LED驱动电路与有关技术要求

1万 · 2014-2-23 00:30

摘要：LED照明由于具有发光效率高、工作寿命长、启动时间短、使用安全等一系列优点，在室内外照明领域得到了广泛的应用。但是，LED的正向工作电压只有3V--4V，并且正常使用时为得到足够的lm输出，需多只LED串联、并联使用。这就出现了LED负载与驱动电源之间的电压和电流匹配问题。如果两者之间匹配的好则可以有效地发挥LED的性能指标。
叙词：LED 驱动工作效率 Haitz定律标准
Abstract： LED lighting has lighting efficiency is high, working life is long, using safely etc advantages, LED lighting has been got widely used in the lighting fields. But LEDs forward drop voltage only has 3V--4V, and in the using needs more LED in series or parallel. This produces a problem how to pair the LED load and the LED driver in current and voltage, if the LED load and the LED driver in current and voltage pair correctly, then LED load can work in good condition.
Keyword：LED, Driver, working efficiency, Haitz Law, standard

1 LED的研究进展

1962年Nick Holonyak, Jr.和他的两个研究生M. George Craford和Russell Dean Dupuis一起做出了世界上第一只LED。在六十年代采用砷化镓磷化物生产出了第一个商用红光LED。M. George Craford在1972年做出了第一只黄光LED。在七十年代中期采用磷化镓生产出了第一只绿光LED。

中村修二教授(Shuji Nakamura)1993年在日本日亚化学工业株式会社(Nichia Corporation)就职期间，基于GaN开发出了高亮度蓝光LED。中村修二教授的创新，使得LED生产商能够生产三原色（红、绿和蓝）LED成为可能。最为重要的是，LED行业利用这种新技术来开始白光LED的商业化生产。融合红绿蓝LED或涂有荧光粉的蓝光LED，制造出白光LED是一项充满希望的高效常规照明技术。

自1962年LED的诞生到今天已有50年的时间，在这50年的时间里，LED的发光效率、工作寿命和功率等技术性能得到了极大的提升，应用从最初的信号指示到今天的室内外照明、显示、LCD背光、手机背光照明和装饰照明等领域得到了广泛的应用。

1万 · 2014-2-23 00:30

2 LED照明的主要优点和有关参数
⑴ LED照明的主要优点
1）发光效率高。目前已大于150 lm/W，目前实验室的水平已达208 lm/W（2011年Cree公司给出的数据），理论上讲可以达到370 lm/W，是白炽灯15 lm/W发光效率的10余倍，比目前得到广泛应用的荧光灯发光效率（100 lm/W）高。
2）方向性好，没有浪费的发光，发光形式易于安排和设置。
3）工作寿命长，L70（70%的发光输出lm维持率）的条件下大于50000h。
4）没有灯丝，所以抗震性好。
5）启动时间短（ns级），而HID则需要不小于10ms的启动时间。
6）环境友好，无汞等重金属环境污染。
7）易于调光和控制、节能，可以创造出许多新的发光效果。
8）在低温环境下工作效果更好，没有冷启动的问题。
⑵ LED照明的重要性能数据
1）发光效率（lm/W）。
2）输入功率（电流和电压）。
3）输出lm数。
4）芯片尺寸。
5）相关色温（CCT）。
6）显色指数（CRI）。
7）寿命/工作可靠性。
8）在热平衡状态下进行的热测试。
9）有关性能测试数据是否有第3方测试机构参与。

1万 · 2014-2-23 00:31

3 LED照明的海兹（Haitz）定律

安捷伦的前任技术科学家Roland Haitz从1965年LED商业化至今的发展历程观察得出，LED的价格每10年降为原来的1/10，性能则提高20倍。这个规律被业界称为Haitz定律，给LED的未来发展留出了更多想象空间。根据LED应用情况得出的红光和白光LED光输出、每lm价格和时间的变化关系如图1所示，LED的发光效率进展有关数据如表1所示。可见，变化规律能很好地和Roland Haitz的预测相吻合。

