前言

1996年，日亞化學(xué)的中村氏發(fā)現(xiàn)藍(lán)光LED之后，白光LED就被視為照明光源最具發(fā)展?jié)摿Φ慕M件，因此，有關(guān)白光LED性能的改善與商品化應(yīng)用，立即成為各國研究的焦點(diǎn)。目前,白光LED已經(jīng)分別應(yīng)用于公共場所的步道燈、汽車照明、交通號志、可攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率的特性，一般認(rèn)為非常適用于取代傳統(tǒng)照明。因此，各LED照明公司各陸續(xù)推出白光LED專用驅(qū)動(dòng)電路與相關(guān)組件。鑒于此，本文就LED專用驅(qū)動(dòng)電路的特性與今后的發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行簡單闡述。

結(jié)合LED的工作特性，LED驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，同時(shí)按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配。通常情況下：LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓直流、高壓直流、低壓 高頻交流(如電子變壓器的輸出)等。為保證能夠匹配不同批次LED燈的不同VF值，LED驅(qū)動(dòng)電源的輸出大多數(shù)為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓 的恒定電流源。

LED 驅(qū)動(dòng)電路 在滿足上述與LED燈的電壓和電流的匹配外，也要滿足安全要求，另外的基本功能應(yīng)有兩個(gè)方面：

一是盡可能保持恒流特性，尤其是在其輸入電壓發(fā)生±15%的波動(dòng)時(shí)，應(yīng)仍然能夠保持輸出電流在±10%的范圍內(nèi)不變。各種LED照明設(shè)備系統(tǒng)或背光源在采用LED作為其光源時(shí)，需要對其進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng) ,主要原因是：

1、避免驅(qū)動(dòng)電流超出最大額定值，影響其可靠性。

2、獲得預(yù)期的亮度要求，并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性。

二是驅(qū)動(dòng)電路自身功耗要足夠低，這樣才能使LED整燈的系統(tǒng)效率保持在較高水準(zhǔn)。無論在照明應(yīng)用還是背光應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)品設(shè)計(jì)者必須面對的問題就是提高驅(qū)動(dòng)電路的轉(zhuǎn)換效率。提高轉(zhuǎn)換效率，不僅有利于可攜式產(chǎn)品延長待機(jī)時(shí)間，同時(shí)也是解決LED散熱問題的重要手段。在照明領(lǐng)域，提高轉(zhuǎn)換效率意味著更多的功耗轉(zhuǎn)移到LED發(fā)光上，而不是轉(zhuǎn)移到熱量上，這就解決了LED的散熱問題，從而提高了發(fā)光效率，因此提高轉(zhuǎn)換效率就顯得尤為重要。

伴隨著LED燈的發(fā)展，LED驅(qū)動(dòng)電源發(fā)展至今，已經(jīng)涌現(xiàn)出種種不同驅(qū)動(dòng)方式、不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)電路，其大致可分為一下幾種：

1、LED的電容降壓電路

通過利用兩只反向并聯(lián)的LED燈，在輸入交流端接上如下圖電路，在AC降壓后對交流整流，在每個(gè)交流輸入的半周期，D1/D2交替點(diǎn)亮，此電路在早期應(yīng)用于夜光燈、按鈕指示燈等上，電路架構(gòu)簡單明了，成本較低。缺點(diǎn)是可靠性較低，LED亮度隨輸入電壓波動(dòng)而變化，影響其特性;

圖1 簡單LED電容降壓電路

2、阻容降壓式LED驅(qū)動(dòng)電路

圖2 阻容降壓式LED驅(qū)動(dòng)電路

如上圖所示，R1和C1組成降壓限流電路，D1-D4組成整流電路，將輸入交流轉(zhuǎn)換成直流,C2、C3對直流電進(jìn)行濾波，其耐壓值為負(fù)載電壓的1.2倍以上。R2在電路中實(shí)際意義不大，只是按照一般降壓限流接入。因?yàn)樵谶@種電路中，電容器與負(fù)載一定時(shí)，電流想大也大不起來，想小也小不下去。該電路具有恒流特性，但不恒壓。與變壓器恒壓不恒流相反。R3的作用是防止輸出端與LED燈之間發(fā)生開路現(xiàn)象。

