LED照明驅(qū)動的選擇與設計技巧

一、LED驅(qū)動器通用要求

led 的排列方式及LED光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動器要求。LED 驅(qū)動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED 的電流， 而無論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅(qū)動器基本的工作電路示意圖如圖1所示，其中所謂的“隔離”表示交流線路電壓與LED(即輸入與輸出)之間沒有物理上的電氣連接，最常用的是采用變壓器來電氣隔離，而“非隔離”則沒有采用高頻變壓器來電氣隔離。

值得一提的是，在LED 照明設計中，AC-DC 電源轉(zhuǎn)換與恒流驅(qū)動這兩部分電路可以采用不同配置：

(1)整體式(integral)配置，即兩者融合在一起，均位于照明燈具內(nèi)，這種配置的優(yōu)勢包括優(yōu)化能效及簡化安裝等;

(2)分布式(distributed)配置，即兩者單獨存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。

二、如何選擇LED驅(qū)動方式

如今在市場上典型的LED驅(qū)動器包括兩類，即線性驅(qū)動器和開關驅(qū)動器;大概的適用范圍見圖2.如電流大于500mA的大電流應用采用開關穩(wěn)壓器，因為線性驅(qū)動器限于自身結(jié)構原因，無法提供這樣大的電流;而在電流低于200mA的低電流應用中，通常采用線性穩(wěn)壓器或分離穩(wěn)壓器;而在200至500mA的中等電流應用中，既可以采用線性穩(wěn)壓器，也可以采用開關穩(wěn)壓器。

開關穩(wěn)壓器的能效高，且提供極佳的亮度控制。線性穩(wěn)壓器結(jié)構比較簡單，易于設計，提供穩(wěn)流及過流保護，且沒有電磁兼容性(EMC)問題。

在低電流LED應用中，電阻型驅(qū)動器盡管成本較低且結(jié)構簡單，但這種驅(qū)動器在低電壓條件下，正向電流較低，會導致LED亮度不足，且在負載突降等瞬態(tài)條件下，LED可能受損;并且電阻是耗能元件，整個方案的能效較低，見圖3。

例如在采用DC-DC電源的LED照明應用中，可以采用的LED驅(qū)動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關穩(wěn)壓器等，基本的應用示意圖見圖4。

電阻型驅(qū)動方式中，調(diào)整與LED 串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅(qū)動方式易于設計、成本低，且沒有電磁兼容(EMC)問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選(binning) LED，且能效較低。

線性穩(wěn)壓器同樣易于設計且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護(fold back)，且提供外部電流設定點，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關穩(wěn)壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關(FET)的開和關，進而控制電流的流動。

開關穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問題。LED DC-DC 開關穩(wěn)壓器常見的拓撲結(jié)構包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等不同類型。

其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED 串最大電壓時采用降壓結(jié)構，如采用24 Vdc 驅(qū)動6 顆串聯(lián)的LED;與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時采用升壓結(jié)構，如采用12 Vdc 驅(qū)動 6 顆串聯(lián)的LED;而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC 結(jié)構，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅(qū)動 4 顆串聯(lián)的LED，但這種結(jié)構的成本及能效最不理想。

三、LED驅(qū)動器標準LED

驅(qū)動器本身也在不斷演進， 著重于進一步提高能效、 增加功能及功率密度。 美國“能源之星”的固態(tài)照明規(guī)范提出的是照明器具級的能效限制，涉及包括功率因數(shù)在內(nèi)的特定產(chǎn)品要求。而歐盟的IEC 61347-2-13(5/2006)標準針對采用直流或交流供電的LED模塊的要求包括：

最大安全特低電壓(SELV)工作輸出電壓≤25 Vrms (35.3 Vdc)

不同故障條件下“恰當”/安全的工作故障時不冒煙或易燃此外，ANSI C82.xxx LED 驅(qū)動器規(guī)范仍在制定之中。而在安全性方面，需要遵從UL、CSA 等標準，如UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012.此外，LED 照明設計還涉及到產(chǎn)品壽命周期及可靠性問題。

