LED燈具驅動(dòng)技術(shù)發(fā)展趨勢分析

　　科技進(jìn)步日新月異，科技創(chuàng )造人類(lèi)的新生活。近幾年，全球人類(lèi)共識：未來(lái)與綠色環(huán)保節能相關(guān)的產(chǎn)業(yè)前景光明燦爛。LED照明產(chǎn)業(yè)首當其沖，將展現無(wú)限的生命力、無(wú)窮大的海量市場(chǎng)。2009年LED照明產(chǎn)業(yè)絲毫沒(méi)有受全球經(jīng)濟危機的影響，在中國政府的大力推動(dòng)下，中國LED照明產(chǎn)業(yè)正快速走熱，2009年成為L(cháng)ED照明元年，中國LED照明產(chǎn)業(yè)鏈在此經(jīng)濟危機中快速成長(cháng)和完善，LED新一代照明技術(shù)迅速發(fā)展，帶動(dòng)LED照明產(chǎn)業(yè)鏈的數以千百萬(wàn)家企業(yè)欣欣向榮。

　　LED光源是一顆耀眼的明星，基于LED可以做成形形色色、千變萬(wàn)化的照明和燈飾燈具、LED廣告大屏、LED信息屏、手機和MP3/MP4等消費電子的顯示屏背光、筆記本電腦和LCD-TV顯示屏的背光。

　　LED光源的正常工作發(fā)光，離不開(kāi)驅動(dòng)IC。本文就最近階段LED照明燈具驅動(dòng)技術(shù)發(fā)展趨勢而言。

　　LED照明燈具的基本架構

　　LED照明燈具的基本架構是：LED光源 + 驅動(dòng)電源 + 燈具金屬/塑料結構件。LED光源涉及LED燈具產(chǎn)品的亮度、色彩、壽命；驅動(dòng)電源涉及LED燈具產(chǎn)品的電氣性能和穩定性、可靠性、壽命；金屬/塑料結構件涉及LED燈具產(chǎn)品散熱性能和造型時(shí)尚新穎，以及不同的應用場(chǎng)合。

圖1 LED照明燈具的基本架構

　　LED光源高效節能而無(wú)碳排放

　　LED光源是固體發(fā)光的新一代光源，LED光源作為綠色、節能、省電、長(cháng)壽命的第四代照明燈具而異軍突起、廣受關(guān)注、如火如荼迅速發(fā)展。LED光源作為第四代新型節能光源誕生之時(shí)即被用來(lái)做各類(lèi)燈具的發(fā)光光源。作為光源的白熾燈其發(fā)光效率只有百分之五，而LED光源的發(fā)光效率幾乎接近百分之九十。LED照明以其高節能、長(cháng)壽命、利環(huán)保的特點(diǎn)成為大家廣為關(guān)注的焦點(diǎn)。這幾年高亮度的LED光源因其制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，而其生產(chǎn)成本又節節下降，如今幾乎所有的燈具都可以使用LED光源作為高亮度、高效率而又省電、無(wú)碳排放的照明光源。

　　LED光源點(diǎn)亮需要驅動(dòng)IC

　　目前的DC LED光源是低電壓（VF=2→3.6V）、大電流（IF=200→1500mA）工作的半導體器件，必須提供合適的直流恒定電流才能正常發(fā)光。直流（DC）驅動(dòng)DC LED光源發(fā)光的技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越成熟，由于我們日常照明使用的電源是高壓交流電（AC100-220V），所以必須使用降壓的技術(shù)來(lái)獲得較低的電壓，常用的是開(kāi)關(guān)電源降壓，然后將交流電（AC）變換成直流電（DC），再由驅動(dòng)IC變換成直流恒流源才能促使LED光源發(fā)光。因此直流驅動(dòng)LED光源的系統應用方案必然是：開(kāi)關(guān)電源 + 恒流源。LED燈具里必然要有一定的空間來(lái)安置這個(gè)電源模塊，但是對于E27標準螺口的燈具來(lái)說(shuō)空間十分有限，很難安置。無(wú)論是經(jīng)由開(kāi)關(guān)電源或是其它方法降壓，系統都會(huì )有一定量的損耗，DC LED燈具在交流、直流電之間轉換時(shí)約8～25%的電力被損耗，系統效率很難做到90%以上。因此提高轉換效率一直是電源芯片和電源制造商追求的目標。

　　常見(jiàn)LED光源驅動(dòng)IC

　　目前常見(jiàn)LED光源驅動(dòng)IC都是從通用電源IC借用過(guò)來(lái)的，真正為L(cháng)ED光源設計的驅動(dòng)IC還很少，很多公司都在設計中，預計到2010年中可能會(huì )有不少可應市。目前LED光源驅動(dòng)的低成本而不安全的方案是用阻容降壓的方法來(lái)實(shí)現的，如先前的圣誕燈飾；低成本的驅動(dòng)還可以用CCR和LDO，它們的驅動(dòng)電流都不大，CCR只能驅動(dòng)0.5W以下的LED，如0.06W的草帽燈，LDO用穩壓的方法可驅動(dòng)1W的LED，但對LED光源的壽命不利；DC/DC→恒流源可能是目前已知的最理想方案之一了。

