照明用LED驅動(dòng)電源設計需要考慮的因素

開(kāi)關(guān)穩壓器具有更高的能效，與電壓無(wú)關(guān)，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(wèn)題。LED DC-DC 開(kāi)關(guān)穩壓器常見(jiàn)的拓撲結構包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉換器(SEPIC)等不同類(lèi)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(shí)采用降壓結構，如采用24 Vdc 驅動(dòng)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(shí)采用升壓結構，如采用12 Vdc 驅動(dòng) 6 顆串聯(lián)的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)可以采用降壓-升壓或SEPIC 結構，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅動(dòng) 4 顆串聯(lián)的LED，但這種結構的成本及能效最不理想。

采用交流電源直接驅動(dòng)LED 的方式近年來(lái)也獲得了一定的發(fā)展， 其應用示意圖參見(jiàn)圖5。這種結構中LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在線(xiàn)路電壓大于正向電壓時(shí)才導通。這種結構具有其優(yōu)勢，如避免AC-DC 轉換所帶來(lái)的功率損耗等。但是，這種結構中LED 在低頻開(kāi)關(guān)，故人眼可能會(huì )察覺(jué)到閃爍現象。此外，在這種設計中還需要加入LED 保護措施，使其免受線(xiàn)路浪涌或瞬態(tài)的影響。

三、 功率因數校正

美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明(SSL)規范中規定任何功率等級皆須強制提供功率因數校正(PFC)。這標準適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED 驅動(dòng)器功率因數須大于0.7，而商業(yè)應用中則須大于0.9；但是，這標準屬于自愿性標準。歐盟的IEC61000-3-2 諧波含量標準中則規定了功率大于25 W 的照明應用的總諧波失真性能，其最大限制相當于總諧波失真(THD) 35%，而功率因數(PF)>0.94。

雖然不是所有國家都絕對強制要求照明應用中改善功率因數，但某些應用可能有這方面的要求，如公用事業(yè)機構大力推動(dòng)擁有高功率因數的產(chǎn)品在公用設施中的商業(yè)應用，此外，公用事業(yè)機構購入/維護街燈時(shí)，也可以根據他們的意愿來(lái)決定是否要求擁有高功率因數(通常>0.95+)。

PFC 技術(shù)包括無(wú)源 PFC 及有源PFC 兩種。無(wú)源PFC 方案的體積較大，需要增加額外的元件來(lái)更好地改變電流波形，能夠達到約0.8 或更高的功率因數。其中，在小于5 W 至40 W 的較低功率應用中，幾乎是標準選擇的反激式拓撲結構只需要采用無(wú)源元件及稍作電路改動(dòng)，即可實(shí)現高于0.7 的功率因數。

有源 PFC(見(jiàn)圖6)通常是作為一個(gè)專(zhuān)門(mén)的電源轉換段增加到電路中來(lái)改變輸入電流波形。有源PFC 通常提供升壓，交流100 至277 Vac的寬輸入范圍下，PFC 輸出電壓范圍達直流450 至480 Vdc。如果恰當地設計PFC 段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要專(zhuān)門(mén)的DC-DC 轉換來(lái)提供電流穩流。

四、能效問(wèn)題

LED 照明應用的能效需要結合功率輸出來(lái)考慮。美國“能源之星”固態(tài)照明規范規定了照明器具級的能效，但并不涉及單獨 LED 驅動(dòng)器的能效要求。如前所述，采用AC-DC 電源的LED應用可以采用兩段式分布拓撲結構， 故可能采用外部AC-DC適配器供電。

而“能源之星”的確包含有關(guān)單輸出外部電源的規范，其 2.0 版外部電源規范于2008 年11 月開(kāi)始生效，要求標準工作模式下最低能效達87%，而低壓工作模式下最低能效達86%；在此規范中，功率大于100 W 時(shí)才要求PFC。

而在采用AC-DC 電源的LED 應用中，要提供更高的AC-DC 轉換能效，就涉及到成本、尺寸、性能規范及能效等因素之間的折衷問(wèn)題。例如，若使用更高質(zhì)量的元件、更低導通阻抗(RDSon)，就可降低損耗及改善能效；降低開(kāi)關(guān)頻率一般會(huì )改善能效，但卻會(huì )增加系統尺寸。諸如諧振這樣新的拓撲結構提供更高能效，卻也增加設計及元件的復雜度。如果我們將設計限定在較窄的功率及電壓范圍，則可以幫助優(yōu)化能效。