[科普中國]-LED驅動電源

LED驅動電源是把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動LED發(fā)光的電源轉換器，通常情況下：LED驅動電源的輸入包括高壓工頻交流（即市電）、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流（如電子變壓器的輸出）等。

而LED驅動電源的輸出則大多數(shù)為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。

特點根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED驅動電源的特性要求，在選擇和設計LED驅動電源時要考慮到以下幾點：

1．高可靠性 特別像LED路燈的驅動電源，裝在高空，有防水鋁殼驅動電源，質量好的話不容易壞，減少維修次數(shù)。

2．高效率 LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內(nèi)的結構，尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

3．高功率因數(shù) 功率因數(shù)是電網(wǎng)對負載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點燈，同類負載太集中，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴重的污染。對于30瓦~40瓦的LED驅動電源，據(jù)說不久的將來，也許會對功率因數(shù)方面有一定的指標要求。

4．驅動方式 通行的有兩種：其一是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路LED供電。這種方式，組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個LED故障，會影響其他LED運行的問題。這兩種形式，在一段時間內(nèi)并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向。

5．浪涌保護 LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負載的啟甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。

6．保護功能 電源除了常規(guī)的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。

7．防護方面 燈具外安裝型，電源結構要防水、防潮，外殼要耐曬。

8．驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配。

9．要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。

隨著LED的應用日益廣泛，LED驅動電源的性能將越來越適合LED的要求。

分類按驅動方式（1）恒流式

a、恒流驅動電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高；

b、恒流電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。

c、恒流驅動電路驅動LED是較為理想的，但相對而言價格較高。

d、應注意所使用最大承受電流及電壓值，它限制了LED的使用數(shù)量；

（2）穩(wěn)壓式：

a、當穩(wěn)壓電路中的各項參數(shù)確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化；

b、穩(wěn)壓電路不怕負載開路，但嚴禁負載完全短路。

c、以穩(wěn)壓驅動電路驅動LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均；

d、亮度會受整流而來的電壓變化影響。

（3）脈沖驅動

許多LED應用都需要具備調(diào)光功能,比如LED背光或建筑照明調(diào)光。通過調(diào)整LED的亮度和對比度可以實現(xiàn)調(diào)光功能。簡單地降低器件的電流也許能夠對LED發(fā)光進行調(diào)整,但是讓LED在低于額定電流的情況下工作會造成許多不良后果,比如色差問題。取代簡單電流調(diào)整的方法是在LED驅動器中集成脈寬調(diào)制(PWM)控制器。PWM的信號并不直接用于控制LED,而是控制一個開關,例如一個MOSFET,以向LED提供所需的電流。PWM控制器通常在一個固定頻率上工作并且對脈寬進行調(diào)整,以匹配所需的占空比。當前大多數(shù)LED芯片都使用PWM來控制LED發(fā)光,為了確保人們不會感到明顯的閃爍,PWM脈沖的頻率必須大于100HZ。PWM控制的主要優(yōu)點是通過PWM的調(diào)光電流更加精確,最大程度地降低LED發(fā)光時的色差。1

（4）交流驅動

交流驅動器根據(jù)不同的應用也可分為降壓型、升壓型、變換器3種類型。交流驅動器和直流驅動器的區(qū)別除了需要對輸入的交流屯進行整流濾波之外,從安全角度考慮還存在-個隔離和不隔離的問題。

交流輸入驅動器主要用于改型燈:對十PAR(Parabolic Aluminum Reflector,碗碟狀反射,是專業(yè)舞臺上的一種常見燈具)燈、標準燈泡等而言,它們在100V、120V或230V的交流輸入下運行;而對于MR16燈而言,則需要在12V的交流輸入下工作。由于存在某些復雜的問題,如標準三端雙向可控硅開關或前沿后沿調(diào)光器的調(diào)光能力問題,以及與電子變壓器(從交流線電壓生成MR16燈工作時的12V交流電)的兼容性問題(即無閃爍操作),因此,與直流輸入驅動器相比,交流輸入驅動器所涉及的領域更為復雜。1

