LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)詳解：驅(qū)動(dòng)方式、紋波抑制

要普及LED燈具，不但需要大幅度降低成本，更需要解決技術(shù)性的問(wèn)題。如何設(shè)計(jì)出高效可靠且低成本的LED驅(qū)動(dòng)器是其中的關(guān)鍵。

LED驅(qū)動(dòng)IC是一種集成電路，它通過(guò)控制電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈，這種IC具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括低功耗、高亮度、長(zhǎng)壽命、環(huán)保等，隨著LED驅(qū)動(dòng)IC技術(shù)的進(jìn)步，LED照明設(shè)備的成本也在不斷降低，使得更多的應(yīng)用場(chǎng)景得以實(shí)現(xiàn)。

主流的幾種LED驅(qū)動(dòng)方式

1、阻容降壓

利用電容在交流下的阻抗來(lái)限制輸入電流，從而獲得直流電平給LED供電。這種驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但是輸入非隔離方案，有安全隱患。而且轉(zhuǎn)換效率很低，無(wú)法做到恒流控制。

2、隔離反激電路

利用反激電路，通過(guò)變壓器在副邊產(chǎn)生直流電平，再通過(guò)光耦將此電平的紋波反饋回原邊，從而自激穩(wěn)定。此類電路符合安規(guī)認(rèn)定要求，而且輸出恒流精度較好，轉(zhuǎn)換效率較高。但由于需要光耦和副邊恒流控制電路，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，體積大，成本高。目前已逐漸為原邊方案取代。

3、原邊方案

原邊方案就是通過(guò)完全在交流原邊控制輸出的電源和電流，最精確可以做到5%的恒流精度，副邊僅需簡(jiǎn)單的輸出電路即可。原邊主要依靠輔助邊的反饋來(lái)控制輸出電壓，依靠限流電阻對(duì)原邊電流的控制，同時(shí)乘以匝比來(lái)控制輸出電流的精度。原邊方案繼承了隔離反激電路的種種優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)架構(gòu)簡(jiǎn)單，可以做到小體積和低成本，目前已成為主流驅(qū)動(dòng)。

原邊的恒流精度問(wèn)題：由于變壓的生產(chǎn)精度難以控制，導(dǎo)致原邊方案在使用低質(zhì)量變壓器時(shí)，輸出電流漂移較大。所以，原邊方案通過(guò)改進(jìn)增加了副邊恒流控制電路，這樣雖然比普通的原邊方案復(fù)雜了，但是對(duì)比反激方案，仍然可以省去光耦等，系統(tǒng)性價(jià)比最高。

根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED驅(qū)動(dòng)電源的特性要求，在選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)：

1、高可靠性

特別像LED路燈的驅(qū)動(dòng)電源，裝在高空，維修不方便，維修的花費(fèi)也大。

2、高效率

LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)電源的效率要高。對(duì)于電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)，尤為重要。因?yàn)長(zhǎng)ED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(duì)延緩LED的光衰有利。

3、高功率因素

功率因素是電網(wǎng)對(duì)負(fù)載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒(méi)有強(qiáng)制性指標(biāo)。雖然功率不大的單個(gè)用電器功率因素低一點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點(diǎn)燈，同類負(fù)載太集中，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染。對(duì)于30瓦～40瓦的LED驅(qū)動(dòng)電源，據(jù)說(shuō)不久的將來(lái)，也許會(huì)對(duì)功率因素方面有一定的指標(biāo)要求。

4、驅(qū)動(dòng)方式

現(xiàn)在通行的有兩種：其一是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨(dú)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(huì)略高一點(diǎn)。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn)，但靈活性差，還要解決某個(gè)LED故障，不影響其他LED運(yùn)行的問(wèn)題。這兩種形式，在一段時(shí)間內(nèi)并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會(huì)較好。也許是以后的主流方向。

5、浪涌保護(hù)

LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強(qiáng)這方面的保護(hù)也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。

