LED照明產(chǎn)品中驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)選擇

天津光電通信技術(shù)有限公司 張家琳

天津三星電子有限公司 鄭勝男

1.引言

隨著全球能源緊缺的狀況日益加劇，大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品勢(shì)在必行。采用發(fā)光二極管（LED）作為發(fā)光源的半導(dǎo)體照明因具有節(jié)能、環(huán)保、體積小、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，成為頗具優(yōu)勢(shì)的綠色節(jié)能照明光源。為加快發(fā)展中國(guó)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，科技部于2003年成立了“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組”協(xié)調(diào)組織實(shí)施國(guó)家半導(dǎo)體照明工程。在新頒布的《輕工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，照明電器產(chǎn)業(yè)被列為八個(gè)“重點(diǎn)行業(yè)技術(shù)改造工程”之一。2011年11月，發(fā)改委公布了白熾燈的淘汰路線圖，傳統(tǒng)高能耗的白熾燈將逐步淡出人們的視野。LED照明產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)選擇既具有電源設(shè)計(jì)的普遍性又有它的特殊性。

2.LED的特性與驅(qū)動(dòng)原理

2.1 LED的電氣特性

從白光LED誕生以來(lái)，LED用于常規(guī)照明領(lǐng)域成為可能。隨著近年來(lái)大功率白光LED的出現(xiàn)與發(fā)展，它已進(jìn)入人們的生活照明、道路照明、工業(yè)照明等各個(gè)領(lǐng)域。

LED作為二極管的種類(lèi)之一，具有同普通二極管相似的V-I特性，它的開(kāi)啟電壓要大于普通二極管。當(dāng)外部施加電壓大于開(kāi)啟電壓后，電流將以正向電壓的指數(shù)倍增加。（如圖1）在LED導(dǎo)通后一定電流值范圍內(nèi)，其發(fā)光亮度與電流值幾乎成線性正比關(guān)系。故外部微小的電壓變化都會(huì)引起發(fā)光亮度的顯著改變。而過(guò)大的正向電流會(huì)使LED發(fā)熱，LED的光效會(huì)隨著溫度的升高而降低。并且持續(xù)過(guò)熱會(huì)嚴(yán)重影響LED的壽命甚至造成其損壞。

2.2 LED的驅(qū)動(dòng)方式

傳統(tǒng)的白熾燈直接使用交流市電，熒光燈需要高壓?jiǎn)⑤x。而LED的驅(qū)動(dòng)有別于傳統(tǒng)光源的驅(qū)動(dòng)方式。為避免LED工作電流超出其最大額定范圍而造成損壞，需要用恒流方式加以限制。在照明產(chǎn)品應(yīng)用中，LED多數(shù)是以串并聯(lián)組合成燈珠陣列的方式作為光源，為保證陣列中各個(gè)LED單元亮度的一致性，也決定了應(yīng)采用恒流的驅(qū)動(dòng)方式。

2.3 恒流電源的工作原理

在應(yīng)用單顆或單串LED且負(fù)載功率較小的時(shí)候，通常會(huì)用在LED串上串聯(lián)限流電阻的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流。在LED負(fù)載功率稍大時(shí)則使用線性恒流穩(wěn)壓器（CCR）來(lái)實(shí)現(xiàn)。（如圖2）這種方法在小功率應(yīng)用時(shí)簡(jiǎn)便易行。

但由于CCR方式效率較低，熱耗散高，在LED負(fù)載功率較大時(shí)就不適用了。在大功率應(yīng)用時(shí)，通常使用反饋恒流的方式。圖3是一個(gè)恒流線性電源的基本模型。通過(guò)檢測(cè)LED串聯(lián)的取樣電阻Rs兩端的電壓，與放大器A1參考電壓比較，調(diào)整開(kāi)關(guān)管Q1以維持Rs兩端電壓不變，即實(shí)現(xiàn)了負(fù)載中電流的恒定。

