LED驅動及控制研究新進展

江 磊，劉木清

(復旦大學先進照明技術教育部工程研究中心，電光源研究所，上海 200433)

1 背景介紹

近年來， 隨著LED技術的飛速發展，LED應用進入了一個繁榮的新時期。驅動技術作為LED應用不可缺少的一個環節，越來越多地受到了人們的關注[1]。LED類似二極管的伏安特性、長壽命、高光效、可控性強等特點對驅動電源提出了有別傳統開關電源的若干新要求[2]。本文將針對這些要求分別從驅動電源的拓撲、可靠性及可控性三個方面對業內研究的一些新進展做大致介紹。

2 LED驅動拓撲新研究

LED作為一種固態光源，其類似二極管的電氣特性決定了需采用恒流電路對其進行驅動。而驅動電路的好壞直接影響整個光源系統的效率和壽命。因此，開發和改良LED驅動電路是業界研究的一個重點方向。驅動電路輸入可為直流或交流，這里我們主要討論針對交流輸入，即離線式驅動器的研究進展情況。

2.1 離線式開關驅動器研究

離線式開關驅動器是指從交流電網上獲得電壓，驅動LED負載的開關電源，一般具有效率高、電氣隔離等優點。從拓撲上進行分類，可分為正激式(Forward)、反激式(Flyback)、半橋式(Half Bridge)、全橋式(Full Bridge)、半橋LLC諧振式(LLC Resonant Half Bridge)等。目前，市場上應用較廣的離線式LED開關驅動器主要以反激式和半橋LLC諧振式為主。其中，反激式拓撲由于其電路簡單、成本低、效率較高等特點，受到中小功率LED應用的青睞。而半橋LLC諧振式拓撲憑借非常高的效率及功率密度、良好的輸出特性和電磁兼容性被大規模地應用于大功率LED驅動器上。

針對現有拓撲結構的改良，研究的熱點主要集中在對效率、功率因數的提高和結構的簡化上。

反激式驅動器通過變壓器傳遞能量，由于無法做到原副邊繞組完全耦合，漏感上的能量無法有效傳遞，從而造成了損耗。文獻[3]提出了一種較為新穎實用的解決方法，如圖1所示，通過將buck-boost電路與反激電路進行整合，通過buck-boost電路保證較高的功率因數，同時循環利用漏感能量，提升了效率。由于漏感能量被吸收，進一步減輕了開關管關斷時的電壓應力，可謂一舉三得。文中針對265V輸入下8W的應用實現了0.95的功率因數和90%的效率。

圖1 循環利用漏感能量以實現高效率和高功率因數的電路原理圖Fig.1 Circuit of high efficiency and PF driver with leakage inductance energy recycling technique

文獻[4]同樣是利用buck-boost電路進行功率因數校正，其通過兩級結構，結合零電壓開關技術，實現了效率的提升(見圖2)。文中針對60W應用實現了0.99的功率因數和93%的效率。

圖2 零電壓開關高效率高功率因數電路原理圖Fig.2 Circuit of high efficiency and PF driver with zero-voltage switching-on characteristics

此外，作為電磁兼容性的重要部分，實現高功率因數也是研究的熱點[5]，相關的創新性的控制方式和結構研究層出不窮[6～8]，為反激式驅動器實現功率因數校正提供了較為廣泛的解決方案。

在傳統隔離型反激式驅動器應用中，光耦一直被用作原副邊的電氣隔離和信號反饋。近年來，很多相關研究關注于如何實現原邊控制，從而取消光耦，減小驅動器的體積，降低成本，提高可靠性，從而在小功率LED的應用中顯示出優勢[9～11]。

針對半橋等拓撲結構，有學者針對現有拓撲進行了分析和比較[12]。文獻[13]提出并分析了一種非對稱半橋式結構(見圖3)，一方面，通過對變壓器次級繞組的非對稱設計，減小了勵磁電流的平均值，從而降低了導通損耗。另一方面，通過零電壓開關技術，降低了開關管和二極管的開關損耗，從而實現了較高的效率。在此基礎上，另有一些文獻進行了相關的研究工作[14～15]。

