LED照明電源驅動技術的應用探討

林中進

LED以高光效、長壽命的優(yōu)點獲得了廣泛關注。其節(jié)能的優(yōu)點對綠色環(huán)保有積極的意義。LED驅動技術是當前的研究熱點之一。在LED快速發(fā)展過程中，大量的機遇與挑戰(zhàn)同時出現，對LED照明應用現狀進行總結，以從中分析出LED照明應用的發(fā)展趨勢顯得非常必要。通過分析各種文獻和應用，總結了LED照明應用現狀的典型特征，即LED與其他光源并存、定制化與標準化并存、網絡化控制興起等特征。根據這些應用現狀對LED驅動技術的進行了分析，提出了高適應性LED驅動技術發(fā)展的思路，以期對LED照明應用有所推動。

【關鍵詞】LED照明 電源驅動技術 應用探討

1 導言

城市照明除了滿足人們的基本需求外，也是城市現代化的標志和推動社會經濟發(fā)展的物質條件。當前，城市道路照明耗能占盞照明領域總耗能30%，由于LED光源有著高光效、長壽命、環(huán)保等優(yōu)點，替代傳統(tǒng)路燈高壓鈉燈成為趨勢并逐步普及。LED新光源的導入，對電源驅動技術提出了新的課題。

2 LED發(fā)光原理和驅動技術

2.1 發(fā)光原理

所謂發(fā)光二極管就是LED，目前PN 結是LED的最重要的內容之一，LED 有一般 P-N 結的很多特點，比如說反向截止和正向導通特性。在一定情況下，LED 有發(fā)光特性。在LED的基本發(fā)光原理來講，在LED的兩頭加上正向電壓，電子將從 N 區(qū)向 P 區(qū)注入，空穴則由 P 區(qū)向 N 區(qū)流動。在少數載流子與多數載流子復合后，將會發(fā)光。如果在P 區(qū)發(fā)光，注入的電子與空穴直接復合或在被發(fā)光中心捕獲后與空穴復合。另外，非發(fā)光中心也會捕捉一些電子的，這樣的光是不能見的光。相比較而言，非發(fā)光的復合，要想使LED的光量子發(fā)揮的效率高，發(fā)光復合量就必須越大。由于，發(fā)光的區(qū)域是有較少的載流子擴散的，光只是在PN結面產生幾微米。整體來講，光與電的轉換過程就是LED 發(fā)光。在LED正在工作時，電流從電的陽極流入陰極。一般在禁帶寬度比較寬的情況時，會出現相比較大的能量，光子波長的則比較短。這是由于半導體晶體的不同，而導致LED光的顏色也不同，光線的強度也就不相同。

2.2 驅動技術

輸入電流的大與小直接影響著LED光的亮度。為了促進LED的光亮度增加，要使LED都連接到一塊，并且要按照一定的方式連接，這樣才能針對LED電流值不同的問題得到解決。也可以采取一些驅動的方式，例如說把每一個連接的LED都安裝一個調整器。這種調整器是線性的，相比較價格會便宜一些，但是也會降低工作效率。既想滿足LED電流的各方面條件，也要滿足串電壓的條件，就必須在前端安裝開關與電壓調整器連接。采取這種驅動方式對電壓源沒有高穩(wěn)定度、高精度要求， LED 串聯數量也不受 IC 限制。此外，還可以采取使開關電源本身以恒流方式輸出的驅動方式，利用BUCK 電路和 BOOST 電路分別完成降壓和升壓，進而實現 LED供電系統(tǒng)的靈活設計。

3 電源工作原理

由于具有相對較高的熱特性要求，LED驅動電源設計效率需要90%以上，并且質量輕，體積小，功率因數要求高于0.95。同時，LED驅動電源EMI測試余量不應小于6db，5年以上的保質期等等。目前，常用的LED驅動電源為BUCK電路、BOOST電路以及各種組合方式等。

3.1 BUCK電路工作原理

BUCK電路即為降壓式變換電路，包括低通濾波器、二極管、電源切換開關。當開光管導通條件下，輸入電壓通過開光管、低通濾波器作用在負載和電感上。當電感有壓降時，電感電流上升，并且形成磁場儲存能量。除了給負載提供電流外，也給電容充電。當開關管關閉時，電感兩端電壓極性反轉，使二極管導通，電容的儲能又可以通過二極管將能量作用于負載。因此在轉換的過程中，電感和電容除了儲能，構成了低通濾波器的作用，可以過濾掉高壓脈沖高頻成分的影響。輸出電壓低于輸入電壓。

