安森美半导体分享LED照明设计基础知识

计且没有EMC问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，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。

图4：常见的DC-DC LED驱动方式。 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。LED DC-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24 Vdc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12 Vdc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12 Vdc或12 Vac驱动4颗串联的LED，但这种结构的成本及能效最不理想。


您的浏览器可能不支持显示此图像。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，其应用示意图参见图5。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。

图5：直接采用交流驱动LED的示意图。 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25 W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+)。

图6：有源PFC的应用电路示意图。 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5 W至40 W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(见图6)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277 Vac的宽输入范围下，PFC输出电压范围达直流450至480 Vdc。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100 W时才要求PFC。

图7：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IEC 61347-2-13 (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≤25 Vrms (35.3 Vdc) 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，ANSI C82.xxx LED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 (Class 2)、UL 60950、UL1012。

此外，LED照明设计还涉及到产品寿命周期及可靠性问题。更详细内容请访问安森美半导体网站LED照明应用专区：http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/content.do?id=15102。