交流供電(市電驅動)應用于LED驅動,一般要經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓(或穩(wěn)流)等環(huán)節(jié),使交流電源轉換為直流電源,然后通過適合的驅動電路為LED提供合適的工作電流,還要有高的轉換效率、較小的體積和較低的成本,同時解決安全隔離問題?？紤]到對電網(wǎng)的影響,還要解決好電磁干擾和功率因數(shù)問題。對于中小功率的LED,其最佳電路結構是隔離式單端反激變換電路;對于大功率的應用,應該使用橋式變換電路。1

按電路結構（1）電阻、電容降壓方式：通過電容降壓，在閃動使用時，由于充放電的作用，通過LED的瞬間電流極大，容易損壞芯片。易受電網(wǎng)電壓波動的影響，電源效率低、可靠性低。

（2）電阻降壓方式：通過電阻降壓，受電網(wǎng)電壓變化的干擾較大，不容易做成穩(wěn)壓電源，降壓電阻要消耗很大部分的能量，所以這種供電方式電源效率很低，而且系統(tǒng)的可靠也較低。

（3）常規(guī)變壓器降壓方式：電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有45%～60%，所以一般很少用，可靠性不高。

（4）電子變壓器降壓方式：電源效率較低，電壓范圍也不寬，一般180～240V，波紋干擾大。

（5）RCC降壓方式開關電源：穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高，一般可以做到70%～80%，應用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù)，開關頻率不容易控制，負載電壓波紋系數(shù)也比較大，異常負載適應性差。

（6）PWM控制方式開關電源：主要由四部分組成，輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩(wěn)壓控制部分、開關能量轉換部分。PWM開關穩(wěn)壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關器件導通的脈沖寬度，使得開關電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定（即相應穩(wěn)壓電源或恒流電源）。電源效率極高，一般可以做到80%～90%，輸出電壓、電流穩(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護措施，屬高可靠性電源。

電源安裝位置分類驅動電源按安裝位置可分為外置電源和內(nèi)置電源。

（1）外置電源

顧名思義，外置電源就是把電源安裝在外面的。一般電壓比較高，對人有安全危險的，就需要外置電源。與內(nèi)置電源的區(qū)別就是電源加了一個外殼，常見的有路燈。

（2）內(nèi)置電源

就是把電源安裝在燈具內(nèi)，一般都是電壓比較低，12v到24v，對人沒什么安全隱患。這個常見的有球泡燈。

提高效率技巧1.主電流回路PCB盡量短。LAYPCB的經(jīng)驗，及布局，這個沒什么，快速的方法就是多看大廠的作品。

2.優(yōu)化變壓器參數(shù)設計，減少振鈴帶來的渦流損耗。這個比較難，先要把電磁基礎知識掌握，設計合理的變壓器，最要緊的是耐心，哪怕是想到能提高0.5%的效率，也要去嘗試。

3.合理選用開關器件。這個就是成本和性能的平衡了，什么樣的客戶要求，用什么樣的器件，但得合理。如果要效率，毫無疑問COOL MOS ，低VF輸出二極管。

4.輸入EMI部分優(yōu)化設計如果過安規(guī)，這部分考究得比較多，主要就是經(jīng)驗了。

5.選擇高效率的拓補結構這個是方案選型的開始，例如PWM和QR PFM，當前提客戶提出效率要求，就要評估選什么樣的拓補。

6.選擇好的電解電容很多人忽略了這個，電解的損耗很大，陳永真老師有個文章中就有詳細的解說。

7.啟動部分功耗設計有效率的前提下，就要考慮，很多芯片都有HV啟動腳，啟動電流也越做越低，這點就是要對新型器件多了解，當然了，還有外加電路無損啟動等，不適合LED驅動。

8.芯片輔助供電優(yōu)化這點在ST的L6562D應用文檔中有指出15V為最佳，但LED一般又為寬電壓輸出，所以我的選擇是加一級線性穩(wěn)壓，使芯片工作在15V來降低損耗。1