3.2 BOOST電路工作原理

BOOST即升壓式變換電路，改變有源開關、電容器、電感器和無源開關二極管和其他組件。輸出電容充電到額定輸出電壓，通過有源開關作用在電感，電感電流逐漸增加，并且形成磁場儲存能量。二極管因低電平而反向截止，電容給負載提供能量，輸出給電感儲能。當有源開關關閉時，電感電壓極性反轉，二極管獲得高電平而導通，電感給負載提供能量，同時給電容充電。由于存在電感電壓，因此輸出與輸入存在電壓差，輸出電壓高于輸入電壓。

3.3 反激式準諧振電路工作原理

反激式準諧振電路是隔離的BUCK和BOOST電路組合變換器。開關管導通時，可以通過電感電流，可用于存儲能量。因為變壓器初級繞組和次次繞組極性不同，所以開關二極管低電平被截止，電壓無法作用于負載。當開關管關閉時，電感極性相反，二極管導通，電壓給電容充電并作用于負載。因此，高頻變壓器不僅起到了隔離作用，還具有儲能的作用。當通過直流電流，產生一定的去磁，變壓器又會變得不飽和，因此變壓器能量在不斷的儲存和釋放的狀態(tài)，形成了初級和次級回路的能量傳遞，最終形成穩(wěn)定輸出電流的模式。

3.4 LLC諧振電路工作原理

作為一種新型的轉換器器，，LLC是一種二次電路可用于分布式電源諧振轉換器。在電路設計時，為滿足LED驅動電源的高效率，選用場效應晶體管作為開關，使場效應晶體管作用在正弦電壓或電流的情況下，在正弦波的過零點瞬間進行開關，減少電路損耗，提高電源效率。從功能組成來看，LLC轉換器控制是全橋變換器或半橋變換器與負載諧振回路組成。諧振電路的作用下，形成正弦電壓或電流，通過開通或者關閉的開關作用，開關與電壓或者電流過零點同步實施。可在諧振電路中加入變壓器，變壓器作為并聯電感的作用，最終達到隔離效果。

4 LED驅動電源的設計

4.1 拓撲結構電路

Led驅動電源電路結構基本可以分為隔離和非隔離兩種類型。追求電源效率更高，拓撲電路是最優(yōu)的選擇。拓撲電路采用的是非隔離方式，由半橋開關電路和LC回路組成，電源損耗低，電源效率可達92%以上。LED驅動電源基于高功率因數恒流輸出的要求，主要采取雙級開關電源設計，前級是功率因數校正設計，后級是恒流設計。前級一方面進行功率因數校正，提高PF值，另一方面進行升壓處理，一確保穩(wěn)定的高壓輸出。后級恒流設計，主要是由半橋開關電路和LC振蕩電路的簡單循環(huán)，，輸出端使用半波整流電路來避免高頻交流電（ac）的上下浮動突然，，最終達到恒流輸出，提高發(fā)光二極管的工作壽命。

4.2 工作原理

拓撲電路的半橋開關電路和LC回路里，其中半橋開關電路由兩個開關管和功率因數校正IC組成，通過IC調整占空比，改變信號交替波形，將直流高壓斬波成接近方波的交流電壓。在LC回路里，作用就是將半橋開光電路獲得的交流電壓通過整流，形成LED驅動所需要的電路波形。

4.3 恒流控制

恒流控制，主要是半橋驅動IC 進行編程，改變輸出信號頻率，采用PFM調制來獲得恒定的電流輸出。在輸出回路中對電流進行采樣，并反饋到PFM調制模塊里，與基準電壓信號進行對比，根據基準電壓信號頻率與調節(jié)信號頻率的關系，改變通過調節(jié)IC的輸出信號頻率，使頻率與電流達到動態(tài)平衡，最終達到所需要的恒定電流輸出，滿足LED驅動的要求。

4.4 自動光衰補償功能設計

在LED中，p型和n型半導體半導體替換的存在區(qū)域，該地區(qū)的極端簡單的溫度增加，當LED照明系統(tǒng)工作時間太長，會導致光減弱，影響照明效果。因此在設計電路時，采取一定的方式提高恒定電流的功率輸出，增加LED的輸出功率，保持光通量不變，從而達到光衰補償的功能設計。

5 結語

根據LED驅動的特性，分析LED工作特性和驅動電源工作原理，探討拓撲結構電路設計在LED電源上的應用，滿足高效率、高功率因數、恒流輸出，自動光衰補償功能設計等要求，為LED驅動電源和控制技術的發(fā)展可以提供一個設計參考。

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作者單位

廣州市立喬科技有限公司 廣東省廣州市 511400