图1 红光和白光LED光输出、每流明价格和时间的变化关系

1万 · 2014-2-23 00:31

表1 LED发光效率进展（DOE 2011 MYPP）[1]

注：1. 对冷白光LED假定CCT=4746-7040K，CRI=70-80；而对暖白光LED假定
CCT=2580-3710K，CRI=80-90。

2. 所有工作效率值是在25℃和驱动电流密度为35A/cm3的条件下测得。

4 对LED驱动电路的有关技术要求和需注意的有关问题

（1）热设计

由于LED是新一代照明电光源产品，在具体使用中还存在进一步加深对LED使用的进一步理解，积累有关使用经验，正确使用LED的问题。例如，LED驱动电路的结构、LED驱动电路是否闭环控制、反馈控制参数主要有那些控制参数、LED的散热等问题，都会对LED的使用寿命有很大的影响。LED和其它照明电光源的有关数据对比如表2所示[3]。可见，在LED中输入的所有能量分别以可见光（25%）和热传导（75%）的形式消耗掉，所以在LED的使用过程中散热是确保LED可靠工作的一个关键问题，LED的功率越大这个问题越明显。

1万 · 2014-2-23 00:32

表2 LED和其它照明光源的有关数据比较

注：1英热单位(Btu)=1055.06焦耳(J)

LED 结温和环境之间的热阻对LED的最大正向工作电流也有很大影响，减小这个热阻对提高LED的工作寿命和改善LED的光学特性有很大的帮助。

例如：① 随着TJ上升，LED的VF下降，同时LED的输入功率也下降；② LED的内部和外部环境温度的改变都会影响LED的VF和TJ。

1万 · 2014-2-23 00:32

环境温度和LED最大工作电流的关系曲线如图2所示。

图2 环境温度和LED最大工作电流的关系曲线

LED驱动电路的印刷电路板（PCB）设计、机械部件的设计和安装、LED的热管理、LED驱动器的外壳设计和垫片/密封剂（密封材料）的安装和设计是否合理，LED工作时的色漂移（LED工作温度的变化对它的色漂移会有影响）等因素都会对LED的热工作特性有所影响，LED的CCT和结温TJ的关系曲线如图3所示[7]。

1万 · 2014-2-23 00:32

图3 LED的CCT和结温TJ的关系曲线

（2）EPA 能源之星对LED灯的技术要求

例如EPA 能源之星对LED灯做出了CCT、色保持、CRI、质量保证、使用条件、功率因数（对≦5W不作要求，>5W的LED灯的PF必须≥0.70）、最低工作温度、LED工作频率（120 Hz -150Hz）、电磁和射频干扰、瞬态保护和工作电压（标称电压）等技术要求。

（3）LED的相关驱动技术

1）目前有多种LED驱动技术可以供选用。

2）每种LED驱动技术即有优点也有缺点。

3）直流LED驱动时LED的发光颜色稳定，并且工作效率也高。

4） PWM调光-----可以产生多种颜色。

5） PAM调光------可以产生多种颜色。

6） PFM调光------可以产生多种颜色。

1万 · 2014-2-23 00:33

7）以上各种驱动技术的变种。
（4）LED驱动电路目前存在的问题
1）一般的LED灯具不采用闭环反馈控制技术。
2）闭环反馈控制技术易于实施。
3）第3代LED驱动技术有电流、温度和颜色的反馈控制。
（5）LED驱动电路的现状
1）目前大量的LED驱动技术是第1代驱动技术，最多是第2代驱动技术。
2）很少LED驱动技术的研发是由于复杂知识产权的要求。
3）目前，只有很少的LED驱动技术是采用RDM（远程部署管理）技术，来实现遥控监测灯具的工作状态。
（6）LED驱动器的新要求
1）高工作效率。
2）对DC、AC/DC LED驱动器的工作效率>85%。
3）闭环反馈控制。
4）可以监测和报告系统的所有工作参数。
5）精确的电流控制（电流纹波变化<5%）。
6）智能电压控制：
a) 对LED的VF无需分级；
b) 对LED的线路电压降进行自动检测和补偿；
c) 对由于LED驱动器和LED灯具之间的线路电压降进行自动补偿。
（7）光学反馈
1）自动进行白光LED的CCT（相关色温）控制。
2）多色LED与白光LED的CCT（相关色温）控制。
（8）热管理
1）对LED驱动电源的温度实现智能管理。
2）LED灯具的热管理。

