LED照明設計基礎知識分享

發(fā)光二極管(LED)繼在中小尺寸屏幕的便攜產(chǎn)品背光等應用獲大量采用后，隨著(zhù)它發(fā)光性能的進(jìn)一步提升及成本的優(yōu)化，近年來(lái)已邁入通用照明領(lǐng)域，如建筑物照明、街道照明、景觀(guān)照明、標識牌、信號燈、以及住宅內的照明等，應用可謂方興未艾。

另一方面，LED照明設計也給包括中國工程師在內的工程社群帶來(lái)了挑戰，這不僅因為LED照明的應用范圍非常廣泛，應用的功率等級、可以采用的驅動(dòng)電源種類(lèi)及電源拓撲結構等，也各不相同。工程師們迫切需要系統地學(xué)習及了解更多有關(guān)LED照明設計的基礎知識。有鑒于此，安森美半導體的產(chǎn)品應用總監Bernie Weir先生近期專(zhuān)門(mén)撰寫(xiě)相關(guān)培訓資料，為工程師們傳授相關(guān)的設計基礎知識，內容涉及LED驅動(dòng)器的通用要求、電源拓撲結構、功率因數校正、電源轉換能效和驅動(dòng)器標準，以及可靠性和使用壽命等其它問(wèn)題，方便他們更好地設計入門(mén)及提高，從而更好地服務(wù)于LED照明市場(chǎng)。限于篇幅，本文是該培訓資料的摘要介紹。

一、LED驅動(dòng)器通用要求

驅動(dòng)LED面臨著(zhù)不少挑戰，如正向電壓會(huì )隨著(zhù)溫度、電流的變化而變化，而不同個(gè)體、不同批次、不同供應商的LED正向電壓也會(huì )有差異;另外，LED的“色點(diǎn)”也會(huì )隨著(zhù)電流及溫度的變化而漂移。

另外，應用中通常會(huì )使用多顆LED，這就涉及到多顆LED的排列方式問(wèn)題。各種排列方式中，首選驅動(dòng)串聯(lián)的單串LED，因為這種方式不論正向電壓如何變化、輸出電壓(Vout)如何“漂移”，均提供極佳的電流匹配性能。當然，用戶(hù)也可以采用并聯(lián)、串聯(lián)-并聯(lián)組合及交叉連接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向電壓的應用，并獲得其它優(yōu)勢。如在交叉連接中，如果其中某個(gè)LED因故障開(kāi)路，電路中僅有1個(gè)LED的驅動(dòng)電流會(huì )加倍，從而盡量減少對整個(gè)電路的影響。

圖1：常見(jiàn)的LED排列方式

二、LED驅動(dòng)電源的拓撲結構

采用AC-DC電源的LED照明應用中，電源轉換的構建模塊包括二極管、開(kāi)關(guān)(FET)、電感及電容及電阻等分立元件用于執行各自功能，而脈寬調制(PWM)穩壓器用于控制電源轉換。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC電源轉換包含反激、正激及半橋等拓撲結構，參見(jiàn)圖3，其中反激拓撲結構是功率小于30 W的中低功率應用的標準選擇，而半橋結構則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結構中的變壓器而言，其尺寸的大小與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，且多數隔離型LED驅動(dòng)器基本上采用“電子”變壓器。

圖2：常見(jiàn)的隔離型拓撲結構

采用DC-DC電源的LED照明應用中，可以采用的LED驅動(dòng)方式有電阻型、線(xiàn)性穩壓器及開(kāi)關(guān)穩壓器等，基本的應用示意圖參見(jiàn)圖4。電阻型驅動(dòng)方式中，調整與LED串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED的正向電流，這種驅動(dòng)方式易于設計、成本低，且沒(méi)有電磁兼容(EMC)問(wèn)題，劣勢是依賴(lài)于電壓、需要篩選(binning) LED，且能效較低。線(xiàn)性穩壓器同樣易于設計且沒(méi)有EMC問(wèn)題，還支持電流穩流及過(guò)流保護(fold back)，且提供外部電流設定點(diǎn)，不足在于功率耗散問(wèn)題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開(kāi)關(guān)穩壓器通過(guò)PWM控制模塊不斷控制開(kāi)關(guān)(FET)的開(kāi)和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。

圖3：常見(jiàn)的DC-DC LED驅動(dòng)方式

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。

圖4：直接采用交流驅動(dòng)LED的示意圖

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+)。