發(fā)光二極管(LED)是一種將電能直接轉(zhuǎn)化成光能的發(fā)光器件，與傳統(tǒng)光源相比，具有綠色環(huán)保、節(jié)能、安全性高等優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛。為使LED穩(wěn)定可靠地工作，必須根據(jù)LED的特性和應(yīng)用環(huán)境配置合適的驅(qū)動電源。LED種類和用途繁多，如室內(nèi)外固定照明、車燈或手持照明設(shè)備、各種指示燈、顯示器背光、照相機閃光燈、激光設(shè)備等。照
明用LED作為綠色環(huán)保光源受到越來越多的關(guān)注，并已經(jīng)得到長足的發(fā)展。
傳統(tǒng)照明光源由于原理和技術(shù)上的瓶頸，光效難以提高；比如白熾燈是通過高溫來發(fā)光，熱損耗增大。LED實現(xiàn)了電能到光能的直接轉(zhuǎn)換，可以獲得更高的光效?，F(xiàn)在，已經(jīng)批量生產(chǎn)的白光LED光效已經(jīng)達(dá)到100～130lm/W以上，超過了傳統(tǒng)的高壓鈉燈和金鹵燈；LED光效還在不斷提高，LED照明節(jié)能的優(yōu)勢越來越突出。另外，LED還具有電壓低、體積小、壽命長、維護成本低、綠色環(huán)保、堅固抗震等優(yōu)勢。
據(jù)了解，我國照明耗電約占全國發(fā)電總量的12%左右，采用照明產(chǎn)品替代白熾燈的節(jié)能減排潛力巨大。大力發(fā)展LED照明技術(shù)，逐步淘汰白熾燈和其它低效率高耗能的照明設(shè)備，對于促進中國照明電器行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級、推動實現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)任務(wù)、積極應(yīng)對氣候變化具有重要意義。
去年底，國家發(fā)展改革委、*、*、國家*、國家質(zhì)檢總局聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于逐步禁止進口和銷售普通照明白熾燈的公告》。按照《公告》部署，至2016年將逐步淘汰白熾燈，禁止進口和銷售15瓦及以上普通照明白熾燈。預(yù)計可新增照明電器行業(yè)產(chǎn)值約80億元(人民幣)、新增就業(yè)崗位約1.5萬個，形成年節(jié)電480億千瓦時、年減少二氧化碳排放4800萬噸的能力。今年，*又發(fā)布了《半導(dǎo)體照明科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》。部署大力發(fā)展LED照明的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。
本文在分析LED特性的基礎(chǔ)上主要介紹照明用LED驅(qū)動電源的現(xiàn)狀和發(fā)展。
1 LED的特性以及對驅(qū)動電源的要求
與普通二極管一樣，發(fā)光二極管也可抽象成PN節(jié)。當(dāng)二極管正向偏置，電子在P區(qū)與空穴復(fù)合時，發(fā)生電能到光能的轉(zhuǎn)換，使二極管發(fā)光。
1）伏安特性
圖1為當(dāng)溫度保持在某個正常工作溫度時LED的伏安特性?？梢奓ED的伏安特性與普通二極管類似，有正向死區(qū)和反向死區(qū)；當(dāng)正向偏置電壓超過門限電壓von時，LED導(dǎo)通工作并發(fā)光；當(dāng)反向偏置超過擊穿電壓vbreak時，LED反向擊穿。從*象限可以看到，在正向?qū)ê螽?dāng)正向電流iF增大時，正向電壓vF緩慢增大。各種型號的LED器件都有額定電壓和電流范圍。vF過小，無法提供足夠iF，甚至LED不會發(fā)光；vF過大，會使iF急劇增大；會因溫度升高而燒毀LED。所以應(yīng)該將vF控制在合適的范圍內(nèi)，一般在2.5～3.5V之間。由于正向電壓vF小幅改變就能導(dǎo)
