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。
图5:直接采用交流驱动LED的示意图
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