LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識

發(fā)光二極管(LED)繼在中小尺寸屏幕的便攜產(chǎn)品背光等應(yīng)用獲大量采用后，隨著它發(fā)光性能的進(jìn)一步提升及成本的優(yōu)化，近年來已邁入通用照明領(lǐng)域，如建筑物照明、街道照明、景觀照明、標(biāo)識牌、信號燈、以及住宅內(nèi)的照明等，應(yīng)用可謂方興未艾。

另一方面，LED照明設(shè)計(jì)也給包括中國工程師在內(nèi)的工程社群帶來了挑戰(zhàn)，這不僅因?yàn)長ED照明的應(yīng)用范圍非常廣泛，應(yīng)用的功率等級、可以采用的驅(qū)動電源種類及電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，也各不相同。工程師們迫切需要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)及了解更多有關(guān)LED照明設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識。有鑒于此，安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)Bernie Weir先生近期專門撰寫相關(guān)培訓(xùn)資料，為工程師們傳授相關(guān)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識，內(nèi)容涉及LED驅(qū)動器的通用要求、電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率因數(shù)校正、電源轉(zhuǎn)換能效和驅(qū)動器標(biāo)準(zhǔn)，以及可靠性和使用壽命等其它問題，方便他們更好地設(shè)計(jì)入門及提高，從而更好地服務(wù)于LED照明市場。限于篇幅，本文是該培訓(xùn)資料的摘要介紹。

一、LED驅(qū)動器通用要求
驅(qū)動LED面臨著不少挑戰(zhàn)，如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化，而不同個體、不同批次、不同供應(yīng)商的LED正向電壓也會有差異；另外，LED的“色點(diǎn)”也會隨著電流及溫度的變化而漂移。

另外，應(yīng)用中通常會使用多顆LED，這就涉及到多顆LED的排列方式問題。各種排列方式中，首選驅(qū)動串聯(lián)的單串LED，因?yàn)檫@種方式不論正向電壓如何變化、輸出電壓(Vout)如何“漂移”，均提供極佳的電流匹配性能。當(dāng)然，用戶也可以采用并聯(lián)、串聯(lián)-并聯(lián)組合及交叉連接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向電壓的應(yīng)用，并獲得其它優(yōu)勢。如在交叉連接中，如果其中某個LED因故障開路，電路中僅有1個LED的驅(qū)動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。

圖1：常見的LED排列方式

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2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。[!--empirenews.page--]

圖2：LED驅(qū)動器的基本工作電路示意圖。

值得一提的是，在LED照明設(shè)計(jì)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(dú)存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。

LED驅(qū)動器根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以采用恒定電壓(CV)輸出工作，即輸出為一定電流范圍下鉗位的電壓；也可以采用恒定電流(CC)輸出工作，輸出的設(shè)計(jì)能嚴(yán)格限定電流；也可能會采用恒流恒壓(CCCV)輸出工作，即提供恒定輸出功率，故作為負(fù)載的LED的正向電壓確定其電流。

總的來看，LED照明設(shè)計(jì)需要考慮以下幾方面的因素：
 輸出功率：涉及LED正向電壓范圍、電流及LED排列方式等
 電源：AC-DC電源、DC-DC電源、直接采用AC電源驅(qū)動
 功能要求：調(diào)光要求、調(diào)光方式(模擬、數(shù)字或多級)、照明控制
 其他要求：能效、功率因數(shù)、尺寸、成本、故障處理(保護(hù)特性)、要遵從的標(biāo)準(zhǔn)及可靠性等
 更多考慮因素：機(jī)械連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等

二、LED驅(qū)動電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
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3：常見的隔離型拓?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4：常見的DC-DC LED驅(qū)動方式。[!--empirenews.page--]

