LED照明设计之驱动的选择与设计技巧

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1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，即两者单独存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。

　　如何选择LED驱动方式

　　如今在市场上典型的LED驱动器包括两类，即线性驱动器和开关驱动器；大概的适用范围见图2.如电流大于500mA的大电流应用采用开关稳压器，因为线性驱动器限于自身结构原因，无法提供这样大的电流；而在电流低于200mA的低电流应用中，通常采用线性稳压器或分离稳压器；而在200至500mA的中等电流应用中，既可以采用线性稳压器，也可以采用开关稳压器。

　　开关稳压器的能效高，且提供极佳的亮度控制。线性稳压器结构比较简单，易于设计，提供稳流及过流保护，且没有电磁兼容性(EMC)问题。

　　在低电流LED应用中，电阻型驱动器尽管成本较低且结构简单，但这种驱动器在低电压条件下，正向电流较低，会导致LED亮度不足，且在负载突降等瞬态条件下，LED可能受损；并且电阻是耗能元件，整个方案的能效较低，见图3。

　　例如在采用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，基本的应用示意图见图4。

　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。

　　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。

　　LED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。

　　LED驱动设计5大技巧要领

　　1、芯片发热

　　这主要针对内置电源调制器的高压驱动芯片。假如芯片消耗的电流为2mA，300V的电压加在芯片上面，芯片的功耗为0.6W，当然会引起芯片的发热。驱动芯片的最大电流来自于驱动功率mos管的消耗，简单的计算公式为I=cvf(考虑充电的电阻效益，实际I=2cvf，其中c为功率MOS管的cgs电容，v为功率管导通时的gate电压，所以为了降低芯片的功耗，必须想办法降低c、v和f.如果c、v和f不能改变，那么请想办法将芯片的功耗分到芯片外的器件，注意不要引入额外的功耗。再简单一点，就是考虑更好的散热吧。

　　2、功率管发热

功率管的功耗分成两部分，开关损耗和导通损耗。要注意，大多数场合特别是LED市电驱动应用，开关损害要远大于导通损耗。开关损耗与功率管的cgd和cgs以及芯片的驱动能力和工作频率有关，所以要解决功率管的发热可以从以下几个方面解