圖3 減小變壓器勵磁電流平均值的非對稱半橋拓撲Fig.3 Soft-switching asymmetrical half-bridge converter for average magnetizing current minimization

在LED驅動應用的新拓撲研究方面，J. Marcos Alonso等人提出了一種較為新穎的雙buck-boost(IDBB)拓撲結構[16，17](見圖4)。通過單個開關管控制級聯的buck-boost電路，使其分別工作DCM和CCM模式，從而實現較高的功率因數和較小的輸出電容。但是，由于能量在多次轉移中損耗較大，系統效率并不高。Douglas Camponogara 等人在此基礎上進行了一定的改良，如圖5所示，提出了一種優化的級聯方式，減少了經過兩次轉移的能量比例，從而提高了系統效率[18]。經過優化后的系統在75W負載下效率達到94%，較原有85%的效率有了較大幅度的提升。

2.2 非開關驅動器研究

為避免使用復雜的開關電路，從而降低成本，提高系統的可靠性，用交流電源直接驅動LED也是目前的一個研究的熱點，也有相關文獻對交流電驅動下的LED特性進行了研究[19]。

圖4 IDBB型驅動電路原理圖Fig.4 IDBB driver circuit

圖5 一種改良后的IDBB驅動原理圖Fig.5 An Improved IDBB driver circuit

傳統交流直接驅動LED往往采用兩種方式(見圖6)，一種采用兩組LED反向并聯而成，兩組芯片分別工作在交流電的正負半周期；另一種通過整流橋進行半波整流后接LED負載。這兩種電路負載調整率較差，由于LED導通時間較短，普遍存在功率因數低、存在頻閃、無法進行可控硅調光等問題，前者由于每組LED僅導通半周期，還面臨成本較高的問題。

通過橋式整流結構的交直流LED設計[20]，可以使大多數LED芯片處于工作狀態，提高了LED芯片的使用率。結合恒流二極管的使用，對LED電流進行限制，可以進一步提高系統的可靠性(見圖7)。

分段式LED控制是一種較為新穎和有效的技術，可以極大地改善AC LED應用中出現的LED導通時間較短、諧波含量高、功率因數因數較低等問題，目前市場上也已出現相關成熟的驅動產品[21]，見圖8。文獻[22]中提出了一種基于FPGA的分段式AC LED控制方法，通過檢測AC電源端的線電壓，控制LED負載中導通的LED顆數，延長導通角，使其模擬電阻負載特性，從而達到降低諧波，提高功率因數的目的，更好地兼容可控硅調光。

圖6 傳統交流直接驅動LED的兩種方式Fig.6 Two traditional methods for directly driving LEDs from AC

圖7 結合恒流二極管的橋式整流結構的交直流LED應用Fig.7 Application of directly driving LEDs with bridge structure and current regulative diodes

圖8 分段式AC LED控制結構框圖Fig.8 Block diagram of AC LED driver based on segmentation control

此外，無源諧振式LED驅動器[23](原理圖見圖9)、開關斬波-線性恒流驅動器[24]等驅動器都具有各自的特點，前者通過諧振網絡的設計，在保證平均電流恒定的基礎上，實現了較高的效率和可靠性；后者以低成本實現恒流驅動，都具有一定的實用性。

圖9 無源諧振式LED驅動器原理圖Fig.9 Circuit of passive resonant LED driver

針對AC LED 50Hz或100Hz電壓周期可能帶來的頻閃問題，一種有效的方法是在LED器件層面，采用長余輝熒光粉，可以在交流電周期變化時，利用亮度的延遲變化彌補LED芯片不發光所帶來的發光間斷，從而解決發光頻閃[25]。

