產品分類

各種照明產品又具有各自的應用與外形特點，設計選擇驅動電源時又通常使用負載功率等級的劃分方法。二者相結合考慮，可按表1劃分為四檔，便于驅動電源的設計選擇。

圖1 白光LED的V-I特性

圖2 線性恒流穩壓器（CCR）模型

圖4 PWM恒流調光模型

圖3 恒流線性電源基本模型

3.2 LED驅動電源的設計選擇要點

從表1中可以看出，功率等級劃分主要依據了不同應用環境下的照明需要。各個功率范圍燈具所需的電源在設計選擇時需要考慮其各自的應用特點。

(1)3W以下功耗的照明產品強調了小體積、可攜帶性等特點，作為輔助照明使用。光源通常使用單顆大功率LED燈珠，或串并聯幾顆低功率LED燈珠。使用12V以下的直流或電池供電。驅動電源拓撲通常使用線性電源、buck、boost等DC-DC變換，負載串聯限流電阻或CCR的方式實現電流的穩定。對于電池供電的產品需要考慮使用效率較高的拓撲以提高其續航能力。

表1 LED照明產品的分類

(2)3～25W等級涵蓋了室內照明以及室外輔助照明等主要產品。他們功率低、體積小。受燈具外殼形狀的約束，印制板布局空間在一定程度上受到限制。驅動電源拓撲可選擇CCR、buck、boost、SEPIC等模型實現。對于日光燈管等建議使用隔離型反激電源拓撲進行設計以滿足安全規格與電磁兼容標準的要求

(3)25～75W區間的中等體積燈具，驅動電源放置空間較大，或者采用外置，空間設計難度較小。但由于一些產品的電源會暴露于室外條件，對電源本身的防塵防水特性提出了要求，通常應達到IP65（完全防止粉塵進入，用水沖洗無任何傷害）以上的標準。并且由于負載功率的增大，電源效率需達到80%以上的設計以減小熱損耗。并且在ICE61000-3-2和GB17625.1標準中特別規定了有功輸入功率25W以上照明用電設備需要限制諧波電流，減小對電力系統的影響。這類產品可使用無源功率因數校正的方式進行補償以節約成本。

(4)75W以上的大功率LED照明產品，對驅動電源提出了較高的要求。美國“能源之星”標準要求住宅用燈具功率因數應≥0.75，商用燈具應≥0.9。需要應用APFC（有源功率因數校正）提高功率因數，降低總諧波失真。電路拓撲以反激、正激為主，對于輸出功率大于150W時應采用半橋、全橋等諧振與軟開關變換拓撲，以提高電源的變換效率，通常應達到90%以上。

3.3 LED照明產品的調光方式

LED照明產品在有些應用中需要根據不同的環境調整的亮度。如公共場所照明，晚間需要維持一定的照明強度，而白天有日光的時候就可以降低以節約電能。這就需要LED驅動電源具備輸出電流可控的功能來改變燈具亮度。

目前常見的調光方式有模擬調光和脈寬調光兩種。傳統的TRIAC（雙向晶閘管）調光因為會導致電源功率因數與效率的大幅降低將逐漸退出實際應用。

(1)模擬調光

模擬調光又稱A-Dimming調光。以一定范圍內（通常是0～10V）的直流電壓觸發驅動電源控制器。因輸入電壓連續，可以對負載實現線性調光。但因調光電壓范圍較小，當電壓值較低時易被外界干擾，使得輸出電流不穩定，造成亮度閃爍。通常的解決方法是使電源輸出電流在調光電壓為0的時候依然有一定的輸出，來屏蔽掉會發生閃爍的區間。這就使得應用模擬調光的時候亮度不能做到全暗到全亮的區間變化。

(2)脈寬調光

脈寬調光即PWM調光。如圖4所示，以一定占空比的方波信號輸入驅動電源的控制器，通過控制與負載LED串聯FET的占空比來改變周期內負載LED的導通時間，使其呈快速閃爍狀態，這樣改變了LED中電流的有效值。由于人眼的視覺暫留現象，從而看到“連續”的光。占空比的范圍可以從0%～100%，負載LED的電流有效值可從0調節至最大。為避免人眼看到燈具的閃爍，脈寬控制信號的頻率通常使用200Hz，兼顧調光FET的開關損耗和減輕電源的電磁輻射。

對于一些手電筒以及室內照明產品等來說，使用者和燈具的距離較近，而200Hz的調光頻率是在人耳的聽頻范圍之內的，所以在這些應用場合，則需要提高脈寬調光頻率到20kHz以上，避免給使用者帶來不適感。

3.4 LED照明產品電源的保護特性

與普通開關電源一樣，LED照明產品的電源同樣需要具備各種保護功能以保證使用的安全，最基本需要包括以下三種：

①過壓/開路保護：負載斷路時電源為維持恒流特性會提升輸出電壓，當達到電壓限值一定時間則切斷輸出，直至重新手動開啟電源。

②過流/短路保護：當負載發生短路時觸發，電源將限制輸出電流值并間歇性自動重啟，直至故障解除。

③過溫保護：當電源工作溫度超過一定限值時觸發并停止工作，直至溫度恢復正常值并手動重新開啟。

在設計選擇時，必須選取具備這些保護功能的控制芯片和產品使用，防止安全隱患。

4.小結

隨著LED照明產品應用的推廣，它將逐步進入人們生活的各個領域。根據LED本身特性的要求，設計與選擇性能更加適合的驅動電源，可以提高燈具的整體壽命，充分發揮其節能環保的優勢。

[1]王志強,肖文勛,虞龍,等譯.開關電源設計(第三版)[M].北京:電子工業出版社,2010.

[2]趙同賀.開關電源與LED照明的優化設計應用[M].北京:機械工業出版社,2012.

[3]張占松,汪仁煌,謝麗萍,等,譯.開關電源手冊(第二版)[M].北京:人民郵電出版社,2006.