1万 · 2014-2-23 00:33

LED光引擎是指LED模块和它相配套的电子控制电路（驱动器）的组合。LED光引擎可以有图8和图9所示的两种组成方式。

（1）LED光引擎中的电子控制电路（驱动器）和LED模块分开

LED光引擎中的电子控制电路（驱动器）和LED模块分开安装的结构框图如图8所示[10]。

图8 电子控制电路（驱动器）和LED模块分开安装

1万 · 2014-2-23 00:34

（2）LED光引擎中的电子控制电路（驱动器）和LED模块集成LED光引擎中的电子控制电路（驱动器）和LED模块集成的结构图如图9所示。

图9 电子控制电路（驱动器）和LED模块集成

Zhaga仅对不同生产厂家推出的LED光引擎做出互换的技术要求，使得LED光引擎内部和LED灯具的设计有很大的自由空间。Zhaga把LED光引擎内部认定为一个黑盒子，LED光引擎可以看成是由图10所示几部分组成的部件。

图10 LED光引擎的组成

LED光引擎接口的机械接口和机械尺寸有关，例如和插座的型号有关。LED光引擎接口的光学接口和lm输出、输出光色和输出光分布有关。LED光引擎接口的热接口和热阻、散热条件有关。LED光引擎接口的电接口和电源供电（例如直流还是交流电供电）、绝缘、接地和控制有关（有关控制可以参见Zhaga有关控制方法和控制技术的具体内容和要求）。

1万 · 2014-2-23 00:35

LED光引擎接口的机械接口和机械尺寸有关，例如和插座的型号有关。LED光引擎接口的光学接口和lm输出、输出光色和输出光分布有关。LED光引擎接口的热接口和热阻、散热条件有关。LED光引擎接口的电接口和电源供电（例如直流还是交流电供电）、绝缘、接地和控制有关（有关控制可以参见Zhaga有关控制方法和控制技术的具体内容和要求）。

Zhaga负责定义LED光引擎的机械接口、光分布、热特性和电接口等内容，关心LED光引擎的互换性问题。政府部门和有关安全标识关心产品安全、LED的工作寿命、LED的能效指标、LED照明产品的质量和LED的色稳定性等方面的内容。LED产品的生产公司主要负责有关产品的技术指标和产品特性细节等内容。各自工作范围如图11所示[10]。

图11 Zhaga、政府部门和公司的各自工作范围

到2012.04月份[10]，Zhaga 已完成制订共7本规格书（Book），他们是：

Book 1：规则通则，包括有关LED光引擎界面的通则，于2011年12月完成；

Book 2：整合控制装置的灯座式筒灯光引擎，于2011年2月完成；

Book 3：采用分离式控制装置的投射灯光引擎，于2011年7月完成；

Book 4（街灯照明光引擎）和Book 5：控制装置分离的可插拔式LED光引擎，于2012年3月完成；

Book 5：采用分离式控制器的灯座式LED光引擎，于2011年9月完成；

Book 6：含电子控制装置的迷你插拔式灯座光引擎，于2011年12月完成；

Book 7：具有分离电子控制装置的办公室照明用LED照明光引擎，于2012年4月完成。

1万 · 2014-2-23 00:35

13 小结
为了更好地推广LED照明的应用，在推广过程中应学习CFL的推广历史，总结有关经验和教训，同时还应改进暖色温LED的性能，推广LED照明在室内的应用，注意对LED发光一致性和发光颜色的控制，改进LED的生产过程，较少LED的分级，降低LED的生产成本和注重有关LED标准的开发，降低LED照明产品的成本和改善LED照明产品的性能，这样才会有利于LED市场的推广和达到节能和环保的目的。

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