6、保護(hù)功能

電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋，防止LED溫度過(guò)高。

7、防護(hù)方面

燈具外安裝型，電源結(jié)構(gòu)要防水、防潮，外殼要耐曬。

8、驅(qū)動(dòng)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(yīng)用日益廣泛，LED驅(qū)動(dòng)電源的性能將越來(lái)越適合LED的要求。

LED驅(qū)動(dòng)器件選型注意事項(xiàng)

以下是電源管理IC領(lǐng)導(dǎo)廠商PowerIntegrations公司的專家DougBailey分享的高效高可靠LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的一些心得。

1、不要使用雙極型功率器件

DougBailey指出由于雙極型功率器件比MOSFET便宜，一般是2美分左右一個(gè)，所以一些設(shè)計(jì)師為了降低LED驅(qū)動(dòng)成本而使用雙極型功率器件，這樣會(huì)嚴(yán)重影響電路的可靠性，因?yàn)殡S著LED驅(qū)動(dòng)電路板溫度的提升，雙極型器件的有效工作范圍會(huì)迅速縮小，這樣會(huì)導(dǎo)致器件在溫度上升時(shí)故障從而影響LED燈具的可靠性，正確的做法是要選用MOSFET器件，MOSFET器件的使用壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于雙極型器件。

2、盡量不要使用電解電容

LED驅(qū)動(dòng)電路中到底要不要使用電解電容?目前有支持者也有反對(duì)者，支持者認(rèn)為如果可以將電路板溫度控制好，依次達(dá)成延長(zhǎng)電解電容壽命的目的，例如選用105度壽命為8000小時(shí)的高溫電解電容，根據(jù)通行的電解電容壽命估算公式“溫度每降低10度，壽命增加一倍”，那么它在95度環(huán)境下工作壽命為16000小時(shí)，在85度環(huán)境下工作壽命為32000小時(shí)，在75度環(huán)境下工作壽命為64000小時(shí)，假如實(shí)際工作溫度更低，那么壽命會(huì)更長(zhǎng)!由此看來(lái)，只要選用高品質(zhì)的電解電容對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的壽命是沒(méi)有什么影響的!

還有的支持者認(rèn)為由無(wú)電解電容帶來(lái)的高紋波電流而導(dǎo)致的低頻閃爍會(huì)對(duì)某些人眼造成生理上的不適，幅度大的低頻紋波也會(huì)導(dǎo)致一些數(shù)碼像機(jī)設(shè)備出現(xiàn)差頻閃爍的亮暗柵格。所以，高品質(zhì)光源燈具還是需要電解電容的。不過(guò)反對(duì)者則認(rèn)為電解電容會(huì)自然老化，另外，LED燈具的溫度極難控制，所以電解電容的壽命必然會(huì)減少，從而影響LED燈具的壽命。

對(duì)此，DougBailey認(rèn)為，在LED驅(qū)動(dòng)電路輸入部分可以考慮不用電解電容，實(shí)際上使用PI的LinkSwitch-PH就可以省去電解電容，PI的單級(jí)PFC/恒流設(shè)計(jì)可以讓設(shè)計(jì)師省去大容量電容，在輸出電路中，可以用高耐壓陶瓷電容來(lái)代替電解電容從而提升可靠性，“有的人在設(shè)計(jì)兩級(jí)電路的時(shí)候，在輸出采用了一個(gè)400V的電解電容，這會(huì)嚴(yán)重影響電路的可靠性，建議采用單級(jí)電路用陶瓷電容就可以了。”他強(qiáng)調(diào)?！皩?duì)于不太關(guān)注調(diào)光功能、高溫環(huán)境及需要高可靠性的工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，我強(qiáng)烈建議不采用電解電容進(jìn)行設(shè)計(jì)?！?