致正向電流iF大幅變化，而且只要將iF控制在合適的范圍內(nèi)，就能保證vF為正常值。
所以，而且LED驅(qū)動電源總是采用直流電源，采用電流控制比電壓控制更加合理。
2）勢壘電勢與溫度特性
另一方面，與普通二極管一樣，勢壘電勢形成門限電壓von。溫度升高時勢壘電勢降低，就是說LED的正向工作電壓都是具有負(fù)的溫度系數(shù)。如果用恒定電壓源供電，當(dāng)LED溫度升高時正向壓降vF減小，會使電流進一步增大，導(dǎo)致溫度更高，形成惡性循環(huán)；高溫會導(dǎo)致LED發(fā)光效率衰退，甚至損壞。
因此，照明用LED總是用恒定電流型直流電源驅(qū)動。
3）發(fā)光效率與電流限制
LED的正向電流越大，光通量越高，但電流與光通量之間是非線性關(guān)系。不失一般性，以歐司朗公司的LCW CQAR. EC系列LED芯片為例，如圖2，隨著正向電流增大，光通量增大，當(dāng)正向電流增大到一定程度
(在圖2中增大到1000mA以上)，光通量的增量就會越來越小。對于照明LED，如果為了增加光通量而過于增大電流，電流增大帶來的損耗將超過光通量增大帶來的收益。這也是采用恒流控制的原因之一。
4）溫度、光衰與壽命
LED的一般工作環(huán)境不能超過100℃，結(jié)溫不能超過125℃。當(dāng)結(jié)溫超過限制，LED的壽命就會急劇下降，結(jié)溫過高時會直接損壞。當(dāng)前市場上不同定額的單個LED芯片的額定電流基本分布在200~1500mA，允許的zui大電流脈沖zui高只比自身的額定電流高出30％，長時間工作在額定電流之上更是不允許的。
LED結(jié)溫升高，它的光通量就會下降。仍然以O(shè)SRAM公司的LCW QAR. EC系列LED芯片為例，在正向電流700mA的情況下其結(jié)溫與光通量的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)結(jié)溫超過25℃之后，隨著結(jié)溫增加，光通量衰減（光衰）越來越大。
在各種照明用燈具中，LED的工作壽命是zui長的，可達(dá)5萬～10萬小時。LED的壽命并不是計算到它損壞停止發(fā)光為止；一般來說，當(dāng)LED在額定工作電流時的光通量衰退到初始光通量的70%時，視為其壽命終結(jié)。
LED的光通量衰退是不可避免的，上述5萬～10萬小時的壽命是在正常工作條件下的情況。除了制造工藝和質(zhì)量的原因，使得LED光通量衰退(光衰)的主要原因是高的管芯溫度。*管芯溫度過高會造成不可逆的*性光衰，這是造成LED壽命縮短的主要原因。
因此，設(shè)計合理的散熱條件對于保證或延長LED的工作壽命是至關(guān)重要的；特別是在較大功率的室外照明的情況，比如大功率公共廣場照明。
5）響應(yīng)速度與頻閃
當(dāng)電流變化時， LED的光輸出具有微秒級的快響應(yīng)速度，可以工作于直流或單向高頻脈沖電流。這對于動態(tài)顯示來說是優(yōu)勢，不如用于LED動態(tài)視頻顯示。但對于白光照明來說就是一個問題，快速響應(yīng)可能會帶來了光輸出在視覺上的頻閃。光輸出波動程度與驅(qū)動電流的脈動程度相關(guān)，電流變化越大，光輸出波動也就越大；光輸出波動頻率與驅(qū)動
電流的頻率相同；但是，由于人眼的視覺儲留時間較長，對于較高頻率的光輸出波動，人眼已經(jīng)感覺不到視覺上的頻閃。
直流驅(qū)動LED光效zui高，LED驅(qū)動中的紋波電流會帶來光效損失。用紋波量較小的電流（紋波峰-峰值小于電流平均值的35%）驅(qū)動LED，對光效無顯著影響。同時，如果電流紋波幅值的比例較小時，人眼也不會感覺到頻閃。