3.LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)選擇

3.1 LED照明產(chǎn)品分類(lèi)

各種照明產(chǎn)品又具有各自的應(yīng)用與外形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選擇驅(qū)動(dòng)電源時(shí)又通常使用負(fù)載功率等級(jí)的劃分方法。二者相結(jié)合考慮，可按表1劃分為四檔，便于驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)選擇。

圖1 白光LED的V-I特性

圖2 線性恒流穩(wěn)壓器（CCR）模型

圖4 PWM恒流調(diào)光模型

圖3 恒流線性電源基本模型

3.2 LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)選擇要點(diǎn)

從表1中可以看出，功率等級(jí)劃分主要依據(jù)了不同應(yīng)用環(huán)境下的照明需要。各個(gè)功率范圍燈具所需的電源在設(shè)計(jì)選擇時(shí)需要考慮其各自的應(yīng)用特點(diǎn)。

(1)3W以下功耗的照明產(chǎn)品強(qiáng)調(diào)了小體積、可攜帶性等特點(diǎn)，作為輔助照明使用。光源通常使用單顆大功率LED燈珠，或串并聯(lián)幾顆低功率LED燈珠。使用12V以下的直流或電池供電。驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)渫ǔＪ褂镁€性電源、buck、boost等DC-DC變換，負(fù)載串聯(lián)限流電阻或CCR的方式實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定。對(duì)于電池供電的產(chǎn)品需要考慮使用效率較高的拓?fù)湟蕴岣咂淅m(xù)航能力。

表1 LED照明產(chǎn)品的分類(lèi)

(2)3～25W等級(jí)涵蓋了室內(nèi)照明以及室外輔助照明等主要產(chǎn)品。他們功率低、體積小。受燈具外殼形狀的約束，印制板布局空間在一定程度上受到限制。驅(qū)動(dòng)電源拓?fù)淇蛇x擇CCR、buck、boost、SEPIC等模型實(shí)現(xiàn)。對(duì)于日光燈管等建議使用隔離型反激電源拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足安全規(guī)格與電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求

(3)25～75W區(qū)間的中等體積燈具，驅(qū)動(dòng)電源放置空間較大，或者采用外置，空間設(shè)計(jì)難度較小。但由于一些產(chǎn)品的電源會(huì)暴露于室外條件，對(duì)電源本身的防塵防水特性提出了要求，通常應(yīng)達(dá)到IP65（完全防止粉塵進(jìn)入，用水沖洗無(wú)任何傷害）以上的標(biāo)準(zhǔn)。并且由于負(fù)載功率的增大，電源效率需達(dá)到80%以上的設(shè)計(jì)以減小熱損耗。并且在ICE61000-3-2和GB17625.1標(biāo)準(zhǔn)中特別規(guī)定了有功輸入功率25W以上照明用電設(shè)備需要限制諧波電流，減小對(duì)電力系統(tǒng)的影響。這類(lèi)產(chǎn)品可使用無(wú)源功率因數(shù)校正的方式進(jìn)行補(bǔ)償以節(jié)約成本。

(4)75W以上的大功率LED照明產(chǎn)品，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源提出了較高的要求。美國(guó)“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)要求住宅用燈具功率因數(shù)應(yīng)≥0.75，商用燈具應(yīng)≥0.9。需要應(yīng)用APFC（有源功率因數(shù)校正）提高功率因數(shù)，降低總諧波失真。電路拓?fù)湟苑醇?、正激為主，?duì)于輸出功率大于150W時(shí)應(yīng)采用半橋、全橋等諧振與軟開(kāi)關(guān)變換拓?fù)?，以提高電源的變換效率，通常應(yīng)達(dá)到90%以上。

3.3 LED照明產(chǎn)品的調(diào)光方式

LED照明產(chǎn)品在有些應(yīng)用中需要根據(jù)不同的環(huán)境調(diào)整的亮度。如公共場(chǎng)所照明，晚間需要維持一定的照明強(qiáng)度，而白天有日光的時(shí)候就可以降低以節(jié)約電能。這就需要LED驅(qū)動(dòng)電源具備輸出電流可控的功能來(lái)改變燈具亮度。