LED驅動電源的發(fā)展現(xiàn)狀在LED大放異彩的同時,LED驅動電源則是LED產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的重中之重,LED驅動電源的壽命、可靠性直接影響了LED光源的長壽命。所以,在LED產(chǎn)業(yè)鏈不斷整合發(fā)展的同時,LED驅動電源技術的成熟發(fā)揮著決定性因素。由于LED產(chǎn)業(yè)得到了飛躍式發(fā)展,己逐漸從政府機關照明方向轉向民用照明,得益于國家近期出臺的一系列鼓勵發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)的政策,但由此也帶來了很多問題,LED驅動電源的問題便暴露出來。LED驅動電源市場與下游行業(yè),特別是大功率LED路燈的發(fā)展密切相關,但隨著LED各項性能參數(shù)的不斷提升,LED照明市場逐步興起,應用領域更加廣泛,尤其是在2012年,行業(yè)目光從戶外轉向室內(nèi)商用照明應用的同時,國內(nèi)外市場與客戶對LED驅動電源也有了更高的要求,特別是電源的效率、功率因數(shù)、壽命、恒流精度、電磁兼容等性能。由于LED的應用將逐步從政府工程主導轉變?yōu)槊裼谜彰髦鲗?LED的應用將逐步細分。雖然,號稱單顆LED的壽命就長達10萬小時的說法已爆破,但LED驅動電源確實還沒有跟上LED的實際壽命。影響LED照明產(chǎn)品推廣是由于LED驅動電源本身的壽命直接拖累LED照明燈具的壽命;或者驅動電源的效率不高導致LED照明燈具的效能轉換低;亦或者是由于輸出電流電壓的不穩(wěn)定影響了發(fā)光品質,使得LED照明的綠色節(jié)能優(yōu)勢大打折扣,從而影響了市場的普及。1

為了克服上述LED驅動電源的散熱、壽命等問題,無電解電容LED驅動解決方案會成為市場的最終選擇。未來的LED驅動電源將會朝著穩(wěn)定安全、高效率、無電解電容、高度集成化小體積的趨勢發(fā)展。

發(fā)展趨勢(1)針對LED的特點開發(fā)一系列恒壓恒流控制電子電路，利用集成電路技術將每顆LED的輸入電流控制在最佳電流值，使得LED能獲得穩(wěn)定的電流，并產(chǎn)生最高的輸出光通量。LED驅動電源在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下最好能控制LED電流的大小。

(2)LED驅動電源具有智能控制功能，使LED的負載電流能夠在各種因素的影響下都能控制在預先設計的水平上。當負載電流因各種因素而產(chǎn)生變化時，初級控制IC可以通過控制開關使負載電流回到初始設計值上。

(3)在控制電路電路設計方面，要向集中控制，標準模塊化，系統(tǒng)可擴展性三方面發(fā)展。

(4)在LED光效和光通量有限的情況下，充分發(fā)揮LED色彩多樣性的特點，開發(fā)變色LED燈飾的控制電路。

LED驅動電源的發(fā)展方向

LED具有很多優(yōu)點，如環(huán)保、節(jié)能、體積小巧、壽命長等，這使得LED在未來的通用照明中將逐步取代傳統(tǒng)的熒光燈和白熾燈。驅動電源性能是保證LED整體性能的關鍵，因此必須保證LED驅動電源具有小巧、長壽命、高可靠性等優(yōu)點。LED的驅動有以下研究熱點：

1.提高驅動電源的壽命

LED很重要的優(yōu)點之一是使用壽命長，約為3萬~10萬小時。傳統(tǒng)的LED驅動電源中含有電解電容，而電解電容的壽命比較短，約為5,000小時，這是制約LED驅動電源壽命的主要原因，因此在LED驅動電源中應盡可能不采用電解電容。2

