LED照明設計基礎知識-安森美培訓資料

發光二極管(LED)繼在中小尺寸屏幕的便攜產品背光等應用獲大量采用后，隨著它發光性能的進一步提升及成本的優化，近年來已邁入通用照明領域，如建筑物照明、街道照明、景觀照明、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、可以采用的驅動電源種類及電源拓撲結構等，也各不相同。工程師們迫切需要系統地學習及了解更多有關LED照明設計的基礎知識。有鑒于此，安森美半導體的產品應用總監Bernie Weir先生近期專門撰寫相關培訓資料，為工程師們傳授相關的設計基礎知識，內容涉及LED驅動器的通用要求、電源拓撲結構、功率因數校正、電源轉換能效和驅動器標準，以及可靠性和使用壽命等其它問題，方便他們更好地設計入門及提高，從而更好地服務于LED照明市場。限于篇幅，本文是該培訓資料的摘要介紹。

一、LED驅動器通用要求

驅動LED面臨著不少挑戰，如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化，而不同個體、不同批次、不同供應商的LED正向電壓也會有差異；另外，LED的“色點”也會隨著電流及溫度的變化而漂移。

另外，應用中通常會使用多顆LED，這就涉及到多顆LED的排列方式問題。各種排列方式中，首選驅動串聯的單串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，用戶也可以采用并聯、串聯-并聯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，并獲得其它優勢。如在交叉連接中，如果其中某個LED因故障開路，電路中僅有1個LED的驅動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。

圖1：常見的LED排列方式

LED的排列方式及LED光源的規范決定著基本的驅動器要求。LED驅動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED的電流，而無論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅動器基本的工作電路示意圖如圖2所示，其中所謂的“隔離”表示交流線路電壓與LED(即輸入與輸出)之間沒有物理上的電氣連接，最常用的是采用變壓器來電氣隔離，而“非隔離”則沒有采用高頻變壓器來電氣隔離。

圖2：LED驅動器的基本工作電路示意圖。

值得一提的是，在LED照明設計中，AC-DC電源轉換與恒流驅動這兩部分電路可以采用不同配置：1)整體式(integral)配置，即兩者融合在一起，均位于照明燈具內，這種配置的優勢包括優化能效及簡化安裝等；2)分布式(distributed)配置，即兩者單獨存在，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，參見圖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。