目前常見(jiàn)的調(diào)光方式有模擬調(diào)光和脈寬調(diào)光兩種。傳統(tǒng)的TRIAC（雙向晶閘管）調(diào)光因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致電源功率因數(shù)與效率的大幅降低將逐漸退出實(shí)際應(yīng)用。

(1)模擬調(diào)光

模擬調(diào)光又稱(chēng)A-Dimming調(diào)光。以一定范圍內(nèi)（通常是0～10V）的直流電壓觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電源控制器。因輸入電壓連續(xù)，可以對(duì)負(fù)載實(shí)現(xiàn)線性調(diào)光。但因調(diào)光電壓范圍較小，當(dāng)電壓值較低時(shí)易被外界干擾，使得輸出電流不穩(wěn)定，造成亮度閃爍。通常的解決方法是使電源輸出電流在調(diào)光電壓為0的時(shí)候依然有一定的輸出，來(lái)屏蔽掉會(huì)發(fā)生閃爍的區(qū)間。這就使得應(yīng)用模擬調(diào)光的時(shí)候亮度不能做到全暗到全亮的區(qū)間變化。

(2)脈寬調(diào)光

脈寬調(diào)光即PWM調(diào)光。如圖4所示，以一定占空比的方波信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)電源的控制器，通過(guò)控制與負(fù)載LED串聯(lián)FET的占空比來(lái)改變周期內(nèi)負(fù)載LED的導(dǎo)通時(shí)間，使其呈快速閃爍狀態(tài)，這樣改變了LED中電流的有效值。由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，從而看到“連續(xù)”的光。占空比的范圍可以從0%～100%，負(fù)載LED的電流有效值可從0調(diào)節(jié)至最大。為避免人眼看到燈具的閃爍，脈寬控制信號(hào)的頻率通常使用200Hz，兼顧調(diào)光FET的開(kāi)關(guān)損耗和減輕電源的電磁輻射。

對(duì)于一些手電筒以及室內(nèi)照明產(chǎn)品等來(lái)說(shuō)，使用者和燈具的距離較近，而200Hz的調(diào)光頻率是在人耳的聽(tīng)頻范圍之內(nèi)的，所以在這些應(yīng)用場(chǎng)合，則需要提高脈寬調(diào)光頻率到20kHz以上，避免給使用者帶來(lái)不適感。

3.4 LED照明產(chǎn)品電源的保護(hù)特性

與普通開(kāi)關(guān)電源一樣，LED照明產(chǎn)品的電源同樣需要具備各種保護(hù)功能以保證使用的安全，最基本需要包括以下三種：

①過(guò)壓/開(kāi)路保護(hù)：負(fù)載斷路時(shí)電源為維持恒流特性會(huì)提升輸出電壓，當(dāng)達(dá)到電壓限值一定時(shí)間則切斷輸出，直至重新手動(dòng)開(kāi)啟電源。

②過(guò)流/短路保護(hù)：當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時(shí)觸發(fā)，電源將限制輸出電流值并間歇性自動(dòng)重啟，直至故障解除。

③過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)電源工作溫度超過(guò)一定限值時(shí)觸發(fā)并停止工作，直至溫度恢復(fù)正常值并手動(dòng)重新開(kāi)啟。

在設(shè)計(jì)選擇時(shí)，必須選取具備這些保護(hù)功能的控制芯片和產(chǎn)品使用，防止安全隱患。

4.小結(jié)

隨著LED照明產(chǎn)品應(yīng)用的推廣，它將逐步進(jìn)入人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)LED本身特性的要求，設(shè)計(jì)與選擇性能更加適合的驅(qū)動(dòng)電源，可以提高燈具的整體壽命，充分發(fā)揮其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

[1]王志強(qiáng),肖文勛,虞龍,等譯.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)(第三版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[2]趙同賀.開(kāi)關(guān)電源與LED照明的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[3]張占松,汪仁煌,謝麗萍,等,譯.開(kāi)關(guān)電源手冊(cè)(第二版)[M].北京:人民郵電出版社,2006.