3、MOSFET的耐壓不要低于700V

耐壓600V的MOSFET比較便宜，很多認(rèn)為L(zhǎng)ED燈具的輸入電壓一般是220V，所以耐壓600V足夠了，但是很多時(shí)候電路電壓會(huì)到340V，在有浪涌的時(shí)候，600V的MOSFET很容易被擊穿，從而影響了LED燈具的壽命，實(shí)際上選用600VMOSFET可能節(jié)省了一些成本但是付出的卻是整個(gè)電路板的代價(jià)，所以，“不要選用600V耐壓的MOSFET，最好選用耐壓超過(guò)700V的MOSFET.”他強(qiáng)調(diào)。

4、盡量使用單級(jí)架構(gòu)電路

Doug表示有些LED電路采用了兩級(jí)架構(gòu)，即“PFC(功率因數(shù)校正)+隔離DC/DC變換器”的架構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)降低電路的效率。例如，如果PFC的效率是95%，而DC/DC部分的效率是88%，則整個(gè)電路的效率會(huì)降低到83.6%!“PI的LinkSwitch-PH器件同時(shí)將PFC/CC控制器、一個(gè)725VMOSFET和MOSFET驅(qū)動(dòng)器集成到單個(gè)封裝中，將驅(qū)動(dòng)電路的效率提升到87%!”Doug指出，“這樣的器件可大大簡(jiǎn)化電路板布局設(shè)計(jì)，最多能省去傳統(tǒng)隔離反激式設(shè)計(jì)中所用的25個(gè)元件!省去的元件包括高壓大容量電解電容和光耦器?！盌oug表示LED兩級(jí)架構(gòu)適用于必須使用第二個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)電路才能使PFC驅(qū)動(dòng)LED恒流的舊式驅(qū)動(dòng)器。這些設(shè)計(jì)已經(jīng)過(guò)時(shí)，不再具有成本效益，因此在大多數(shù)情況下都最好采用單級(jí)設(shè)計(jì)。

5、盡量使用MOSFET器件

如果設(shè)計(jì)的LED燈具功率不是很高，Doug建議使用集成了MOSFET的LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，因?yàn)檫@樣做的好處是集成MOSFET的導(dǎo)通電阻少，產(chǎn)生的熱量要比分立的少，另外，就是集成的MOSFET是控制器和FET在一起，一般都有過(guò)熱關(guān)斷功能，在MOSFET過(guò)熱時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)斷電路達(dá)到保護(hù)LED燈具的目的，這對(duì)LED燈具非常重要，因?yàn)長(zhǎng)ED燈具一般很小巧且難以進(jìn)行空氣散熱。

LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于紋波，理論上和實(shí)際上都是一定存在的，通常抑制或減少它的做法有五種。

輸出紋波是指直流電源輸出時(shí)，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。用示波器來(lái)看，會(huì)看到電壓上下輕微波動(dòng)，就像水紋一樣，所以叫做紋波。通常抑制或減少它的做法有如下幾種：

1、加大電感和輸出電容濾波

根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)電源的公式，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

輸出紋波與輸出電容的關(guān)系：vripple=Imax/(Co×f)?？梢钥闯?，加大輸出電容值可以減小紋波。

通常的做法，對(duì)于輸出電容，使用鋁電解電容以達(dá)到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR也比較大，所以會(huì)在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容，來(lái)彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。

同時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)電源工作時(shí)，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開(kāi)關(guān)變化的。這時(shí)輸入電源不會(huì)很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端(以BucK型為例，是SWITcH附近)，并聯(lián)電容來(lái)提供電流。

2、二級(jí)濾波，就是再加一級(jí)LC濾波器

LC濾波器對(duì)噪紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。但是，這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。

采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前(Pa)，輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻，當(dāng)有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。

3、LED驅(qū)動(dòng)電源輸出之后，接LDO濾波

這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO都有一項(xiàng)指標(biāo)：噪音抑制比。

經(jīng)過(guò)LDO之后，紋波一般在10mV以下。

4、在二極管上并電容C或RC

二極管高速導(dǎo)通截止時(shí)，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間，等效電感和等效電容成為一個(gè)RC振蕩器，產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻一般取10Ω-100Ω，電容取4.7pf-2.2nf.

在二極管上并聯(lián)的電容C或者RC,其取值要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng)，反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。

5、二極管后接電感(EMI濾波)

這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對(duì)產(chǎn)生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實(shí)際的要求。