整個(gè)電路開始工作時(shí)，在50HZ的市電頻率下，通過對大電容C1的充放電延遲來調(diào)整輸出電壓的，后面那個(gè)R2 是限流電阻，只要是這個(gè)電路輸出是恒壓的，而LED 需要恒流，就用個(gè)電阻做限流，這種電路很不可靠，輸出紋波較大，對負(fù)載有損傷。

3、可控硅的阻容降壓LED驅(qū)動(dòng)電路

可控硅SCR和R2組成保護(hù)電路，當(dāng)流過LED兩端的電流大于額定的設(shè)定值時(shí)，可控硅SCR導(dǎo)通一定角度，從而分流輸出端的電流，使LED工作于恒流狀態(tài)，從而避免LED兩端電流加大而導(dǎo)致瞬間高壓從而損壞。

圖3 可控硅的電容降壓LED驅(qū)動(dòng)電路

4、非隔離LED驅(qū)動(dòng)電路

在非隔離LED驅(qū)動(dòng)電路中，非隔離開關(guān)變換器在工作期間交流輸入端和輸出負(fù)載共用一個(gè)共同的電流通路。

 圖4 降壓式拓?fù)湓韴D

當(dāng)開關(guān)接通時(shí)，電流流過LED線圈并發(fā)光。為了控制電流值，一個(gè)傳感器電阻與地串聯(lián)。通過檢測該電阻上的電壓，當(dāng)其達(dá)到過流保護(hù)(OCP)值時(shí)，開關(guān)會(huì)斷開。線圈中存儲(chǔ)的能量則通過續(xù)流二極管和LED釋放。

這種拓?fù)溆袃纱髢?yōu)點(diǎn)：

1、首先是效率非常高，特別是低功率應(yīng)用時(shí)(小于10W)。使用這種拓?fù)涞腖ED普通照明燈通常宣稱其效率高于90%。

2、第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是外形尺寸。總體外形尺寸對于燈具改良市場非常重要，因?yàn)樽罱K的產(chǎn)品外形必須與傳統(tǒng)白熾燈或鹵素?zé)舢a(chǎn)品相近。降壓式拓?fù)洳皇褂米儔浩骰蚬怦钇骷虼司€圈相對較小，特別在開關(guān)頻率相對較高時(shí)尤其如此。

這種拓?fù)湟灿袃蓚€(gè)主要缺點(diǎn)

1、這種拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)是不提供任何電氣隔離。考慮到散熱因素，LED通常安裝在金屬散熱器上。這樣，出于安全原因，會(huì)強(qiáng)制要求電氣隔離。

2、第二個(gè)缺點(diǎn)是LED與線圈串聯(lián)。這樣就需要在二極管的總正向電壓與轉(zhuǎn)換器的最大損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。如果輸入和輸出之間壓差過大，就會(huì)降低效率

5、隔離式LED驅(qū)動(dòng)電路

5.1、傳統(tǒng)次級反饋LED驅(qū)動(dòng)電路

圖5 次級反饋LED驅(qū)動(dòng)電路

LED驅(qū)動(dòng)電路主體結(jié)構(gòu)采用Flyback拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MOSFET的通斷由控制IC控制，在向負(fù)載提供直流電壓的同時(shí)，也完成負(fù)載與電網(wǎng)的隔離。通過電壓和電流反饋，電路將一個(gè)基準(zhǔn)電壓或電流信號Sref與LED負(fù)載電壓或電流信號Shoad送入信號控制器與之進(jìn)行比較，誤差信號經(jīng)過處理后送回初級IC中進(jìn)行處理，當(dāng)負(fù)載電流因各種因素而產(chǎn)生變化時(shí)，初級控制IC可以通過控制開關(guān)使負(fù)載電流回到初始設(shè)計(jì)值。

此方案可提供精確的電壓、電流控制，但缺點(diǎn)是：

(1)組件數(shù)目較多，電路板空間較大，成本比較高，可靠性低;(2)采樣電阻Ro增加功耗 ，效率降低; (3)光耦合器不能工作于高溫環(huán)境下;(4)光耦合器存在一個(gè)低頻極點(diǎn)(20-30kHz);

