大功率LED封裝解析以及恒流電源設計

　　大功率LED封裝技術(shù)解析：

　　半導體發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱(chēng)LED，從上世紀六十年代研制出來(lái)并逐步走向市場(chǎng)化，其封裝技術(shù)也是不斷改進(jìn)和發(fā)展。LED 由最早用玻璃管封裝發(fā)展至支架式環(huán)氧封裝和表面貼裝式封裝，使得小功率LED 獲得廣泛的應用。從上世紀九十年代開(kāi)始，由于LED 外延、芯片技術(shù)上的突破，四元系AlGaInP 和GaN 基的LED相繼問(wèn)世，實(shí)現了LED 全色化，發(fā)光亮度大大提高，并可組合各種顏色和白光。器件輸入功率上有很大提高。目前單芯片1W 大功率LED 已產(chǎn)業(yè)化并推向市場(chǎng)，臺灣國聯(lián)也已研制出10W 的單芯片大功率LED。這使得超高亮度LED 的應用面不斷擴大，首先進(jìn)入特種照明的市場(chǎng)領(lǐng)域，并向普通照明市場(chǎng)邁進(jìn)。由于LED 芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型LED 的封裝技術(shù)提出了更高的要求。功率型LED 封裝技術(shù)主要應滿(mǎn)足以下二點(diǎn)要求：一是封裝結構要有高的取光效率，其二是熱阻要盡可能低，這樣才能保證功率LED 的光電性能和可靠性。所以本文將重點(diǎn)對功率型LED 的封裝技術(shù)作介紹和論述。

　　功率型LED 封裝技術(shù)現狀

　　由于功率型LED 的應用面非常廣，不同應用場(chǎng)合下對功率LED 的要求不一樣。根據功率大小，目前的功率型LED 分為普通功率LED 和W 級功率LED 二種。輸入功率小于1W 的LED（幾十mW 功率LED除外）為普通功率LED；輸入功率等于或大于1W 的LED 為W 級功率LED。而W 級功率LED 常見(jiàn)的有二種結構形式，一種是單芯片W 級功率LED，另一種是多芯片組合的W 級功率LED。

　　1．國外功率型LED 封裝技術(shù)：

　?。?）普通功率LED

　　根據報導，最早是由HP 公司于1993 年推出“食人魚(yú)”封裝結構的LED，稱(chēng)“Super flux LED”，并于1994年推出改進(jìn)型的“Snap LED”，其外形如圖1 所示。它們典型的工作電流，分別為70mA 和150mA，輸入功率分別為0.1W 和0.3W。

　　Osram 公司推出“Power TOP LED”是采用金屬框架的PLCC 封裝結構，其外形圖如圖2 所示。之后其他一些公司推出多種功率LED 的封裝結構。其中一種PLCC-4 結構封裝形式，其功率約200~300mW，這些結構的熱阻一般為75~125℃/W?？傊?，這些結構的功率LED 比原支架式封裝的LED 輸入功率提高幾倍，熱阻下降幾倍。

　?。?）W 級功率LED

　　W 級功率LED 是未來(lái)照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，對W 級功率封裝技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，并均已將所得的新結構、新技術(shù)等申請各種專(zhuān)利。單芯片W 級功率LED 最早是由Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon LED，其結構如圖3 所示，根據報導，該封裝結構的特點(diǎn)是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊接在熱沉上，并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結構和新材料，提高了器件的取光效率并改善了散熱特性?？稍谳^大的電流密度下穩定可靠的工作，并具有比普通LED 低得多的熱阻，一般為14~17℃/W，現有1W、3W 和5W的產(chǎn)品。該公司近期還報導［1］推出Luxeon III LED 產(chǎn)品，由于對封裝和芯片進(jìn)行改善，可在更高的驅動(dòng)電流下工作，在700mA 電流工作50000 小時(shí)后仍能保持70%的流明，在1A 電流工作20000 小時(shí)能保持50%的流明。