因此，LED的驅(qū)動電源應(yīng)該提供一個脈動較小的直流電流，其脈動頻率應(yīng)該至少在人眼的頻閃敏感頻率以上。
6）對LED驅(qū)動電源的要求
綜合以上分析，照明用LED管芯對驅(qū)動電源有如下要求：
?。?）穩(wěn)定的直流驅(qū)動電流；
?。?）電流脈動盡量??；
（3）如果電流有脈動，其頻率應(yīng)該較高；
（4）對LED設(shè)計合理的散熱條件——盡管這一條與驅(qū)動電源無關(guān)，但很重要；
LED驅(qū)動電源可由交流市電網(wǎng)供電，也可由直流電池供電。當(dāng)采用交流市電網(wǎng)供電時，一般包含整流、濾波、DC-DC變換、電氣隔離、保護等功能。從用電安全、節(jié)約用電、減小干擾、可靠性等方面考慮，還應(yīng)該對LED驅(qū)動電源有下列要求：
?。?）高的變換效率
變換效率是指輸出到LED的驅(qū)動功率占驅(qū)動電源從電網(wǎng)吸收的總功率的百分比；二者之差在LED驅(qū)動電源實現(xiàn)變換和控制的過程中以熱量的方式損耗掉了。盡管每個LED照明燈的功率都很小，但是照明用電的總量卻非?？捎^。因此提高LED驅(qū)動電源的效率非常重要。
?。?）高的功率因數(shù)
在LED驅(qū)動電源中設(shè)計功率因數(shù)校正功能，對于減小供電線路損耗，提高電力網(wǎng)的效率非常重要。
?。?）電氣隔離
LED驅(qū)動電源由電壓較高的交流市電網(wǎng)供電，但是LED工作在較低的安全電壓下；為了用電和維護安全，應(yīng)該在二者之間設(shè)計電氣隔離。
?。?）保護功能
一般應(yīng)有過溫度、過電流和開路保護等。
?。?）體積小、成本低、可靠性高
2 照明LED驅(qū)動電源技術(shù)方案
針對不同的用途和工作條件，各種的LED驅(qū)動電源控制芯片獲得了廣泛的應(yīng)用。這些芯片可以配合一種或多種主電路拓?fù)涫褂?，?nèi)部集成了檢測功能、恒流控制算法和保護功能；有的還集成了功率開關(guān)管；具有體積小、響應(yīng)快、能耗低、可編程的特點。當(dāng)前市場上的LED驅(qū)動電源技術(shù)方案大多采用芯片，配合適當(dāng)?shù)闹麟娐吠負(fù)?，達(dá)到控制和保護的目的。
從供電角度驅(qū)動電源可以分為AC-DC和DC-DC兩類，DC-DC拓?fù)渲饕獞?yīng)用于電池、穩(wěn)壓電源供電，如移動電源、車燈；AC-DC拓?fù)渲饕獞?yīng)用于市電供電，如室內(nèi)外照明。
1）降壓斬波拓?fù)?/p>
圖4為zui簡單的電流輸出型降壓斬波電路拓?fù)?。開關(guān)管S導(dǎo)通時電感電流增大，S關(guān)斷時電感電流經(jīng)過二極管D續(xù)流繼續(xù)為LED供電，同時電感電流減小。通過控制開關(guān)管S的柵極控制信號的占空比，就可以控制LED電流保持恒定。開關(guān)管移到電感L的后面，使得開關(guān)管源極接地，從而方便了驅(qū)動。該驅(qū)動電路不但簡單而且不需要輸出濾波電容，降低了
成本。但是，Buck變換器是降壓變換器，不適用于輸入電壓低或者LED串聯(lián)較多的場合。當(dāng)然實現(xiàn)恒流控制還需要一套反饋和控制電路。
Supertex公司的HV9921系列是此類電路的一種典型控制芯片，其典型應(yīng)用如圖5所示。HV9921/22/23系列內(nèi)部集成了MOSFET開關(guān)，可以接受85～264VAC交流電壓的直接整流輸入，但輸出功率較小，適合裝飾燈等低功率照明；采用了峰值電流控制策略，能很好地控制驅(qū)動電流為恒值。由于輸入電壓較高，可驅(qū)動多個串聯(lián)的LED。其他專門用作降壓斬波電路驅(qū)動的芯片還有AMC7150、IRS254(0,1)、PT4115等。
