LED照明设计基础知识

只看该作者 · 2010-3-8 07:37

发光[url=]二极管[/url](LED)继在中小尺寸屏幕的便携产品背光等应用获得大量采用后，随着其发光性能的进一步提升及成本的优化，近年来也开始迈入通用照明应用，如建筑物照明、标识牌、景观照明、零售、信号灯、街道照明和住宅照明等，其应用可谓方兴未艾。
另一方面，LED照明设计也给包括中国工程师在内的工程社群带来了挑战，这不仅因为LED照明的应用范围非常广泛，应用的功率等级、可以采用的驱动电源种类及电源拓扑结构等，也各不相同。工程师们迫切需要系统地学习及了解更多有关LED照明设计的基础知识。有鉴于此，安森美半导体的产品应用总监Bernie Weir先生近期专门撰写相关培训资料，为工程师们传授相关的设计基础知识，内容涉及LED驱动器的通用要求、电源拓扑结构、功率因数校正、电源转换能效和驱动器标准，以及可靠性和使用寿命等其它问题，方便他们更好地设计入门及提高，从而更好地服务于LED照明市场。限于篇幅，本文是该培训资料的摘要介绍。
一、LED驱动器通用要求
驱动LED面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同元件、不同批次、不同供应商的LED正向电压也会有差异；另外，LED的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。
另外，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED的排列方式问题。各种排列方式中，首选驱动串联的单串LED，因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压(Vout)如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。当然，用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向电压的应用，并获得其它优势。如在交叉连接中，如果其中某个LED因故障开路，电路中仅有1个LED的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。

图1：常见的LED排列方式
LED的排列方式及LED光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流，而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器基本的工作电路示意图如图2所示，其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接，最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离”则没有采用高频变压器来电气隔离。

图2：LED驱动器的基本工作电路示意图
值得一提的是，在LED照明设计中，交流-直流(AC-DC)电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置：1)整体式(integral)配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效及简化安装等；2)分布式(distributed)配置，即两者单独存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。
LED驱动器根据不同的应用要求，可以采用恒定电压(CV)输出工作，即输出为一定电流范围下钳位的电压；也可以采用恒定电流(CC)输出工作，输出的设计能紧密限定电流；也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作，即提供恒定输出功率，故作为负载的LED的正向电压确定其电流。
总的来看，LED照明设计需要考虑以下几方面的因素：

输出功率：涉及LED正向电压范围、电流及LED排列方式等
电源：AC-DC电源、直流-直流(DC-DC)电源、直接采用交流(AC)电源驱动
功能要求：调光要求、调光方式(模拟是、数字或多级)、照明控制
其他要求：能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性等
更多考虑因素：机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等

二、LED驱动电源的拓扑结构
采用AC-DC电源的LED照明应用中，电源转换的构建[url=]模块[/url]包括[url=]二极管[/url]、[url=]开关[/url](FET)、[url=]电感[/url]及[url=]电容[/url]及[url=]电阻[/url]等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，参见图3，其中反激拓扑结构是功率小于30 W的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言，其尺寸的大小与开关频率有关，且多数隔离型LED驱动器基本上采用“电子”变压器。

图3：常见的隔离型拓扑结构。
采用DC-DC电源的LED照明应用中，可以采用的LED驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，基本的应用示意图参见图4。电阻型驱动方式中，调整与LED串联的电流检测电阻即可控制LED的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容(EMC)问题，劣势是依赖于电压、需要筛选(binning) LED，且能效较低。线性稳压器同样易于设计用没有EMC问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，且提供外部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过PWM控制模块不断控制开关(FET)的开和关，进而控制电流的流动。

图4：常见的直流-直流(DC-DC) LED驱动方式。
开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰(EMI)问题。LED DC-DC开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SEP[url=]IC[/url])等不同类型。其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED串最大电压时采用降压结构，如采用24 Vdc驱动6颗串联的LED；与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12 Vdc驱动6颗串联的LED；而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC结构，如采用12 Vdc或12 Vac驱动4颗串联的LED，这种结构的成本及能效最不理想。
采用交流电源直接驱动LED的方式近年来也获得了发展，其应用示意图参见图5。这种结构中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免AC-DC转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中LED在低频开关，故人眼可能会观察到闪烁现象。此外，这种设计中还需要保护LED，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。