　　Osram 公司于2003 年推出單芯片的“Golden Dragon”系列LED［2］，如圖4 所示，其結構特點(diǎn)是熱沉與金屬線(xiàn)路板直接接觸，具有很好的散熱性能，而輸入功率可達1W。我國臺灣UEC 公司（國聯(lián)）采用金屬鍵合（Metal Bonding）技術(shù)封裝的MB 系列大功率LED［3］其特點(diǎn)是用Si 代替GaAs 襯底，散熱好，并以金屬黏結層作光反射層，提高光輸出?，F有LED 單芯片面積分別為：0.3&TImes;0.3mm2、1&TImes;1mm2 和2.5&TImes;2.5mm2 的芯片，其輸入功率分別有0.3W 、1W 和10W，其中2.5&TImes;2.5mm2芯片光通量可達200lm，0.3W 和1W 產(chǎn)品正推向市場(chǎng)。多芯片組合封裝的大功率LED，其結構和封裝形式較多，這里介紹幾種典型的結構封裝形式：

　?、倜绹鳸OE 公司于2001 年推出多芯片組合封裝的Norlux 系列LED［4］，其結構是采用六角形鋁板作為襯底，如圖5 所示，鋁層導熱好，中央發(fā)光區部分可裝配40 只芯片，封裝可為單色或多色組合，也可根據實(shí)際需求布置芯片數和金線(xiàn)焊接方式，該封裝的大功率LED 其光通量效率為20lm/W，發(fā)光通量為100lm。

　?、贚anina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司獨有的金屬基板上低溫燒結陶瓷（LTCC-M）技術(shù)封裝的大功率LED 陣列［5］，有二種產(chǎn)品：一種為7 元LED 陣列，光通量為840lm，功率為21W。另一種是134 元LED 陣列，光通量為360lm，功率134W。由于LTCC-M 技術(shù)是將LED 芯片直接連接到密封陣列配置的封裝盒上，因此工作溫度可達250℃。

　?、鬯上鹿居?003 年推出由64 只芯片組合封裝的大功率白光LED［6］，光通量可達120lm，采用散熱性能優(yōu)良的襯底，把這些芯片封裝在2cm2 的面積中，其驅動(dòng)電流可達8W，這種封裝中每1W 輸入功率其溫升僅為1.2℃。

　?、苋諄喒居?003 年推出號稱(chēng)是全世界最亮的白光LED，其光通量可達600lm，輸出光束為1000lm時(shí)，耗電量為30W，最大輸入功率為50W，提供展覽的白光LED 模塊發(fā)光效率達33lm/W。有關(guān)多芯片組合的大功率LED，許多公司根據實(shí)際市場(chǎng)需求，不斷開(kāi)發(fā)很多新結構封裝的新產(chǎn)品，其開(kāi)發(fā)研制的速度是非?？?。

　　2．國內功率型LED 封裝技術(shù)

　　國內LED 普通產(chǎn)品的后工序封裝能力應該是很強的，封裝產(chǎn)品的品種較齊全，據初步估計，全國LED 封裝廠(chǎng)超過(guò)200 家，封裝能力超過(guò)200 億只/年，封裝的配套能力也是很強的，但是很多封裝廠(chǎng)為私營(yíng)企業(yè)，目前來(lái)看規模偏小。

　　國內功率型LED 的封裝，早在上世紀九十年代就開(kāi)始，一些有實(shí)力的后封裝企業(yè)，當時(shí)就開(kāi)始開(kāi)發(fā)并批量生產(chǎn)，如“食人魚(yú)”功率型LED。國內的大學(xué)、研究所很少對大功率LED 封裝技術(shù)開(kāi)展研究，信息產(chǎn)業(yè)部第13 研究所對功率型LED 封裝技術(shù)開(kāi)展研究工作，并取得很好的研究成果，具體開(kāi)發(fā)出功率LED 產(chǎn)品。

　　國內有實(shí)力的LED 封裝企業(yè)（外商投資除外），如佛山國星、廈門(mén)華聯(lián)等幾個(gè)企業(yè)，很早就開(kāi)展功率型LED的研發(fā)工作，并取得較好的效果。如“食人魚(yú)”和PLCC 封裝結構的產(chǎn)品，均可批量生產(chǎn)，并已研制出單芯片1W 級的大功率LED 封裝的樣品。而且還進(jìn)行多芯片或多器件組合的大功率LED 研制開(kāi)發(fā)，并可提供部分樣品供試用。對大功率LED 封裝技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，目前國家尚未正式支持投入，國內研究單位很少介入，封裝企業(yè)投入研發(fā)的力度（人力和財力）還很不夠，形成國內對封裝技術(shù)的開(kāi)發(fā)力量薄弱的局面，其封裝的技術(shù)水平與國外相比還有相當的差距。