四、LED驅(qū)動設計5大技巧要領

1、芯片發(fā)熱這主要針對內(nèi)置電源調(diào)制器的高壓驅(qū)動芯片。假如芯片消耗的電流為2mA，300V的電壓加在芯片上面，芯片的功耗為0.6W，當然會引起芯片的發(fā)熱。驅(qū)動芯片的最大電流來自于驅(qū)動功率mos管的消耗，簡單的計算公式為I=cvf(考慮充電的電阻效益，實際I=2cvf，其中c為功率MOS管的 cgs電容，v為功率管導通時的gate電壓，所以為了降低芯片的功耗，必須想辦法降低c、v和f.如果c、v和f不能改變，那么請想辦法將芯片的功耗分到芯片外的器件，注意不要引入額外的功耗。再簡單一點，就是考慮更好的散熱吧。

2、功率管發(fā)熱功率管的功耗分成兩部分，開關損耗和導通損耗。要注意，大多數(shù)場合特別是LED市電驅(qū)動應用，開關損害要遠大于導通損耗。開關損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅(qū)動能力和工作頻率有關，所以要解決功率管的發(fā)熱可以從以下幾個方面解決：

A、不能片面根據(jù)導通電阻大小來選擇MOS功率管，因為內(nèi)阻越小，cgs和cgd電容越大。如1N60的cgs為250pF左右，2N60的cgs為350pF左右，5N60的cgs為1200pF左右，差別太大了，選擇功率管時，夠用就可以了。

B、剩下的就是頻率和芯片驅(qū)動能力了，這里只談頻率的影響。頻率與導通損耗也成正比，所以功率管發(fā)熱時，首先要想想是不是頻率選擇的有點高。想辦法降低頻率吧!不過要注意，當頻率降低時，為了得到相同的負載能力，峰值電流必然要變大或者電感也變大，這都有可能導致電感進入飽和區(qū)域。如果電感飽和電流夠大，可以考慮將CCM(連續(xù)電流模式)改變成DCM(非連續(xù)電流模式)，這樣就需要增加一個負載電容了。

3、工作頻率降頻這個也是用戶在調(diào)試過程中比較常見的現(xiàn)象，降頻主要由兩個方面導致。輸入電壓和負載電壓的比例小、系統(tǒng)干擾大。對于前者，注意不要將負載電壓設置的太高，雖然負載電壓高，效率會高點。

對于后者，可以嘗試以下幾個方面：

a、將最小電流設置的再小點;

b、布線干凈點，特別是sense這個關鍵路徑;

c、將電感選擇的小點或者選用閉合磁路的電感;

d、加RC低通濾波吧，這個影響有點不好，C的一致性不好，偏差有點大，不過對于照明來說應該夠了。無論如何降頻沒有好處，只有壞處，所以一定要解決。

4、電感或者變壓器的選擇很多用戶反應，相同的驅(qū)動電路，用a生產(chǎn)的電感沒有問題，用b生產(chǎn)的電感電流就變小了。遇到這種情況，要看看電感電流波形。有的工程師沒有注意到這個現(xiàn)象，直接調(diào)節(jié)sense電阻或者工作頻率達到需要的電流，這樣做可能會嚴重影響LED的使用壽命。所以說，在設計前，合理的計算是必須的，如果理論計算的參數(shù)和調(diào)試參數(shù)差的有點遠，要考慮是否降頻和變壓器是否飽和。變壓器飽和時，L會變小，導致傳輸delay引起的峰值電流增量急劇上升，那么LED的峰值電流也跟著增加。在平均電流不變的前提下，只能看著光衰了。

5、LED電流大小我們都知道LED ripple過大的話，LED壽命會受到影響。對于LED ripple過高影響有多大，一些LED廠表示30%以內(nèi)都可以接受，不過后來沒有經(jīng)過驗證。建議還是盡量控制小點。如果散熱解決的不好的話，LED一定要降額使用。也希望有專家能給個具體指標，要不然影響LED 的推廣。

針對本文，相信你會覺得 LED驅(qū)動設計并不難，一定要做到心中有數(shù)，只要做到調(diào)試前計算，調(diào)試時測量，調(diào)試后老化，相信我們都可以輕松搞LED了。