2）升降壓斬波拓?fù)?nbsp;
升降壓斬波電路既可以升壓，也可以降壓。通過反饋控制可以保持輸出電流恒定不變。圖6是一個典型的升降壓斬波電路。與降壓電路類似，該電路開關(guān)管S的源極直接接地，方便了對開關(guān)管的驅(qū)動。升降壓變換器雖然比降壓變換器多一個電容，但可以提升輸出電壓的值。因此，在輸入電壓低，并且需要驅(qū)動多個LED串聯(lián)時應(yīng)用較多。但是，在圖6的升降壓斬波電路中，LED的電流并不等于電感的電流，需要以某種方式檢測LED中的電流i，并通過閉環(huán)反饋控制實現(xiàn)恒定電流控制。
很多電源控制芯片都是既可以用于降壓斬波又可以用于升降壓斬波。華潤矽威公司的PT4107是此類電路的一種典型控制芯片。根據(jù)華潤矽威的數(shù)據(jù)，PT4107效率可達(dá)85%，可用于m*到1A以上輸出電流的控制。*的電源電壓輸入為0～20V，如果用于市電照明則需外加前級降壓電路。PT4107內(nèi)部集成了頻率抖動技術(shù)，EMI顯著減小。PT4107的另一
特點是集成了峰值電流補償控制技術(shù)，可以直接實現(xiàn)恒定電流控制。其典型應(yīng)用如圖7所示，是一款可以實現(xiàn)恒流控制的降壓斬波電路，改變圖中R3的阻值就可以調(diào)節(jié)LED中的電流。類似的驅(qū)動芯片還有還有MAX16833、HV9910等。
3）Sepic單端初級電感變換器拓?fù)?/p>
Sepic變換電路的前級類似于Boost電路，使得電源輸入端電流連續(xù)紋波很小，EMI低；易于實現(xiàn)輸入-輸出間的電氣隔離；通過適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄒ部梢詫崿F(xiàn)功率因數(shù)校正；輸出既可實現(xiàn)升壓又可實現(xiàn)降壓，輸入-輸出電壓比的調(diào)節(jié)范圍寬；同時Sepic電路的效率可達(dá)90％，能夠較好地滿足LED對驅(qū)動電源的要求。但是，Sepic變換電路直接輸出的是電壓而不是電流，需要通過電流檢測和反饋控制來實現(xiàn)恒流控制。圖8是一個典型的Sepic變換電路的基本拓?fù)洹，F(xiàn)在，National Semiconductor已推出了可用于Sepic電路的驅(qū)動芯片LM3421，它也可用于Buck、Boost、Buck-Boost電路。
4）反激式變換器拓?fù)?/p>
反激式變換器本質(zhì)上是升降壓變換器拓?fù)涞囊粋€變形，由于使用了一個變壓器(本質(zhì)上是一個隔離形的電感)，可以實現(xiàn)輸入-輸出間的電氣隔離。輸出驅(qū)動電壓由匝比和占空比共同控制。反激轉(zhuǎn)換器不斷地通過變壓器存儲和輸送能量，磁芯只工作在磁化曲線的一個象限，使得磁芯利用率低，體積較大。一般反激式驅(qū)動電路適用于較小功率的場合，比如居室照明；而不適合用于路燈或廣場照明等大功率場合。反擊式控制的集成芯片很多，比如UC3842系列，這里不再羅列。
5）電氣隔離的半橋式拓?fù)?/p>
半橋式拓?fù)淝昂蠹夒姎飧綦x，只比前述拓?fù)涠嘁粋€開關(guān)管，輸出電壓也是由匝比和占空比共同控制。變壓器磁芯的磁化曲線正負(fù)對稱，在同等功率下與單向工作的反激式變壓器相比體積小很多。半橋式拓?fù)溥m合于工作在功率較大的場合。半橋拓?fù)涞目刂菩酒蠭R的IRS2548D，TI的TPS92020等。IRS2548D耐壓高，柵極驅(qū)動電流可達(dá)500mA，集成了外部功率因數(shù)校正的控制電路；TPS92020的特點是集成了諧振開關(guān)驅(qū)動的控制電路，可以提供高達(dá)350kHz的開關(guān)頻率。圖9是半橋式拓?fù)涞囊粋€典型電路。