　　功率型LED 產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵的封裝技術(shù)

　　半導體LED 要作為照明光源，常規產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，距離甚遠。因此，LED 要在照明領(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵要將其發(fā)光效率、光通量提高至現有照明光源的等級。功率型LED 所用的外延材料采用MOCVD 的外延生長(cháng)技術(shù)和多量子阱結構雖然其外量子效率還需進(jìn)一步提高，但獲得高發(fā)光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低?，F有的功率型LED 的設計采用了倒裝焊新結構來(lái)提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過(guò)增大芯片面積，加大工作電流來(lái)提高器件的光電轉換效率，從而獲得較高的發(fā)光通量。除了芯片外，器件的封裝技術(shù)也舉足輕重。關(guān)鍵的封裝技術(shù)工藝有：

　　1、散熱技術(shù)

　　傳統的指示燈型LED 封裝結構，一般是用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲完成器件的內外連接后用環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成，其熱阻高達250~300℃/W，新的功率型芯片若采用傳統式的LED 封裝形式，將會(huì )因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃，從而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因為迅速的熱膨脹所產(chǎn)生的應力造成開(kāi)路而失效。因此，對于大工作電流的功率型LED芯片，低熱阻、散熱良好及低應力的新的封裝結構是功率型LED 器件的技術(shù)關(guān)鍵。采用低電阻率、高導熱性能的材料粘結芯片；在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉，并采用半包封結構，加速散熱；甚至設計二次散熱裝置，來(lái)降低器件的熱阻。在器件的內部，填充透明度高的柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內（一般為-40℃~200℃），膠體不會(huì )因溫度驟然變化而導致器件開(kāi)路，也不會(huì )出現變黃現象。零件材料也應充分考慮其導熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。

　　2、二次光學(xué)設計技術(shù)

　　為提高器件的取光效率，設計外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡。

　　3、功率型LED 白光技術(shù)

　　常見(jiàn)的實(shí)現白光的工藝方法有如下三種：

　　1）藍色芯片上涂上YAG 熒光粉，芯片的藍色光激發(fā)熒光粉發(fā)出典型值為500nm~560nm 的黃綠光，黃綠光與藍色光合成白光。該方法制備相對簡(jiǎn)單，效率高，具有實(shí)用性。缺點(diǎn)是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導致出光面均勻性差、色調一致性不好；色溫偏高；顯色性不夠理想。

　　2）RGB 三基色多個(gè)芯片或多個(gè)器件發(fā)光混色成白光；或者用藍+黃綠色雙芯片補色產(chǎn)生白光。只要散熱得法，該方法產(chǎn)生的白光較前一種方法穩定，但驅動(dòng)較復雜，另外還要考慮不同顏色芯片的不同光衰速度。

　　3）在紫外光芯片上涂RGB 熒光粉，利用紫光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生三基色光混色形成白光。但目前的紫外光芯片和RGB 熒光粉效率較低，環(huán)氧樹(shù)脂在紫外光照射下易分解老化。我司目前已采用方法1）和2）進(jìn)行白光LED 產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，并已進(jìn)行了W 級功率LED 的樣品試制。積累了一定的經(jīng)驗和體會(huì )，我們認為照明用W 級功率LED 產(chǎn)品要實(shí)現產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術(shù)問(wèn)題：

　?、俜弁坎剂靠刂疲篖ED 芯片+熒光粉工藝采用的涂膠方法通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過(guò)程中，由于載體膠的粘度是動(dòng)態(tài)參數、熒光粉比重大于載體膠而產(chǎn)生沉淀以及分配器

　　精度等因素的影響，此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度，導致了白光顏色的不均勻。

　?、谛酒怆妳蹬浜希喊雽w工藝的特點(diǎn)，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學(xué)參數（如波長(cháng)、光強）和電學(xué)（如正向電壓）參數差異。RGB 三基色芯片更是這樣，對于白光色度參數影響很大。這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　?、鄹鶕靡螽a(chǎn)生的光色度參數控制：不同用途的產(chǎn)品，對白光LED 的色坐標、色溫、顯色性、光功率（或光強）和光的空間分布等要求就不同。上述參數的控制涉及產(chǎn)品結構、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，對上述因素進(jìn)行控制，得到符合應用要求、一致性好的產(chǎn)品十分重要。

