LED电源设计及经验汇编

　　随着LED照明的发展，led驱动电源的入行者人数在激增。其中有从其他电源设计或者电子行业转行而来，但更多的确是众多的新入行者。OFweek电源网小编在这里整理前人经验，摘录汇总led电源的常见设计思路、问题与注意事项。希望对新进者有所帮助...

　　LED电源及其基本驱动电路设计

　　LED供电的原始电源目前主要有三种：即低压电池、太阳能电池和交流市电电源。无论是采用哪一种原始电源，都必须经过电源变换来满足LED的工作条件。这种电源变换电路，一般来说就是指的LED驱动电路。在LED太阳能供电系统中，还需要蓄电池或超级电容器，用以储存太阳能。在夜晚需要照明时，蓄电池或超级电容器再通过控制电路放电，为LED驱动电路供电。

　　太阳能和风能与LED的结合，是LED应用的一大亮点，它将为第三世界的贫困和边远地区带来光明，让绿色照明的光辉照亮世界的每一个角落。

一、低压直流供电的LFD驱动电路

　　1.当输入电压高于LED电压时

　　当输入电压高于LED或LED串的电压降时，通常采用线性稳压器或开关型降压稳压器。

　　(1)线性稳压器

　　线性稳压器是一种DC-DC降压式变换器。LED驱动电路所采用的线性稳压器大都为低压差稳压器(LDO)，其优点是不需要电感元件，所需元件数量少，不产生EMI,自身电压降比较低。但是与开关型稳压器相比，LDO的功率损耗还是较大，效率较低。LDO在驱动350mA以上的大功率LED串时，往往需要加散热器。

　　(2)开关型降压(buck)稳压器

　　基于单片专用IC的开关型降压稳压器需要一个电感元件。许多降压稳压器开关频率达1MHz以上，致使外部元件非常小，占据非常小的空间，效率达90%以上。但这种变换器会产生开关噪声，存在EMI问题。图1所示是基于Zetex公司ZXSC300的3WLED降压型驱动电路。其中的RCS为电流传感电阻，D1为1A的肖特基二极管。在6V的输入电压下，通过LED的电流达1.11A.ZXSC300采用5引脚SOT23封装。

　　目前有很多降压变换器单片IC将开关MOSFET(Q1)和降压二极管(D1)也集成在同一芯片上，使外部元件数量进一步减少。

　　2.当输入电压低于LED电压时

　　当输入电压低于LED或LED串的总正向压降时，LED需要升压型驱动电路。升压型变换器主要有以下两种类型。

　　(1)电感升压变换器

　　在手机背光照明中，常使用电感升压型LED驱动电路。开关型电感升压变换器被用作驱动一个或多个LED组成的LED串，通过每个LED的电流相等。如果LED串中有一个LED开路，其他LED将会熄灭。图2所示为电感升压型LED驱动电路，LED串由8只日亚化工公司的NSPW500BS型白光LED组成，在4V的输入电压下，通过每个LED的电流约为25mA。

　　目前绝大多数升压稳压器IC,都将开关管集成在芯片中，有的还集成了肖特基二极管。

　　(2)开关电容(电荷泵)升压变换器

　　开关电容升压转换器亦即电荷泵。电荷泵专用IC内置切换开关，外接1个或两个1μF的充放电电容。电荷泵工作模式有1×、1.5×和2×，近几年又出现了1.33×(4/3倍)和4×模式。在输出电压接近输入电压时，电荷泵不需要升压，即在1×模式工作。当需要升压时，则切换到1.5×或其他工作模式。电荷泵电路可以驱动LED阵列，也可只驱动1个LED.图3所示为基于MAXl570的电荷泵驱动5个白光LED的电路。MAX1570采用4mm×4mm的16引脚QFN封装，最大厚度为0.8mm.MAX1570输入电压范围为2.7V~5.5V,在1MHz的固定频率和在1×及1.5×模式高效工作，为LED提供30mA的恒流，LED电流匹配精度达0.3%,并且LED电流可由单个电阻RsEr设置。可通过数字输入或PWM来控制LED亮度，在关闭状态仅消耗0.1μA的电流。

　　3.当输入电压既可能高于也可能低于LED电压时

　　在输入电压既可能高于，也可能低于LED或LED串的总电压降时，就必须使用降压/升压变换器。基于LT℃3783的降压/升压型变换器驱动8只1.5A串联LED的电路如图4所示。该LED串驱动电路的输入电压范围为9~36V,LED串的总电压降范围为18~37V.在VIN=14.4V,Vo=36V和I0=1.5A条件下，输出功率为54W,效率达93%.电路的开关频率由IC脚FREQ上的

　　电阻R5设置(频率范围为20kHz~1MHz)，R7与R8组成的分压器设置输出过电压保护电平，连接在IC脚FBP与高侧线路之间的R4,用作感测LED电流。LTC3783支持多拓扑结构。用其还可以构筑升压转换器和降压转换器等电路。