5.2、PSR原邊反饋LED驅(qū)動(dòng)電路

 圖6 原邊反饋LED驅(qū)動(dòng)電路

Np*Ipk=Ns*Ipks

Ipks=Np*Ipk/Ns,

將Ipks=Np*Ipk/Ns代入Io=(Td/T)*Ipsk/2，

得到Io=(Td/T)*(Np*Ipk/Ns)/2。

由上式可以得知：NP、NS為常數(shù)，只要固定Ipk、Td/T就可以得到固定的輸出電流。固定Ipk的方式是限制初級MOS取樣電阻上的峰值電壓，同時(shí)為了避免寄生電容在導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的電流尖峰，會(huì)加入一段消隱時(shí)間。Td/T是有IC內(nèi)部固定的，為常量，因此輸出為恒流。

與次級反饋電路相比，PSR原邊反饋電路在變壓器原邊檢測輸出信息，消除了次級的采樣電路，無須使用TL431和光耦合器，減少組件數(shù)目，降低了整體電路的復(fù)雜性，整體電路更為高效和優(yōu)化。

在LED照明市場發(fā)展如火如荼的趨勢下，隨著技術(shù)創(chuàng)新越來越先進(jìn)、開發(fā)人員技術(shù)水平、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)越來越成熟的情況下，LED驅(qū)動(dòng)電源未來所面臨的挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)峻。

1、成本壓力：目前在小功率LED照明產(chǎn)品應(yīng)用場合，小功率LED驅(qū)動(dòng)電源(1-5W)成本所占的比重已經(jīng)接近整體照明產(chǎn)品的三分之一，已經(jīng)接近了光源的成本，這也在一定程度上影響了照明產(chǎn)品的市場推廣。

2、效率追求：大功率LED驅(qū)動(dòng)電源因其功率較大，系統(tǒng)損耗占其總功率比重不是很大，因而可以輕而易取的做到高效率。小功率LED驅(qū)動(dòng)電源在效率上往往很難做到像大功率LED驅(qū)動(dòng)電源一樣。從而導(dǎo)致小功率LED照明產(chǎn)品因?yàn)樗形醋鳛楣廨敵龅墓β识甲鳛闊崃亢纳ⅲ娫崔D(zhuǎn)換效率的過低，影響了LED節(jié)能效果的發(fā)揮。

3、調(diào)光性：在對LED照明產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)光時(shí)，不僅要保證LED照明產(chǎn)品調(diào)光的平滑性，同時(shí)能夠保證在高和低亮度時(shí)顏色特性恒定。

4、壽命追求：LED照明產(chǎn)品號稱有5萬小時(shí)的壽命，在保證散熱良好的前提下，LED燈的確可以維持長壽命。然后LED照明產(chǎn)品的壽命瓶頸在于LED驅(qū)動(dòng)電路的整體壽命，尤其是關(guān)鍵器件，比如電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命。

LED照明行業(yè)發(fā)展至今，困難重重，然而隨著市場需求的加快，LED照明前景遠(yuǎn)大。LED照明產(chǎn)業(yè)市場的火熱必將帶來相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的火熱，LED驅(qū)動(dòng)電源作為其心臟一般重要的配件，必將得到越來越多的重視和關(guān)注。

【廈門大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院周珍富、廈門大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院王亞軍副教授、陳艷玲 、賈迎春、郭捷、倪斌等人對本文均有貢獻(xiàn)】

基金項(xiàng)目：1.福建省產(chǎn)學(xué)合作重大項(xiàng)目(2011H6025)、2.福建省科技重點(diǎn)項(xiàng)目(2012H0039)、3.福建省產(chǎn)學(xué)合作重大項(xiàng)目(2013H6024).

導(dǎo)師簡介：王亞軍(1969-)，男，浙江慈溪人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事新能源、半導(dǎo)體照明方面的研究.

作者簡介：周珍富(1987-)，男，福建莆田人，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體照明、LED驅(qū)動(dòng)模塊方面的研究.