　　4、測試技術(shù)與標準

　　隨著(zhù)W 級功率芯片制造技術(shù)和白光LED 工藝技術(shù)的發(fā)展，LED 產(chǎn)品正逐步進(jìn)入（特種）照明市場(chǎng)，顯示或指示用的傳統LED 產(chǎn)品參數檢測標準及測試方法已不能滿(mǎn)足照明應用的需要。國內外的半導體設備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測試儀器，不同的儀器使用的測試原理、條件、標準存在一定的差異，增加了測試應用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問(wèn)題復雜化。

　　我國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì )光電子器件分會(huì )行業(yè)協(xié)會(huì )根據LED 產(chǎn)品發(fā)展的需要，于2003 年發(fā)布了“發(fā)光二極管測試方法（試行）”，該測試方法增加了LED 色度參數的規定。但LED 要往照明業(yè)拓展，建立LED照明產(chǎn)品標準是產(chǎn)業(yè)規范化的重要手段。

　　5、篩選技術(shù)與可靠性保證

　　由于燈具外觀(guān)的限制，照明用LED 的裝配空間密封且受到局限，密封且有限的空間不利于LED 散熱，這意味著(zhù)照明LED 的使用環(huán)境要劣于傳統顯示、指示用LED 產(chǎn)品。另外，照明LED 處于大電流驅動(dòng)下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，針對不同的產(chǎn)品用途，制定適當的熱老化、溫度循環(huán)沖擊、負載老化工藝篩選試驗，剔除早期失效品，保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。

　　6、靜電防護技術(shù)

　　藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很??；對于InGaN/AlGaN/GaN 雙異質(zhì)結，InGaN 活化簿層僅幾十nm，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，靜電的防范是否得當，直接影響到產(chǎn)品的成品率、可靠性和經(jīng)濟效益。靜電的防范技術(shù)有如下幾種：

　?、偕a(chǎn)、使用場(chǎng)所從人體、臺、地、空間及產(chǎn)品傳輸、堆放等實(shí)施防范，手段有防靜電服裝、手套、手環(huán)、鞋、墊、盒、離子風(fēng)扇、檢測儀器等。

　?、谛酒显O計靜電保護線(xiàn)路。

　?、跮ED 上裝配保護器件。

　　廈門(mén)華聯(lián)電子有限公司長(cháng)期從事半導體LED 及其它光電子器件的研制、生產(chǎn)。目前在功率LED 方面，

　　已具備食人魚(yú)、PLCC 功率型LED 產(chǎn)品的量產(chǎn)能力。目前已有三基色芯片的PLCC 功率型LED 用于室外裝飾應用產(chǎn)品出口歐美市場(chǎng)。在多芯片混色白光技術(shù)應用方面，已有彩色顯示模塊出口。W 級功率型LED已經(jīng)研制出R、Y、G、B、W 色，兩種外形樣品。IF=350mA 下的光效分別約為14lm/W、11lm/W、12lm/W、4lm/W 和11.5lm/W，目前可提供樣品試用。

　　結束語(yǔ)

　　我國LED 封裝產(chǎn)品主要是普通小功率LED，同時(shí)還具有一定的功率型LED封裝技術(shù)和水品。但由于多種原因，我國大功率LED 封裝技術(shù)水平總體來(lái)說(shuō)與國際水平還有相當的差距。為了加快發(fā)展LED 封裝技術(shù)水平，我們建議：

　　1．國家要重點(diǎn)支持LED 前工序外延、芯片有實(shí)力的重點(diǎn)研究單位（大學(xué)）和企業(yè)，集中優(yōu)勢，重點(diǎn)突破前工序的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，盡快開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)有自主產(chǎn)權的1W、3W、5W 和10W 等大功率LED 芯片，只有這樣，才能確保我國大功率LED 的順利發(fā)展。