3 LED驅動可靠性相關研究

LED光源的另一大特點是長壽命，這就要求LED驅動器能夠盡可能保證系統的可靠性，實現高的MTBF。

3.1 無電解電容驅動研究

電解電容一般被用于驅動輸入儲能、平衡瞬時功率和輸出濾波。由于其壽命相對較短，如何改進電路結構，減少甚至消除電解電容的使用便成為了LED驅動領域一個熱門的研究方向。下面簡單羅列近期的一些相關研究進展。

早期的研究多以諧波注入和脈動電流輸出的方式為主[26]，對功率因數和輸出電流有影響，應用具有一定的局限性。文獻[27]中提出了一種方法，增大儲能電容上的電壓紋波，在實現高功率因數的同時保證了恒流輸出。

Shu Wang等人提出了一種有源濾波電路[28](見圖10)，一方面通過CL濾波器阻止開關產生的高次電流諧波流入LED，另一方面通過雙向變換器進行電流的緩沖分配，使LED負載上僅流過直流分量，從而在不使用電解電容的條件下避免了脈動電流造成的閃爍問題。在此基礎上，楊洋等人提出了一種基于電流基準的前饋控制策略[29]，結合雙閉環中電流調節器的輸出和電流基準前饋量計算雙向變換器理想的占空比，控制其輸入電流為兩倍輸入頻率的交流電流，以避免LED驅動電流畸變引起的頻閃。

圖10 有源濾波型無電解電容電路原理圖Fig.10 A electrolytic capacitor-less circuit with active power filter technique

馬紅波等人提出了一種基于SEPIC電路的無電解電容改進型方案[30](見圖11)，利用增大紋波法降低了輸出電容值，并在此基礎上將填谷電路和電流斷續模式引入SEPIC電路[31](見圖12)，通過中間電容實現功率平衡，從而減小了所需的輸出電容。利用填谷電路的特點，降低了中間電容和二極管的電壓應力。

圖11 基于SEPIC電路的無電解電容方案原理圖Fig.11 A electrolytic capacitor-less circuit based on SEPIC topology

圖12 帶填谷電路的SEPIC型無電解電容方案原理圖Fig.12 Circuit of Valley-fill SEPIC-derived driver without electrolytic capacitors

雖然無電解電容研究成果斐然，但值得討論的是，是否LED驅動的長壽命必須依靠舍棄電解電容的應用而實現？從原理上而言，電解電容的失效的根本原因是電解液的揮發，而電解液的揮發速度是與溫度密切相關的，遵循阿累尼烏斯定律。在工作范圍內，期望壽命L的計算大致符合下式：

其中，L0為額定溫度下的電容壽命，Tmax和Ta分別為額定溫度及實際使用溫度。以常用于PFC輸出的Rubycon公司BXC系列鋁電解電容為例，標稱105℃時的額定壽命為10000小時，如果將電容的工作溫度限制在85℃，即可達到40000小時；如果進一步限制在75℃，即可達到80000小時，考慮到LED的光衰和產品更新需要，這樣的壽命已經足夠了。而隨著材料科學的發展和科技的進步，電解電容的壽命會更長，可靠性會更高。

因此，新拓撲研究無可厚非，但僅僅因為電解電容可能的壽命問題就因噎廢食，忽略其眾多優點甚至將其拋棄，產生“聞電解電容而色變”的心理則是完全沒有必要的。只要依靠良好的系統設計，完全可以在使用電解電容的應用中實現長壽命。

3.2 LED多路恒流/均流驅動研究

在大功率LED應用中，通常需要同時驅動若干路LED，如果將這幾路LED簡單地并聯起來用單一恒流源進行驅動，由于LED節壓降存在差異，會造成電流在幾路LED間的分配不均。由于LED電流越大，結溫相對越高，而LED節壓降隨結溫升高而降低，這種正反饋會使電流分配情況進一步惡化，從而使某一路或幾路LED電流過大而失效，進而引發連鎖反應，影響到系統的壽命[32]。