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5：直接采用交流驅(qū)動LED的示意圖。

三、功率因數(shù)校正
美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR™)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何功率等級皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9；但是，這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)。歐盟的IEC61000-3-2諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定了功率大于25 W的照明應(yīng)用的總諧波失真性能，其最大限制相當(dāng)于總諧波失真(THD)< 35%，而功率因數(shù)(PF)>0.94。雖然不是所有國家都絕對強(qiáng)制要求照明應(yīng)用中改善功率因數(shù)，但某些應(yīng)用可能有這方面的要求，如公用事業(yè)機(jī)構(gòu)大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用，此外，公用事業(yè)機(jī)構(gòu)購入/維護(hù)街燈時，也可以根據(jù)他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(shù)(通常>0.95+)。

圖6：有源PFC的應(yīng)用電路示意圖。

PFC技術(shù)包括無源PFC及有源PFC兩種。無源PFC方案的體積較大，需要增加額外的元件來更好地改變電流波形，能夠達(dá)到約0.8或更高的功率因數(shù)。其中，在小于5 W至40 W的較低功率應(yīng)用中，幾乎是標(biāo)準(zhǔn)選擇的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要采用無源元件及稍作電路改動，即可實(shí)現(xiàn)高于0.7的功率因數(shù)。有源PFC(見圖6)通常是作為一個專門的電源轉(zhuǎn)換段增加到電路中來改變輸入電流波形。有源PFC通常提供升壓，交流100至277 Vac的寬輸入范圍下，PFC輸出電壓范圍達(dá)直流450至480 Vdc。如果恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)PFC段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要專門的DC-DC轉(zhuǎn)換來提供電流穩(wěn)流。 [!--empirenews.page--]

四、能效問題
LED照明應(yīng)用的能效需要結(jié)合功率輸出來考慮。美國“能源之星”固態(tài)照明規(guī)范規(guī)定了照明器具級的能效，但并不涉及單獨(dú)LED驅(qū)動器的能效要求。如前所述，采用AC-DC電源的LED應(yīng)用可以采用兩段式分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，故可能采用外部AC-DC適配器供電。而“能源之星”的確包含有關(guān)單輸出外部電源的規(guī)范，其2.0版外部電源規(guī)范于2008年11月開始生效，要求標(biāo)準(zhǔn)工作模式下最低能效達(dá)87%，而低壓工作模式下最低能效達(dá)86%；在此規(guī)范中，功率大于100 W時才要求PFC。   

圖7：美國能源部2008年秋季提出的LED照明燈具能效研發(fā)目標(biāo)。

而在采用AC-DC電源的LED應(yīng)用中，要提供更高的AC-DC轉(zhuǎn)換能效，就涉及到成本、尺寸、性能規(guī)范及能效等因素之間的折衷問題。例如，若使用更高質(zhì)量的元件、更低導(dǎo)通阻抗(RDSon)，就可降低損耗及改善能效；降低開關(guān)頻率一般會改善能效，但卻會增加系統(tǒng)尺寸。諸如諧振這樣新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供更高能效，卻也增加設(shè)計(jì)及元件的復(fù)雜度。如果我們將設(shè)計(jì)限定在較窄的功率及電壓范圍，則可以幫助優(yōu)化能效。

五、驅(qū)動器標(biāo)準(zhǔn)
LED驅(qū)動器本身也在不斷演進(jìn)，著重于進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)”/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(biāo)準(zhǔn)，如UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012。

此外，LED照明設(shè)計(jì)還涉及到產(chǎn)品壽命周期及可靠性問題。更詳細(xì)內(nèi)容請?jiān)L問安森美半導(dǎo)體網(wǎng)站LED照明應(yīng)用專區(qū)：http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/content.do?id=15102。

總結(jié)：
本文分享了安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)用專家Bernie Weir先生的一些重要的LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識，如驅(qū)動器的通用要求、驅(qū)動器電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率因數(shù)校正、電源轉(zhuǎn)換能效及驅(qū)動器需要遵從的標(biāo)準(zhǔn)等問題，幫助工程師更好地從事LED照明設(shè)計(jì)。安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅解決方案供應(yīng)商，針對不同LED照明應(yīng)用，不論其采用何種電源供電，均提供應(yīng)用所需的高性能電源轉(zhuǎn)換、功率因數(shù)校正及驅(qū)動解決方案，輔以高質(zhì)量的服務(wù)及支援，幫助客戶在市場競爭中占據(jù)先機(jī)。