LED照明规划基础知识-安森美培训资料
发光二极管(LED)继在中小尺度屏幕的便携产品背光等运用获很多选用后，跟着它发光功用的进一步进步及本钱的优化，近年来已迈入通用照明范畴，如建筑物照明、大街照明、景象照明、标识牌、信号灯、以及住所内的照明等，运用可谓方兴未已。
另一方面，LED照明规划也给包含我国工程师在内的工程社群带来了应战，这不只由于LED照明的运用规模十分广泛，运用的功率等级、能够选用的驱动电源品种及电源拓扑结构等，也各不相同。工程师们迫切需求体系地学习及了解更多有关LED照明规划的基础知识。有鉴于此，安森美半导体的产品运用总监Bernie Weir先生近期专门编撰相关培训资料，为工程师们教授相关的规划基础知识，内容触及LED驱动器的通用要求、电源拓扑结构、功率因数校对、电源转化能效和驱动器规范，以及牢靠性和运用寿数等其它问题，便利他们更好地规划入门及进步，然后更好地服务于LED照明商场。限于篇幅，本文是该培训资料的摘要介绍。
一、LED驱动器通用要求
驱动LED面临着不少应战，如正向电压会跟着温度、电流的改动而改动，而不同个别、不同批次、不同供货商的LED正向电压也会有差异；别的，LED的“色点”也会跟着电流及温度的改动而漂移。
别的，运用中一般会运用多颗LED，这就触及到多颗LED的摆放方法问题。各种摆放方法中，首选驱动串联的单串LED，由于这种方法不管正向电压怎么改动、输出电压(Vout)怎么“漂移”，均供给极佳的电流匹配功用。当然，用户也能够选用并联、串联-并联组合及穿插衔接等其它摆放方法，用于需求“彼此匹配的”LED正向电压的运用，并取得其它优势。如在穿插衔接中，假如其间某个LED因毛病开路，电路中仅有1个LED的驱动电流会加倍，然后尽量削减对整个电路的影响。
图1：常见的LED摆放方法
LED的摆放方法及LED光源的规范决议着根本的驱动器要求。LED驱动器的主要功用就是在必定的作业条件规模下约束流过LED的电流，而不管输入及输出电压怎么改动。LED驱动器根本的作业电路示意图如图2所示，其间所谓的“阻隔”表明沟通线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气衔接，最常用的是选用变压器来电气阻隔，而“非阻隔”则没有选用高频变压器来电气阻隔。
图2：LED驱动器的根本作业电路示意图。
值得一提的是，在LED照明规划中，AC-DC电源转化与恒流驱动这两部分电路能够选用不同装备：1)整体式(integral)装备，即两者交融在一起，均坐落照明灯具内，这种装备的优势包含优化能效及简化装置等；2)散布式(distributed)装备，即两者独自存在，这种装备简化安全考虑，并添加灵活性。
LED驱动器依据不同的运用要求，能够选用稳定电压(CV)输出作业，即输出为必定电流规模下钳位的电压；也能够选用稳定电流(CC)输出作业，输出的规划能严厉约束电流；也或许会选用恒流恒压(CCCV)输出作业，即供给稳定输出功率，故作为负载的LED的正向电压确认其电流。
总的来看，LED照明规划需求考虑以下几方面的要素：
输出功率：触及LED正向电压规模、电流及LED摆放方法等
电源：AC-DC电源、DC-DC电源、直接选用AC电源驱动
功用要求：调光要求、调光方法(模仿、数字或多级)、照明操控
其他要求：能效、功率因数、尺度、本钱、毛病处理(保护特性)、要遵照的规范及牢靠性等
更多考虑要素：机械衔接、装置、修理/替换、寿数周期、物流等
二、LED驱动电源的拓扑结构
选用AC-DC电源的LED照明运用中，电源转化的构建模块包含二极管、开关(FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于履行各自功用，而脉宽调制(PWM)稳压器用于操控电源转化。电路中一般参加了变压器的阻隔型AC-DC电源转化包含反激、正激及半桥等拓扑结构，参见图3，其间反激拓扑结构是功率小于30 W的中低功率运用的规范挑选，而半桥结构则最适合于供给更高能效/功率密度。就阻隔结构中的变压器而言，其尺度的巨细与开关频率有关，且大都阻隔型LED驱动器根本上选用“电子”变压器。