　　2．國家要重點(diǎn)扶植幾家有實(shí)力的大功率LED 封裝企業(yè)，研發(fā)有自主產(chǎn)權的LED 封裝產(chǎn)品，并要達到規?；纳a(chǎn)程度，參與國際市場(chǎng)競爭。

　　3．要重視熒光粉、封裝環(huán)氧等基礎材料的研究開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。

　　4．根據市場(chǎng)要求，開(kāi)發(fā)適應市場(chǎng)的各種功率型LED 產(chǎn)品，首先瞄準特種照明應用的市場(chǎng)，并逐步向普通照明燈源市場(chǎng)邁進(jìn)。

　　恒流LED電路的設計與仿真：

　　隨著(zhù)LED 效率的迅速提高、成本的不斷下降，LED 市場(chǎng)正在由手機的背光源和汽車(chē)儀表照明，以及亮度要求不高的特殊照明和景觀(guān)照明領(lǐng)域向普通白光照明領(lǐng)域擴展。

　　LED 是一種固態(tài)冷光源，是繼白熾燈、熒光燈和高強度放電燈之后的第四代光源。它具有以下特點(diǎn)：

　?、侔l(fā)光效率高，能量消耗低。由于LED 的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光區域，效率可達到80% ~ 90%，大功率LED 照明的耗電量?jì)H為相同亮度白熾燈的10% ~20%.

　?、诎踩?，環(huán)保。大功率LED 的工作電壓為3 ~4 V 的直流電，因而沒(méi)有電磁干擾。LED 產(chǎn)生的廢棄物可回收，無(wú)污染，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

　?、蹓勖L(cháng)，可靠性高，LED 的平均壽命長(cháng)達50 000 h，大功率照明LED 以其特殊的電子結構保證其工作時(shí)有良好的穩定性和可靠性，甚至在水下也能長(cháng)時(shí)間穩定地工作。而且它沒(méi)有傳統燈泡的鎢絲、玻璃殼等易損部件，維護費用低廉。LED 的工作溫度范圍也很寬，在-40 ℃ ~85 ℃之間均能正常工作。

　?、軉紊阅芎?，色彩豐富。光色純，光線(xiàn)質(zhì)量高，單一顏色LED 的光譜狹窄，譜線(xiàn)單一，集中在可見(jiàn)光波段。

　?、蒹w積小，重量輕，可以靈活地排列搭配使用。

　?、揄憫獣r(shí)間短，LED 的響應時(shí)間只有數十納秒。

　　近年來(lái)，LED 以其環(huán)保、發(fā)光高效的特點(diǎn)得到了廣泛的應用，尤其在照明方面應用越來(lái)越廣泛。就目前的發(fā)展來(lái)看，大家最為關(guān)心的是燈的壽命問(wèn)題，而現在無(wú)論是燈使用者還是生產(chǎn)廠(chǎng)都看到，燈的壽命取決于驅動(dòng)電源， 99%以上的燈故障都是由于驅動(dòng)電源引起的，LED 的壽命長(cháng)達50 000 h，但與之配套的驅動(dòng)電源的壽命僅為10 000 h.所以L(fǎng)ED 燈照明裝置能否應用推廣的關(guān)鍵環(huán)節之一是其驅動(dòng)電源問(wèn)題，筆者就提高大功率（ 100 ~ 200 W） 驅動(dòng)電源的可靠性從如下兩大方面進(jìn)行了探討。

　　1 防水及降溫處理

　　大功率LED 燈一般安裝在室外，風(fēng)吹雨淋自然難免，做好防水工作是關(guān)鍵所在。目前大家通用的方式是灌膠，而膠導熱系數的差異直接影響電源的散熱效果，最終影響壽命。

　?。?1） 選擇符合高耐寒要求的膠，防止在超低溫下膠體開(kāi)裂等失效現象，要考慮灌注膠溫度對器件性能的影響，不能選用灌注溫度過(guò)高的膠，灌注溫度應低于150 ℃，選用- 40 ~ + 150 ℃的高品質(zhì)膠。

