LED电源设计及经验汇编

单独存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。LED驱动器根据不同的应用要求，可以采用恒定电压（CV）输出工作，即输出为一定电流范围下钳位的电压;也可以采用恒定电流（CC）输出工作，输出的设计能严格限定电流;也可能会采用恒流恒压（CCCV）输出工作，即提供恒定输出功率，故作为负载的LED的正向电压确定其电流。

　　总的来看，LED照明设计需要考虑以下几方面的因素：

　　输出功率：涉及LED正向电压范围、电流及LED排列方式等

　　电源：AC-DC电源、DC-DC电源、直接采用AC电源驱动

　　功能要求：调光要求、调光方式（模拟、数字或多级）、照明控制

　　其他要求：能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理（保护特性）、要遵从的标准及可靠性等

　　更多考虑因素：机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等。

　　二、LED驱动电源的拓扑结构

　　采用AC-DC电源的LED照明应用中，电源转换的构建模块包括二极管、开关（FET）、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制（PWM）稳压器用于控制电源转换。

　　电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，其中反激拓扑结构是功率小于30W的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言，其尺寸的大小与开关频率有关，且多数隔离型LED驱动器基本上采用“电子”变压器。

　　常见的隔离型拓扑结构

　　采用DC-DC电源的LED照明应用中，可以采用的LED驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，基本的应用示意图参见电阻型驱动方式中，调整与LED串联的电流检测电阻即可控制LED的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容（EMC）问题，劣势是依赖于电压、需要筛选（binning）LED，且能效较低。

　　常见的DC-DCLED驱动方式

　　线性稳压器同样易于设计且没有EMC问题，还支持电流稳流及过流保护（foldback），且提供外部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过PWM控制模块不断控制开关（FET）的开和关，进而控制电流的流动。

　　开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰（EMI）问题。LEDDC-DC开关稳压器常见的拓扑结构包括降压（Buck）、升压（Boost）、降压-升压（Buck-Boost）或单端初级电感转换器（SEPIC）等不同类型。

　　其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED串最大电压时采用降压结构，如采用24Vdc驱动6颗串联的LED;与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12Vdc驱动6颗串联的LED;而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC结构，如采用12Vdc或12Vac驱动4颗串联的LED，但这种结构的成本及能效最不理想。

　　采用交流电源直接驱动LED的方式近年来也获得了一定的发展，其应用示意图参见。这种结构中LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免AC-DC转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中LED在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入LED保护措施，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。

　　三、功率因数校正

　　美国能源部（DOE）“能源之星”（ENERGYSTAR）固态照明（SSL）规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正（PFC）。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9;但是，这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC61000-3-2谐波含量标准中则规定了功率大于25W的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真（THD）《35%，而功率因数（PF）》0.94.

　　虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数（通常》0.95+）。

　　PFC技术包括无源PFC及有源PFC两种。无源PFC方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8或更高的功率因数。其中，在小于5W至40W的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7的功率因数。有源PFC通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC通常提供升压，交流100至277Vac的宽输入范围下，PFC输出电压范围达直流450至480Vdc.如果恰当地设计PFC段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC转换来提供电流稳流。

　　四、能效问题

　　LED照明应用的能效需要结合功率输出来考虑。美国“能源之星”固态照明规范规定了照明器具级的能效，但并不涉及单独LED驱动器的能效要求。如前所述，采用AC-DC电源的LED应用可以采用两段式分布拓扑结构，故可能采用外部AC-DC适配器供电。

　　而“能源之星”的确包含有关单输出外部电源的规范，其2.0版外部电源规范于2008年11月开始生效，要求标准工作模式下最低能效达87%，而低压工作模式下最低能效达86%;在此规范中，功率大于100W时才要求PFC.美国能源部2008年秋季提出的LED照明灯具能效研发目标而在采用AC-DC电源的LED应用中，要提供更高的AC-DC转换能效，就涉及到成本、尺寸、性能规范及能效等因素之间的折衷问题。例如，若使用更高质量的元件、更低导通阻抗（RDSon），就可降低损耗及改善能效;降低开关频率一般会改善能效，但却会增加系统尺寸。诸如谐振这样新的拓扑结构提供更高能效，却也增加设计及元件的复杂度。如果我们将设计限定在较窄的功率及电压范围，则可以帮助优化能效。

　　五、驱动器标准

　　LED驱动器本身也在不断演进，着重于进一步提高能效、增加功能及功率密度。美国“能源之星”的固态照明规范提出的是照明器具级的能效限制，涉及包括功率因数在内的特定产品要求。而欧盟的IEC61347-2-13（5/2006）标准针对采用直流或交流供电的LED模块的要求包括：最大安全特低电压（SELV）工作输出电压≤25Vrms（35.3Vdc）不同故障条件下“恰当”/安全的工作故障时不冒烟或易燃此外，ANSIC82.xxxLED驱动器规范仍在制定之中。而在安全性方面，需要遵从UL、CSA等标准，如UL1310（Class2）、UL60950、UL1012.此外，LED照明设计还涉及到产品寿命周期及可靠性问题。

　　设计LED驱动电源的七个心得

1、放弃4路以上输出，发展单路或两路输出，放弃大电流和超大电流，发展小电流。

　　输出路数越多越复杂，不同出路之间的电流干扰解决起来成本很高，如不解决则故障率较高。另外输出路数越多则总输出电流也就越大，而电流是发热的主要原因，电压本身不直接导致发热，简单来说发热量与电流的平方成正比，也就是说电流增加到原来的2倍的话，发热量将增加到原来的4倍，电流增加到原来3倍，发热量将增加到原来9倍。综上所述，单路或两路输出的LED灯电源故障率会降低很多。

　2、智能控制是LED灯具的优势之一，而电源是智能控制的关键。

　　智能控制在LED路灯和LED隧道灯照明应用上条件最成熟效果最明显，智能控制能在不同时间段、根据道路车流密度来实现灯具功率的无级控制，既满足应用要求，又实现巨大的节能效果，可以为公路主管单位节省大量经费。在隧道照明上的应用不但可以节能，还可以按照隧道外的亮度情况自动调节隧道出入口亮度，给司机提供一个视觉过度阶段，以保证驾驶安全。

　　3、放弃大功率、超大功率，选择较高稳定性的中小功率电源。

　　因为功率越大，发热量越大，里面的零部件也越紧凑，不利于散热，而温度正是电源发生故障的罪魁祸首。再者，小功率电源相对来说发展的较为成熟，稳定性和成本方面都有优势。其实很多大功率电源方案都没有经过时间验证及实践证明，都是匆匆上马的项目，都是实验性的产品，因此故障层出不穷。相比之下中小功率电源因发展较早，技术方案要成熟的多。

　4、散热和防护是电源故障的主要外部因素。

　　不仅电源本身会发热，灯具也会发热，这两种热源如何合理的散发出去是灯具设计工程师必须考虑的问题，一定要防止热量的过度集中，形成热岛效应，影响电源寿命。采用分离式电源方案是一个好的选择。

　5、维护的可行性。

　　电源的故障问题不可能完全避免，成都朝月光电提出了维护简便性原则。只有把电源的更换做的跟常规照明的光源的更换那么简便时，才能是用户用的开心，即便是电源坏了，心情也不会太差，而用户的心情好坏决定着LED灯厂家的命运。

6、防护性能。

防护问题也很重要，水分的渗透可能引起电源的短路，外壳上的沙尘会影响电源