　　常見(jiàn)LED光源驅動(dòng)IC及其功能表：

DC/DC恒流源驅動(dòng)IC

　　DC/DC恒流源驅動(dòng)IC是直接為L(cháng)ED光源提供恒定直流電源的。使用最多的是用DC/DC-Buck來(lái)做降壓型恒流源，降壓型恒流源好比從大水庫取水，因此恒流特性穩定、供應能力強。用DC/DC-Boost來(lái)做升壓型的恒流源，好比從水渠往上提水，輸出電壓可高于輸入電壓，如要求輸出電流較大時(shí)需要擴流。

　　LED光源往往是串、并聯(lián)應用來(lái)擴大燈具的亮度，由于LED光源具有一定的離散性，因此多個(gè)串聯(lián)應用比并聯(lián)應用來(lái)得更合理，可降低對LED光源一致性要求。用DC/DC-Buck來(lái)做降壓型恒流源，多個(gè)LED光源串聯(lián)以后需要的總電壓不能高于DC/DC-Buck的輸入電壓，如能低2V是最理想的，此時(shí)恒流源的效率可大于90%。為此新一代的DC/DC-Buck恒流源IC的一些主要指標會(huì )有質(zhì)的提高，Vin=5-70V，甚至Vin=5-100V，這樣的芯片可達到汽車(chē)電子應用的基本條件，輸出電壓也可滿(mǎn)足串接近20-30個(gè)LED光源的要求。提高Vin的電壓關(guān)鍵是集成電路的制造工藝。

　　輸出恒流精度也是值得關(guān)注的重要指標，它關(guān)系到恒流驅動(dòng)電源在大批量工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品的一致性，如因DC/DC-Buck恒流源IC輸出的恒流精度不同而產(chǎn)生恒流驅動(dòng)電源輸出電流的不一致性，將影響成批生產(chǎn)的LED燈具亮度的差異，因此對新一代DC/DC-Buck恒流源IC的恒流輸出精度要求為2%-1%。過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫、開(kāi)路保護是這類(lèi)IC所必須具備的。開(kāi)關(guān)頻率抖動(dòng)技術(shù)可有效地降低應用電路的EMI，因此會(huì )越來(lái)越多地被采用。內置的MOSFET還是不宜太大，一是顧及芯片的成本，二是考慮芯片本身在工作時(shí)的熱量散發(fā)，一般單顆芯片的輸出電流在2A以下。

　　此外由于工作時(shí)有750mA到1500mA電流通過(guò)，如在一個(gè)類(lèi)似1.4X1.1mm的硅片管芯上，要長(cháng)時(shí)間通過(guò)這些電流，必然有功耗，必然會(huì )發(fā)熱，芯片本身的物理散熱結構也是至關(guān)重要，驅動(dòng)芯片的封裝應有利于驅動(dòng)芯片管芯的快速散熱。如將管芯（Die）直接綁定在銅板上，并有一Pin直接延伸到封裝外，便于直接焊接在PCB板的銅箔上迅速導熱散發(fā)。

　　DC/DC恒流源驅動(dòng)IC的功能高度集成是使應用電路簡(jiǎn)化的關(guān)鍵所在，如PT4115在應用時(shí)周邊只需要四個(gè)元器件，大大節省了應用成本。

圖2 應用電路簡(jiǎn)潔的PT4115

　　AC/DC恒流源驅動(dòng)IC

　　直接在燈頭上使用AC電源的照明燈具十分需要應用電路簡(jiǎn)潔、使用成本低的AC/DC恒流源驅動(dòng)IC。目前使用的驅動(dòng)IC大多是從開(kāi)關(guān)電源轉用過(guò)來(lái)的反激式恒流驅動(dòng)方案，采用隔離降壓原理。分成初級側反饋控制和次級側反饋控制二類(lèi)應用，次級側反饋控制系統精度可達2%，但整個(gè)應用電路需要元器件約二十多個(gè)；初級側反饋控制系統精度一般可達5-3%，整個(gè)電路需要的元器件最少方案僅7-8個(gè)。LED燈具生產(chǎn)廠(chǎng)家是十分注重成本的。

　　目前AC/DC恒流源驅動(dòng)IC正從反激式拓撲結構轉向高效率諧振半橋（LLC） + PFC拓撲結構，以充分發(fā)揮零電壓開(kāi)關(guān)拓撲結構(ZVS)的優(yōu)勢，和滿(mǎn)足LED燈具對PFC（功率因素較正）日益提高的要求，并要求在較低的功率等級(如50 W)時(shí)能提高效率>90%。寬電壓輸入、短路和過(guò)功率保護、開(kāi)路保護、較低的總諧波失真(THD)是基本的要求。

　　圖 3 AC/DC恒流源驅動(dòng)IC正從反激式拓撲結構轉向高效率諧振半橋LLC

　　另一種AC/DC恒流源驅動(dòng)IC發(fā)展思路是由功率因數