因此，均流電路的存在則顯得很有必要。根據均流方式的實現，可大致分為無源均流、有源均流及磁均流三大類[33～35]。

針對無源均流，以電容作為均流元件有簡單、高效的特點，還可以在均流的同時起到隔離作用。文獻[36～38]中分別介紹了使用電容作為均流元件的三種應用(見圖13)。而文獻[39]中則提出了一種基于無源諧振恒流網絡的多路均流方式，首先將PFC輸出的直流電壓通過DC/AC逆變器逆變為高頻正弦交流，再通過無源諧振模塊進行均流，美中不足的是逆變器效率不夠高，會影響整體效率。

圖13 三種利用電容作為均流元件的均流電路原理圖Fig.13 Schematics of current sharing circuits using capacitor as current-sharing component

俞憶潔等提出了一種基于電容鉗位的主動式均流電路[40]，如圖14所示，令各LED支路串聯的開關管輪流交錯導通，利用各LED支路間跨接的鉗位電容在一個周期內的電荷守恒，實現多路LED串的均流。

圖14 基于電容鉗位的主動式均流電路Fig.14 Active capacitor clamped current sharing circuit

在磁均流研究方面，文獻[41]中介紹了一種集成于反激變換器的多路磁均流方案(見圖15)。通過磁路設計，使所有副邊繞組兩兩之間都存在低磁阻磁回路，且副邊繞組匝數相等，從而保證了副邊繞組間的均流。原邊繞組分散繞置在每個副邊繞組上，從而更能減小漏感，改善均流效果。

圖15 集成于反激變換器的多路磁均流電路Fig.15 Schematic of flyback converter with automatic current sharing dependent on integrated magnetic technique

4 LED可控性相關研究進展

LED與傳統光源相比，可控性強是其一大特點。從芯片角度而言，一方面，控制LED電流大小即可控制其發出的總光通量，從而實現模擬調光；另一方面，LED可以提供極快的響應速度，為PWM調光帶來了可行性。在此基礎上結合有線或無線控制裝置，形成照明控制系統，則可進一步拓展LED的應用范圍。

4.1 LED調光研究

PWM調光是LED應用最常用調光方法之一，但對于高功率因數反激等拓撲而言，由于存在固有的低帶寬響應特征，如何兼容PWM調光成為一個需要解決的問題。David Gacio等在分析現有調光方法存在問題的基礎上，提出了一種高速串聯PWM調光方法[42](見圖16)，將PWM調光頻率控制在與開關頻率相近的速度，在保證原有功率因數的前提下實現了10∶1的調光比，并且避免了PWM調光帶來的噪聲問題，具有一定的應用意義。文獻[43]則對傳統的反激式驅動器進行了一定的變化，將開關管配置在變壓器次級，通過雙PWM調制(見圖17)，達到較為有效的調光效果，并保持了較高的效率。文獻[44][45]中，對模擬和PWM調光進行了組合，并進行了相關的實驗研究。

圖16 高速串聯PWM調光方案原理框圖Fig.16 Block diagram of high-frequency PWM series dimming technique

圖17 雙PWM調制調光方案原理圖Fig.17 Schematic of double pulse-width modulation circuit

在傳統照明時期，白熾燈、鹵鎢燈等燈具的調光需求催生出了相控調光器，主要分為可控硅調光(前沿相控方式)、MOS晶體管調光(后沿相控方式)及正弦波電壓變換調光(SVC)。其中，應用最為廣泛的為前沿相控方式，其工作原理在于用雙向晶閘管(TRIAC)將市電正弦波的前沿斬斷不同比例，改變輸出電壓的有效值，從而調節負載的功率。

近年來，由于對用LED替代傳統可控硅調光燈具的需求日趨增長，相關研究也層出不窮。文獻[46]中提出了一種基于反激式驅動器的控制模式，結合原邊控制，實現了對可控硅調光的兼容。在此基礎上，文獻[47][48]等進行了進一步的研究和改善。

文獻[49]中則針對AC LED提出了一種專用的調光器(見圖18)，通過MOSFET來進行切相和占空比調節，避免了復雜的設計和LED調光閃爍問題。

圖18 AC LED專用調光器原理圖Fig.18 Schematic of dimmer especially designed for AC directly driven LEDs

