LED電源設計及經驗匯編

單獨存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。LED驅動器根據不同的應用要求，可以采用恒定電壓（CV）輸出工作，即輸出為一定電流范圍下鉗位的電壓;也可以采用恒定電流（CC）輸出工作，輸出的設計能嚴格限定電流;也可能會采用恒流恒壓（CCCV）輸出工作，即提供恒定輸出功率，故作為負載的LED的正向電壓確定其電流。

　　總的來看，LED照明設計需要考慮以下幾方面的因素：

　　輸出功率：涉及LED正向電壓范圍、電流及LED排列方式等

　　電源：AC-DC電源、DC-DC電源、直接采用AC電源驅動

　　功能要求：調光要求、調光方式（模擬、數字或多級）、照明控制

　　其他要求：能效、功率因數、尺寸、成本、故障處理（保護特性）、要遵從的標準及可靠性等

　　更多考慮因素：機械連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等。

　　二、LED驅動電源的拓撲結構

　　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、開關（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，其中反激拓撲結構是功率小于30W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，其尺寸的大小與開關頻率有關，且多數隔離型LED驅動器基本上采用“電子”變壓器。

　　常見的隔離型拓撲結構

　　采用DC-DC電源的LED照明應用中，可以采用的LED驅動方式有電阻型、線性穩壓器及開關穩壓器等，基本的應用示意圖參見電阻型驅動方式中，調整與LED串聯的電流檢測電阻即可控制LED的正向電流，這種驅動方式易于設計、成本低，且沒有電磁兼容（EMC）問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選（binning）LED，且能效較低。

　　常見的DC-DCLED驅動方式

　　線性穩壓器同樣易于設計且沒有EMC問題，還支持電流穩流及過流保護（foldback），且提供外部電流設定點，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關穩壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關（FET）的開和關，進而控制電流的流動。

　　開關穩壓器具有更高的能效，與電壓無關，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）問題。LEDDC-DC開關穩壓器常見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串最大電壓時采用降壓結構，如采用24Vdc驅動6顆串聯的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采用升壓結構，如采用12Vdc驅動6顆串聯的LED;而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC結構，如采用12Vdc或12Vac驅動4顆串聯的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LED的方式近年來也獲得了一定的發展，其應用示意圖參見。這種結構中LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在線路電壓大于正向電壓時才導通。這種結構具有其優勢，如避免AC-DC轉換所帶來的功率損耗等。但是，這種結構中LED在低頻開關，故人眼可能會察覺到閃爍現象。此外，在這種設計中還需要加入LED保護措施，使其免受線路浪涌或瞬態的影響。

　　三、功率因數校正

　　美國能源部（DOE）“能源之星”（ENERGYSTAR）固態照明（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品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED驅動器功率因數須大于0.7，而商業應用中則須大于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25W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，如公用事業機構大力推動擁有高功率因數的產品在公用設施中的商業應用，此外，公用事業機構購入/維護街燈時，也可以根據他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數（通常》0.95+）。

　　PFC技術包括無源PFC及有源PFC兩種。無源PFC方案的體積較大，需要增加額外的元件來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5W至40W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源元件及稍作電路改動，即可實現高于0.7的功率因數。有源PFC通常是作為一個專門的電源轉換段增加到電路中來改變輸入電流波形。有源PFC通常提供升壓，交流100至277Vac的寬輸入范圍下，PFC輸出電壓范圍達直流450至480Vdc.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，仍然需要專門的DC-DC轉換來提供電流穩流。

　　四、能效問題

　　LED照明應用的能效需要結合功率輸出來考慮。美國“能源之星”固態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100W時才要求PFC.美國能源部2008年秋季提出的LED照明燈具能效研發目標而在采用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、尺寸、性能規范及能效等因素之間的折衷問題。例如，若使用更高質量的元件、更低導通阻抗（RDSon），就可降低損耗及改善能效;降低開關頻率一般會改善能效，但卻會增加系統尺寸。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，則可以幫助優化能效。

　　五、驅動器標準

　　LED驅動器本身也在不斷演進，著重于進一步提高能效、增加功能及功率密度。美國“能源之星”的固態照明規范提出的是照明器具級的能效限制，涉及包括功率因數在內的特定產品要求。而歐盟的IEC61347-2-13（5/2006）標準針對采用直流或交流供電的LED模塊的要求包括：最大安全特低電壓（SELV）工作輸出電壓≤25Vrms（35.3Vdc）不同故障條件下“恰當”/安全的工作故障時不冒煙或易燃此外，ANSIC82.xxxLED驅動器規范仍在制定之中。而在安全性方面，需要遵從UL、CSA等標準，如UL1310（Class2）、UL60950、UL1012.此外，LED照明設計還涉及到產品壽命周期及可靠性問題。

　　設計LED驅動電源的七個心得

　　1、放棄4路以上輸出，發展單路或兩路輸出，放棄大電流和超大電流，發展小電流。

　　輸出路數越多越復雜，不同出路之間的電流干擾解決起來成本很高，如不解決則故障率較高。另外輸出路數越多則總輸出電流也就越大，而電流是發熱的主要原因，電壓本身不直接導致發熱，簡單來說發熱量與電流的平方成正比，也就是說電流增加到原來的2倍的話，發熱量將增加到原來的4倍，電流增加到原來3倍，發熱量將增加到原來9倍。綜上所述，單路或兩路輸出的LED燈電源故障率會降低很多。

　　2、智能控制是LED燈具的優勢之一，而電源是智能控制的關鍵。

　　智能控制在LED路燈和LED隧道燈照明應用上條件最成熟效果最明顯，智能控制能在不同時間段、根據道路車流密度來實現燈具功率的無級控制，既滿足應用要求，又實現巨大的節能效果，可以為公路主管單位節省大量經費。在隧道照明上的應用不但可以節能，還可以按照隧道外的亮度情況自動調節隧道出入口亮度，給司機提供一個視覺過度階段，以保證駕駛安全。

　　3、放棄大功率、超大功率，選擇較高穩定性的中小功率電源。

　　因為功率越大，發熱量越大，里面的零部件也越緊湊，不利于散熱，而溫度正是電源發生故障的罪魁禍首。再者，小功率電源相對來說發展的較為成熟，穩定性和成本方面都有優勢。其實很多大功率電源方案都沒有經過時間驗證及實踐證明，都是匆匆上馬的項目，都是實驗性的產品，因此故障層出不窮。相比之下中小功率電源因發展較早，技術方案要成熟的多。

　　4、散熱和防護是電源故障的主要外部因素。

　　不僅電源本身會發熱，燈具也會發熱，這兩種熱源如何合理的散發出去是燈具設計工程師必須考慮的問題，一定要防止熱量的過度集中，形成熱島效應，影響電源壽命。采用分離式電源方案是一個好的選擇。

　　5、維護的可行性。

　　電源的故障問題不可能完全避免，成都朝月光電提出了維護簡便性原則。只有把電源的更換做的跟常規照明的光源的更換那么簡便時，才能是用戶用的開心，即便是電源壞了，心情也不會太差，而用戶的心情好壞決定著LED燈廠家的命運。

　　6、防護性能。

防護問題也很重要，水分的滲透可能引起電源的短路，外殼上的沙塵會影響電源