　?。?2） 膠體的電氣絕緣性能等級要符合要求。

　?。?3） 灌膠導熱系數對驅動(dòng)電源散熱影響情況，由于電源的殼體結構已經(jīng)確定，因此驅動(dòng)電源的散熱主要通過(guò)膠體傳導，將熱量傳導到殼體，而后通過(guò)對流散熱。表1 是導熱系數不同的膠體的電源器件和殼體溫度情況（ 輸入電壓~ 100 V，輸出48 V/3 A，環(huán)境溫度25 ℃） 。

　　表1 不同導熱系數的膠體對溫度的影響

　　通過(guò)比較可知良好的導熱系數可以降低電子器件的溫升，進(jìn)而能夠提高器件使用壽命，增加LED 驅動(dòng)電源的可靠性。

　?。?4） 選用具有較高阻燃性能的灌膠，如果LED 燈電源在使用時(shí)發(fā)生火災，將會(huì )造成生命和財產(chǎn)安全問(wèn)題。

　?。?5） 膠體的固化收縮率對電源器件會(huì )產(chǎn)生很大影響，固化收縮率過(guò)大的膠將導致元器件連接應力的過(guò)大，導致器件變形甚至損壞。因此要選用收縮率較小的膠體，通常選用固化收縮率小于0. 1%的膠體。

　　2 驅動(dòng)電源電路設計

　　目前LED 驅動(dòng)電源存在驅動(dòng)能力較低，保護功能較少，輸出電壓電流不穩定，可靠性差等問(wèn)題，很難達到要求，根據設計經(jīng)驗提出了驅動(dòng)電源硬件電路的設計方案，本設計能夠很好地提高LED 驅動(dòng)電源的可靠性。

　　2. 1 總體電路設計

　　LED 驅動(dòng)電源的總體設計如圖1 所示。圖1 中主電路中U 為220 V 交流輸入電壓； RC，CC和DC構成RCD 電路； T 為變壓器； S 為開(kāi)關(guān)管； D 為整流二極管； C為整流電容； RC為采樣電阻，具體電路如圖1 所示。

　　電路在設計時(shí)考慮到電路的可靠性，輸入端應具有隔離電路，以保護電網(wǎng)和用電設備的安全。輸入端設計了輸入保護電路，用來(lái)保護LED 驅動(dòng)電源在電網(wǎng)側產(chǎn)生脈動(dòng)瞬態(tài)干擾下能夠正常工作，并有效抑制共模和差模干擾。為了提高電路的功率因數，電路中采用了有源功率因數校正電路。為了實(shí)現恒流輸出，采用電流反饋控制，RC采樣電阻感應輸出電流大小，與參考點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，輸出信號通過(guò)光電耦合電路輸入到控制器，產(chǎn)生PWM 控制信號，控制變壓器的工作方式，已達到變壓器恒流輸出。

　　圖1 LED 驅動(dòng)電源總體設計電路

　　2. 2 部分電路設計

　?。?1） 輸入保護電路設計

　　LED 大功率燈驅動(dòng)電源一般用在室外，用電環(huán)境相對比較惡劣，且外界的各種干擾容易使電源出現問(wèn)題。同時(shí)，LED 燈驅動(dòng)電源的故障，也容易對電網(wǎng)的安全造成隱患。因此，有必要在輸入端設計保護電路，用來(lái)保護用電設備和電網(wǎng)的安全。

　　電路中有負溫度系數熱敏電阻，用來(lái)啟動(dòng)過(guò)電流保護。通過(guò)保險絲進(jìn)行過(guò)電流保護。利用壓敏電阻來(lái)抑制瞬變傳導產(chǎn)生的干擾，吸收輸入端的浪涌和脈沖干擾。電路中設有共模與差模干擾抑制電路，用來(lái)減小LED 驅動(dòng)電源對其他用電設備的干擾，同時(shí)可以抑制外界用電設備對驅動(dòng)電源的干擾。

　?。?2） 功率因數校正電路

　　將交流220 V 市電經(jīng)整流后供給負載使用，最常用的整流方式是由4 個(gè)二極管組成的整流橋將交流電變換為直流電，但是這種方法存在著(zhù)一個(gè)無(wú)法避免的缺點(diǎn)： 由二極管和電容組成的非線(xiàn)性電路會(huì )產(chǎn)生大量的電流諧波和無(wú)功功率，造成電網(wǎng)的污染。這種諧波污染不僅會(huì )使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，而且還會(huì )造成用電設備的故障和損壞。另外，用電設備的功率因數越高，則有功功率所占的比重越大，設備就越節能。