用LED燈具替代傳統光源，對驅動設計主要存在的挑戰有：

1) 傳統白熾燈、鹵鎢燈光源為阻性負載，而LED驅動器一般為容性，可控硅導通時如果導通角接近90度，會產生較大的沖擊電流，產生振蕩，使可控硅無法正常工作，進而影響調光。這就要求LED驅動盡可能模擬阻性負載特性。

2) 傳統光源由于光效低、功率較大，而等效光通輸出的LED燈具功率要小得多。現有的可控硅調光器多為傳統光源設計，普遍大于500W，其維持電流較高。當使用LED調光燈具替換時，可控硅導通后往往由于燈具功率過低，電流達不到其維持電流，重新關斷或多次開通，影響調光。這就要求LED驅動有相應的功能，保證可控硅工作時保持導通。

3) 雙向晶閘管兩個方向的導通特性一般有一定差異，如果LED調光電路對晶閘管的特性過于敏感，可能造成每半個周期內功率輸出差異，造成LED閃爍。這就要求LED驅動能夠具有良好的魯棒特性，保持輸出的穩定性。

針對兼容性問題，NEMA SSL 6做出了對可控硅調光器及可調光LED燈具的調光性性能要求，市場上也推出了多款相關的專用芯片，如iW3610/3612、SSL2101、LM3445等。

4.2 LED智能照明控制系統研究

隨著LED的廣泛應用和物聯網、云計算等新技術的不斷涌現發展，LED被越來越多地與智能照明控制系統相結合，從更高層面滿足現代社會人們越來越高的照明需求[50]。

以智能照明控制系統的控制信號載體分類，可以分為信號線型控制、電力線載波控制和無線網絡控制等。其中，信號線控制型主要有DALI、DMX512等針對燈具的控制總線及i-Bus、C-Bus等系統總線。這方面技術較為成熟，主要以應用研究為主[51～52]。

電力線載波控制利用已有電線進行數據傳輸，無需重復布線，實現成本相對較低，目前對其在路燈領域的應用有相關的研究[53～54]。另外，對于城市家庭、辦公室等場合，由于電網質量較好、所需傳輸距離短等有利條件，傳輸速率大于200Mbps的高速電力線適配器(俗稱電力貓)已得到廣泛應用，可能會成為LED照明控制系統室內控制方式的方向之一。

無線網絡控制由于其結構靈活、無需布線等優點，近年來受到了大量的關注。GSM、GPRS、Wi-Fi、藍牙、Zigbee等技術都屬于無線網絡控制方式，也被廣泛應用于各類照明控制系統中[55～56]。

LED智能照明控制系統的另一個研究方向是控制理論及控制方法。針對路燈控制，文獻[57～58]中分別提出了基于模糊控制算法和整體性控制的理論，并進行了相關的分析和討論。文獻[59]中則討論了應用自適應算法實現工作面恒照度及溫度-色溫可控的方式并進行了相關實驗。

就LED智能照明控制系統的應用而言，調光應用應當是未來的一大技術點。這里的調光不僅僅指調節照度，還包括顏色、色溫甚至光譜。由于LED的高度靈活性，結合智能控制系統的光譜組裝技術可被廣泛應用于農業照明、標準及計量、機器視覺、醫療和生理學及通用照明領域[60～64]，為照明領域帶來革命性的變革。

5 結論

本文從拓撲結構、可靠性、可控性三個方面對目前LED驅動研究領域的一些新進展做了大致回顧，重點介紹了離線式開關驅動器、非開關驅動器、無電解電容驅動、LED多路恒流/均流、LED調光及LED智能照明控制系統等幾個方面。隨著LED芯片的光效越來越逼近理論極限，下一步LED應用領域競爭的技術焦點將逐步轉移到驅動及控制方向，而這個方向也是和人類社會對生活的舒適性、可控性要求提升的大趨勢相一致的。掌握驅動及控制技術的前沿技術，才能在這場競爭中贏得先機。

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