對LED驅(qū)動電源的壽命影響zui大的元器件是電解電容。一般來說，相對于標(biāo)準(zhǔn)條件下的表面溫度，電容表面溫度每升高10℃，壽命就會減少一半。如果能夠不用電解電容，可以避免因電解電容影響壽命；或者使用耐壓較高一些的電解電容，可以緩解電解電容對壽命的影響。當(dāng)然提高變換器效率以減少發(fā)熱，以及設(shè)計較好的散熱條件是減小溫升、延
長壽命的一個重要途徑。
3 發(fā)展趨勢
1) 國家政策扶持
今年，*發(fā)布了《半導(dǎo)體照明科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》。重點部署了白光LED芯片制備，高光效、高可靠、低成本的核心器件產(chǎn)業(yè)化，核心裝備和關(guān)鍵配套原材料國產(chǎn)化等核心和關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展；重點布局了低成本、替代型和多功能創(chuàng)新型半導(dǎo)體照明產(chǎn)品及系統(tǒng)開發(fā)，半導(dǎo)體照明創(chuàng)新應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)及示范等內(nèi)容。到2015年，產(chǎn)業(yè)化白光LED器件光效將達(dá)到同期*水平(150-200lm/W)，硅基半導(dǎo)體照明、創(chuàng)新應(yīng)用、智能化照明系統(tǒng)開發(fā)等達(dá)到水平；產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到
5000億元。
2）大幅提高LED的光效
目前，制約LED照明市場發(fā)展的主要因素還是LED的光效。綜合光效和壽命兩個因素，與其它所有的照明方式相比LED照明無疑具有zui大的優(yōu)勢。但是，目前市場上銷售的LED的光效大多不超過100lm/W，使得LED燈珠發(fā)熱嚴(yán)重；嚴(yán)重影響其壽命。這一問題受到了世界范圍的廣泛關(guān)注，預(yù)計在近幾年LED的光效會快速提高到150-200lm/W。
3）較大功率的LED驅(qū)動電源
隨著LED光效的提高，加上散熱技術(shù)的完善，LED的單燈照明功率會提高。因此，對大功率LED驅(qū)動電源的需求也會越來越大。
4）LED驅(qū)動電源技術(shù)
LED驅(qū)動電源的電路拓?fù)浜涂刂菩酒募夹g(shù)都已經(jīng)很成熟。將來的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面。①針對LED特點開發(fā)相應(yīng)的控制方式，比如當(dāng)輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動時，相應(yīng)地控制和改變LED電流的大小，以zui大限度地延長LED的使用壽命。②在LED驅(qū)動電源中包含功率因數(shù)校正電路。前面說過，盡管LED的單燈功率都很小，但是照明用電量卻很大，因此提高驅(qū)動電源的功率因數(shù)意義重大。③提高驅(qū)動電源的效率。④研發(fā)相應(yīng)地LED驅(qū)動電源使用的集成電路芯片。
4 總結(jié)
白光LED照明是照明技術(shù)的發(fā)展趨勢。LED照明具有很多優(yōu)點，比如光電轉(zhuǎn)換效率高、因其方向性使得發(fā)光利用率高、壽命長、無污染、色溫范圍廣、耐振動、低壓安全等。LED驅(qū)動電源是推廣LED照明的關(guān)鍵技術(shù)，必將得到重視和快速發(fā)展。國家已制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)展規(guī)劃和扶持政策。LED照明技術(shù)以及相關(guān)的驅(qū)動電源技術(shù)必將得到發(fā)展和推廣。
