LED照明設計基礎知識-安森美培訓資料

圖3：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4：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5：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+)。

圖6：有源PFC的應用電路示意圖。

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。

圖7：美國能源部2008年秋季提出的LED照明燈具能效研發(fā)目標。

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、