2.提高驅動電源的輸入功率因數(shù)，減小總諧波失真美國能源部發(fā)布的“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明文件中規(guī)定：任何功率等級都需要強制進行功率因數(shù)校正。這一標準適用于一系列的產(chǎn)品，如臺燈、柜櫥照明燈等等。其中，家庭住宅照明的LED驅動電源的功率因數(shù)必須大于0.7，商業(yè)照明中必須大于0.9。IEC61000-3-2諧波含量標準規(guī)定在大于25W功率等級的照明中應滿足總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)小于35%，功率因數(shù)不小于0.7。這些標準的出臺，對于LED照明的驅動電源的設計提出了更高的要求。2

3.減小驅動電源的體積

LED本身比較小巧，這對于便攜式產(chǎn)品非常有利。LED的驅動電源也應該盡量小巧，使其能夠順利裝入LED燈座。在設計過程中，應盡量減小驅動電源的體積。2

4.提高驅動電源的可靠性

在LED工作過程中，溫度變高、器件老化等非人為因素會對LED本體造成致命的損壞。因此在LED驅動電源中應該加入過壓保護、過流保護等保護電路，對意外事故進行應急處理，保證LED本體的安全工作。2

不足LED驅動電源存在不足的原因：

(1) 生產(chǎn)LED照明及相關的技術人員對開關電源的了解不夠，做出的電源是可以正常工作，但一些關鍵性的評估及電磁兼容的考慮不夠，還是有一定得隱患；

(2) 大部分LED電源生產(chǎn)都是從普通的開關電源轉型過來做LED電源，對LED的特點及使用認識還不夠；

(3) 關于LED的標準幾乎沒有，大部分都是參考開關電源和電子整流器的標準；

(4) 大部分LED電源沒有統(tǒng)一，所以量大部分都比較小。采購量小，價格就偏高，而且元器件供應商也不太配合；

(5) LED電源的穩(wěn)定性：寬電壓輸入，高溫和低溫工作，過溫、過壓保護等問題都沒有一一解決1。

面臨挑戰(zhàn)第一：提高壽命，延長燈具使用時間。驅動電路整體壽命，尤其是關鍵器件如：電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命；

第二：提高效率，提高燈具的光效。LED驅動器應挑戰(zhàn)更高的轉換效率，尤其是在驅動大功率LED時更是如此，因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散，電源轉換效率的過低，影響了LED節(jié)能效果的發(fā)揮；

第三：降低成本，提高可購買性。在功率較?。?-5W）的應用場合，恒流驅動電源成本所占的比重已經(jīng)接近1/3，已經(jīng)接近了光源的成本，一定程度上影響了市場推廣。

電源設計LED驅動電源設計并不難，但一定要心中有數(shù)。只要做到調(diào)試前計算，調(diào)試時測量，調(diào)試后老化，相信誰都可以搞好LED。

1、LED電流大小

大家都知道LEDripple過大的話，LED壽命會受到影響，影響有多大，但沒有具體的指標。

2、芯片發(fā)熱

這主要針對內(nèi)置電源調(diào)制器的高壓驅動芯片，降低芯片的功耗，不要引入額外的功耗，做好散熱。

3、功率管發(fā)熱

關于這個問題，也見到過有人在論壇發(fā)過貼。功率管的功耗分成兩部分，開關損耗和導通損耗。LED市電驅動應用，開關損害要遠大于導通損耗。開關損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅動能力和工作頻率有關，所以要解決功率管的發(fā)熱可以從以下幾個方面解決：

A、不能片面根據(jù)導通電阻大小來選擇MOS功率管，因為內(nèi)阻越小，cgs和cgd電容越大。

B、剩下的就是頻率和芯片驅動能力了，這里只談頻率的影響。頻率與導通損耗也成正比，所以功率管發(fā)熱時，首先要想想是不是頻率選擇的有點高。當頻率降低時，為了得到相同的負載能力，峰值電流必然要變大或者電感也變大，這都有可能導致電感進入飽和區(qū)域。如果電感飽和電流夠大，可以考慮將CCM(連續(xù)電流模式)改變成DCM(非連續(xù)電流模式)，這樣就需要增加一個負載電容了。

