如何選擇LED驅(qū)動電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　LED 的高可靠性（使用 壽命超過 50，000 個(gè)小時(shí)）、較高的效率（》120 流明/瓦）以及近乎瞬時(shí)的響應(yīng)能力使其成為極具吸引力的光源。與白熾燈泡 200mS 的響應(yīng)時(shí)間相比，LED 會在短短 5nS 響應(yīng)時(shí)間內(nèi)發(fā)光。因此，目前它們已在汽車行業(yè)的剎車燈中得到廣泛采用。

　　驅(qū)動 LED

　　驅(qū)動 LED 并非沒有挑戰(zhàn)?？烧{(diào)的亮度需要用恒定電流來驅(qū)動 LED，并且無論輸入電壓如何都必須要保持該電流的恒定。這與僅僅將白熾燈泡連接到電池來為其供電相比更具有挑戰(zhàn)性。

　　LED 具有類似于二極管的正向 V-I 特性。在低于 LED 開啟閾值（白光 LED 的開啟電壓閾值大約為 3.5V）時(shí)，通經(jīng)該 LED 的電流非 常小。在高于該閾值時(shí)，電流會以正向電壓形式成指數(shù)倍遞增。這就允許將 LED 定型為帶有一個(gè)串聯(lián)電阻的電壓源，其中帶有一則 警示說明：本模型僅在單一的工作 DC 電流下才有效。如果 LED 中的 DC 電流發(fā)生改變，那么該模型的電阻也應(yīng)隨即改變，以反映新 的工作電流。在大的正向電流下，LED 中的功率耗散會使設(shè)備發(fā)熱，此舉將改變正向壓降和動態(tài)阻抗。在確定 LED 阻抗時(shí)充分考慮散熱環(huán)境是非常重要的。

　　當(dāng)通過降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動 LED 時(shí)，LED 常常會根據(jù)所選的輸出濾波器排列來傳導(dǎo)電感的 AC 紋波電流和 DC 電流。這不僅會提高 LED 中電流的 RMS 振幅，而且還會增大其功耗。這樣就可提高結(jié)溫并對 LED 的使用壽命產(chǎn)生重要影響。如果我們設(shè)定一個(gè) 70%的光輸出限制作為 LED 的使用壽命，那么 LED 的壽命就會從 74 攝氏度度下的 15，000 小時(shí)延長到 63 攝氏度度下的 40，000 小時(shí)。LED 的功率損耗由 LED 電阻乘以 RMS 電流的平方再加上平均電流乘以正向壓降來確定。由于結(jié)溫可通過平均功耗來確定，因此即使是 較大的紋波電流對功耗產(chǎn)生的影響也不大。例如，在降壓轉(zhuǎn)換器中，等于 DC 輸出電流 （Ipk-pk = Iout） 的峰至峰紋波電流會增加不超 過 10% 的總功率損耗。如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上面的損耗水平，那么就需要降低來自電源的 AC 紋波電流以便使結(jié)溫和工作壽命保持不變。 一條非常有用的經(jīng)驗(yàn)法則是結(jié)溫每降低 10 攝氏度，半導(dǎo)體壽命就會提高兩倍。實(shí)際上，由于電感器的抑制作用，因此大多數(shù)設(shè)計(jì)就 趨向于更低的紋波電流。此外，LED 中的峰值電流不應(yīng)超過廠商所規(guī)定的最大安全工作電流額定值。

　　LED驅(qū)動電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇分析

　　采用AC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，電源轉(zhuǎn)換的構(gòu)建模塊包括二極管、開關(guān)（FET）、電感及電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能，而脈寬調(diào)制（PWM）穩(wěn)壓器用于控制電源轉(zhuǎn)換。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC電源轉(zhuǎn)換包含反激、正激及半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，參見圖3，其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30 W的中低功率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)選擇，而半橋結(jié)構(gòu)則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結(jié)構(gòu)中的變壓器而言，其尺寸的大小與開關(guān)頻率有關(guān)，且多數(shù)隔離型LED驅(qū)動器基本上采用“電子”變壓器。

　　圖1：LLC半橋諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　采用DC-DC電源的LED照明應(yīng)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(guān)穩(wěn)壓器等，基本的應(yīng)用示意圖參見圖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(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)且沒有EMC問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護(hù)（fold back），且提供外部電流設(shè)定點(diǎn)，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(guān)穩(wěn)壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關(guān)（FET）的開和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動。

　　圖2：常見的DC-DC LED驅(qū)動方式

　　開關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關(guān)，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復(fù)雜度也更高，且存在電磁干擾（EMI）問題。LED DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shí)采用降壓結(jié)構(gòu)，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(shí)采用升壓結(jié)構(gòu)，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(shí)可以采用降壓-升壓或SEPIC結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc或12 Vac驅(qū)動4顆串聯(lián)的LED，但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。

　　采用交流電源直接驅(qū)動LED的方式近年來也獲得了一定的發(fā)展，其應(yīng)用示意圖參見圖5。這種結(jié)構(gòu)中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在線路電壓大于正向電壓時(shí)才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢，如避免AC-DC轉(zhuǎn)換所帶來的功率損耗等。但是，這種結(jié)構(gòu)中LED在低頻開關(guān)，故人眼可能會察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)計(jì)中還需要加入LED保護(hù)措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。

　　圖3：直接采用交流驅(qū)動LED的示意圖