　　回扫变换器、单端初级电感变换器(SEPIC)和CUK稳压器等，都可以升高或降低输入电压，

　　输出与输入电压在极性上可以相同或相反。每种拓扑都有独特的优势，但效率都比降压一升压稳压器低。

　　二、交流市电供电的LED驱动电路

　　1.电容降压型LED驱动电路

　　图5所示为电容降压型LED驱动电路(注：图5电路绘于上期本版)。图中，C1为降压电容，R1为泄放电阻，DI~D5为桥式整流器，C2、C3为滤波电容，RVl用作瞬态过电压保护，R2为限流电阻。在220V50Hz的输入电源下，通过电容C1的电流为I=69C1(C1单位为μF,I单位为mA)。若选择C1为0.471μF,电流约为32mA.在此情况下，R1值可选择1MΩ。

　　电容降压型LED驱动电路仅适合于小功率应用，不能提供较大的驱动电流，而且效率很低。其优点是成本低，电路简单。

　　2.变压器降压LED驱动电路

　　一种采用电源变压器降压的LED驱动电路如图6所示。变压器次边输出为12Vac,白光LED的正向压降VF=3.5V,正向电流IF=350mA.桥式整流滤波电压为12Vx2,限流电阻R1值为R1=(12V×2-3xVF)/IF=(12V×2-3×3.5V)/350mA=18.3Ω

　　选择R1=20Ω。R1在350mA下的功耗为0.352×20=2.45W,可选择3W的电阻。在R1=20下Ω，通过LED的电流为：

　　ILED=(12V×2-3×3.5V)/20Ω=323mA

　　若桥式整流器输入电压波动±10%,在10.8Vac下的LED电流为238mA,在13.2Vac下的LED电流则为429mA,导致LED电流变化率超过±25%.由此可见，虽然图6所示的电路比较简单，但电流调整能力很差，并且电源变压器大而笨重，不易于实现电路的小型化和轻量化。

　　图7所示为采用线性稳压器MC7809的白光LED驱动电路，其AC输入电压(12Vac)为电源变压器(或电子变压器输出。MC7809的DC输出电压为9V,R1值为：R1=(Vout-2×VF)/IF(9V-2x3.5V)/350mA=5.7ΩR1消耗的功率为：

　　p=12×R=(0.35A)2×5.7Ω=0.698W

　　MC7809的功耗为：P=(12V×根号(2)2-9V)×IF=(17-9V)×0.35A=2.8W采用线性稳压器后，电流调整率达±5%,但功率耗散较大，效率较低。

　　如果采用安森美公司生产的线性电流源NUD4001取代线性稳压器，电流调整率可低于1%,NUD4001的自身功耗在350mA下，仅为0.875W.

　　3.开关型稳压器

　　基于开关电源拓扑结构的离线LED驱动电路可以获得80%左右的高效率，并且能提供恒流和恒压输出，但是电路比较复杂，成本较高，在有些情况下存在EMI问题。

　　图8所示是基于控制器NCPl012的回扫(反激)式变换器驱动5个白光LED的电路。该电路的输出DC电压为17.5V,输出功率为6.125W,效率接近80%.NCP1012的开关频率为65kHz,提供动态自供电(DSS)、过电压及短路保护和过温度保护，无需变压器提供偏置绕组。由于芯片上集成了功率MOSFET,使外部元件进一步减少。

　　为满足景观照明、工业照明和建筑照明的需要，近期出现了很多用于驱动LED的离线控制器芯片。由于目前手机等便携式设备已趋于饱和，LED的应用将转向景观照明、汽车和大屏幕显示及普通照明领域。离线开关型LED驱动电路，将成为今后占主导地位的拓扑结构。LED太阳能供电系统，将会有一个较大的发展。

　　LED照明驱动难题的解决思路

　　LED的排列方式及LED光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流，而无论输入及输出电压如何变化。最常用的是采用变压器来进行电气隔离。文中论述了LED照明设计需要考虑的因素。

　　一、LED驱动器通用要求

　　驱动LED面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供应商的LED正向电压也会有差异;另外，LED的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。

　　另外，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED的排列方式问题。各种排列方式中，首选驱动串联的单串LED，因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压（Vout）如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。

　　当然，用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向电压的应用，并获得其它优势。如在交叉连接中，如果其中某个LED因故障开路，电路中仅有1个LED的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。

　　常见的LED排列方式

　　LED的排列方式及LED光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流，而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器基本的工作电路示意图如图2所示，其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED（即输入与输出）之间没有物理上的电气连接，最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离”则没有采用高频变压器来电气隔离。

　　值得一提的是，在LED照明设计中，AC-DC电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置：

　　1）整体式（integral）配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效及简化安装等;

2）分布式（distributed）配置，即两者