4、工作頻率降頻

降頻主要由兩個方面導致。輸入電壓和負載電壓的比例小、系統(tǒng)干擾大。對于前者，注意不要將負載電壓設置的太高，雖然負載電壓高，效率會高點。對于后者，可以嘗試以下幾個方面：a、將最小電流設置的再小點；b、布線干凈點，特別是sense這個關鍵路徑；c、將電感選擇的小點或者選用閉合磁路的電感；d、加RC低通濾波吧，這個影響有點不好，C的一致性不好，偏差有點大，不過對于照明來說應該夠了。

5、電感或者變壓器的選擇

鑒于大功率發(fā)光二極管工作電壓僅為3V,通過全橋整流將220V交流電變成直流電,在全橋上的電壓降約為1.8V,只驅動一只發(fā)光二極管工作的電能 利用效率僅為60%。必須把3只以上發(fā)光二極管串聯(lián)起來工作,才能使總的電能利用效率超過80%。
根據(jù)3基色合成白光原理,將紅、綠、藍3只1W大功率發(fā)光二極管串聯(lián)起來工作,就可以獲得相當于3W發(fā)白光的LED所達到的亮度 。同時還可以組合出6種彩色光線,滿足人們對變換彩光的喜好。

注意事項根據(jù)電網(wǎng)的用電的特點，led特性的要求以及相關LED產(chǎn)品，在選擇LED驅動電源時要考慮到以下幾點：

總體原則

a、根據(jù)LED電流和電壓特點，比較理想的是使用恒流驅動。它能避免LED正向電壓的改變而引起電流變動，同時恒定的電流使LED的亮度穩(wěn)定。

b、另外，LED光通量與溫度成反比，所以使用中應盡量減少電源發(fā)熱和設計良好的散熱系統(tǒng)。從而降低LED工作的環(huán)境溫度。

c、為了保證LED產(chǎn)品的整體壽命，必須將LED的結溫控制在一定的范圍內(nèi)，也就是要控制好LED產(chǎn)品的工作環(huán)境溫度。

1、高可靠性

LED產(chǎn)品主要是有LED芯片和電源，散熱外殼，控制電路等組成。其中LED電源的好壞直接影響了產(chǎn)品的好壞。特別是LED路燈產(chǎn)品，由于裝在高空，維修不方便，維修的花費也大。

2、高效率

LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅動電源也要符合節(jié)能的要求。特別是電源安裝在燈具內(nèi)的結構，尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

3、恒流驅動方式

為了配合LED的伏安特性，所以LED電源必須使用恒流驅動的方式。

4、浪涌保護

LED抗沖擊能力比較差，所以要加強這方面的保護。特別是一些裝在戶外的產(chǎn)品，電網(wǎng)負載的啟停和雷擊都會對電源有沖擊。因此LED驅動電源的輸入端要有抑制浪涌的保護電路，避免開關瞬間損壞LED。

5、溫度保護功能

電源除了常規(guī)的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED芯片溫度負反饋，防止LED芯片PN結溫度過高。

6、LED電源壽命

要提高LED驅動電源壽命，就需要從多方面來改善：使用較高壽命的電容，提高電源效率，做好電源的散熱功能，優(yōu)化燈具的散熱設計。LED電源屬于開關電源，開關電源的質量與可靠性取決于其電路設計，生產(chǎn)工藝，及器件的質量。電解電容是大功率開關電源中必不可少的組成部分。 而開關電源的正常工作壽命要取決于電源所使用的電解電容的壽命，電解電容的壽命又取決于電容本身的壽命及工作溫度，電解電容在不同的溫度下其工作壽命差異很大。

7、工作環(huán)境

由于各個地方環(huán)境的不同，要著重考慮LED燈具工作場所的環(huán)境，如：溫度、濕度、安裝位置等。

考慮到電源的工作方式，如果不加軟啟動電路，通電瞬間，輸出會有一個電壓尖峰。為更好的保護LED，所以需要加軟啟動電路。這一點正是驅動電源穩(wěn)定性的一個關鍵因素2。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學