　　為了提高功率因數，需要做兩個(gè)方面的工作： 一方面減小輸入電流和輸入電壓之間的相位差φ，努力使兩者同相位； 另一方面，需要減小輸入電流的諧波含量，采取一定的方法使輸入電流的波形接近正弦波。

　　基于上述要求，可以采用安森美公司生產(chǎn)的MC33260 芯片作為有源功率因數控制芯片，此芯片只需要使用最少的外部元件便可以實(shí)現控制要求，可以極大地減小電感和功率開(kāi)關(guān)的尺寸，降低系統的成本且功能還能達到要求。電路如圖2 所示。

　　圖2 功率因數校正電路

　?。?） RCD 緩沖電路設計

　　為了防止開(kāi)關(guān)管被峰值電壓擊穿，通?？梢圆捎玫姆椒ㄓ腥缦聝煞N： 一是減小漏感，二是通過(guò)設計RCD 緩沖電路吸收很高的電壓尖峰能量。雖然在變壓器的加工過(guò)程中將線(xiàn)圈纏緊并緊密地包圍住氣隙，然后將線(xiàn)圈外圍包上銅箔可以有效地減小漏感； 但變壓器漏感無(wú)法完全消失，因此需要設計RCD 電路對電壓峰值進(jìn)行吸收，電路如圖3 所示。

　　圖3 RCD 緩沖電路

　?。?） 變換電路設計

　　LED 路燈驅動(dòng)電源所需的輸出功率較大，需要較高的轉換效率，且需要較好的調節性和較小的紋波，由于考慮到需要將LED 照明裝置與電網(wǎng)隔離，以提高安全性，所以采用單端反激式DC-DC 變換器，這種隔離式的DC-DC 變換電路的變壓器不僅具有隔離和變壓的作用，還具有電感的特性，可以起到儲存能量的作用，且變換器工作于連續工作模式。這種變換器特別適用于功率為100 W ~ 200 W 之間的電源，且輸出電壓較高，輸出電流較小的場(chǎng)合。這種工作模式雖然會(huì )使變壓器副邊的二極管損耗較大，但可以減小變壓器的鐵芯損耗。變壓器副邊產(chǎn)生的串擾可以采用串聯(lián)飽和電感的方式來(lái)進(jìn)行抑制。

　?。?） PWM 控制電路設計

　　DC-DC 變換器的PWM 控制原理有兩種： 電壓控制型和電流控制型?？紤]到穩定性問(wèn)題，我們采用電流控制型PWM 控制器，即NCP1230 模塊（ 圖4） 。它是一種峰值電流控制模式的PWM 控制器，具有向前極供電的功能，在空載時(shí)關(guān)閉PFC 電路，能夠提高電源的效率。這款芯片還具有周期跳頻，內部斜坡電壓補償，軟啟動(dòng)等一系列功能。

　　圖4 NCP1230 模塊PWM 控制電路

　　2. 3 電路的EMC 防護

　　LED 燈的驅動(dòng)電源受安裝環(huán)境條件的影響，很容易受到電磁干擾，特別是雷擊干擾。為此，驅動(dòng)電源在設計階段就要考慮這個(gè)問(wèn)題，并且要達到一定的標準。例如，防雷要求要達到D 級，線(xiàn)線(xiàn)之間電壓承受± 6 kV，線(xiàn)地之間± 6 kV，在產(chǎn)品試驗過(guò)程中，直流輸出范圍應與正常服務(wù)條件一致： DC 輸出電壓的波動(dòng)應在± 10%以?xún)龋?在試驗過(guò)程中或試驗結束后，驅動(dòng)電源運行時(shí)不應有報警、錯誤報警等等。

　　3 小結

　　隨著(zhù)大功率白光LED 的發(fā)展，成本也會(huì )降低，其驅動(dòng)電源的設計也將隨之得到發(fā)展，大功率LED 應用在照明領(lǐng)域中，將很快成為現實(shí)。以上提出的影響電源可靠性的幾個(gè)關(guān)鍵方法，來(lái)源于我們日常實(shí)踐研究，經(jīng)過(guò)一系列驗證試驗，各項性能符合要求