图3：常见的阻隔型拓扑结构。
选用DC-DC电源的LED照明运用中，能够选用的LED驱动方法有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，根本的运用示意图参见图4。电阻型驱动方法中，调整与LED串联的电流检测电阻即可操控LED的正向电流，这种驱动方法易于规划、本钱低，且没有电磁兼容(EMC)问题，下风是依赖于电压、需求挑选(binning) LED，且能效较低。线性稳压器相同易于规划且没有EMC问题，还支撑电流稳流及过流保护(fold back)，且供给外部电流设定点，缺乏在于功率耗散问题，及输入电压要一直高于正向电压，且能效不高。开关稳压器经过PWM操控模块不断操控开关(FET)的开和关，从而操控电流的活动。
图4：常见的DC-DC LED驱动方法。
开关稳压用具有更高的能效，与电压无关，且能操控亮度，缺乏则是本钱相对较高，复杂度也更高，且存在电磁搅扰(EMI)问题。LED DC-DC开关稳压器常见的拓扑结构包含降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转化器(SEPIC)等不同类型。其间，一切作业条件下最低输入电压都大于LED串最大电压时选用降压结构，如选用24 Vdc驱动6颗串联的LED；与之相反，一切作业条件下最大输入电压都小于最低输出电压时选用升压结构，如选用12 Vdc驱动6颗串联的LED；而输入电压与输出电压规模有交迭时能够选用降压-升压或SEPIC结构，如选用12 Vdc或12 Vac驱动4颗串联的LED，但这种结构的本钱及能效最不抱负。
选用沟通电源直接驱动LED的方法近年来也取得了必定的开展，其运用示意图参见图5。这种结构中，LED串以相反方向摆放，作业在半周期，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，如防止AC-DC转化所带来的功率损耗等。可是，这种结构中LED在低频开关，故人眼或许会察觉到闪耀现象。此外，在这种规划中还需求参加LED保护措施，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。
图5：直接选用沟通驱动LED的示意图。
三、功率因数校对
美国动力部(DOE)“动力之星”(ENERGYSTAR™)固态照明(SSL)规范中规则任何功率等级皆须强制供给功率因数校对(PFC)。这规范适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其间，住所运用的LED驱动器功率因数须大于0.7，而商业运用中则须大于0.9；可是，这规范归于自愿性规范。欧盟的IEC61000-3-2谐波含量规范中则规则了功率大于25 W的照明运用的总谐波失真功用，其最大约束相当于总谐波失真(THD)< 35%，而功率因数(PF)>0.94。尽管不是一切国家都肯定强制要求照明运用中改进功率因数，但某些运用或许有这方面的要求，如公用事业组织大力推进具有高功率因数的产品在公用设施中的商业运用，此外，公用事业组织购入/保护街灯时，也能够依据他们的志愿来决议是否要求具有高功率因数(一般>0.95+)。
图6：有源PFC的运用电路示意图
PFC技能包含无源PFC及有源PFC两种。无源PFC计划的体积较大，需求添加额定的元件来更好地改动电流波形，能够到达约0.8或更高的功率因数。其间，在小于5 W至40 W的较低功率运用中，几乎是规范挑选的反激式拓扑结构只需求选用无源元件及稍作电路改动，即可完成高于0.7的功率因数。有源PFC(见图6)一般是作为一个专门的电源转化段添加到电路中来改动输入电流波形。有源PFC一般供给升压，沟通100至277 Vac的宽输入规模下，PFC输出电压规模达直流450至480 Vdc。假如恰当地规划PFC段，能够供给91%到95%的高能效。但添加了有源PFC，依然需求专门的DC-DC转化来供给电流稳流。
四、能效问题
LED照明运用的能效需求结合功率输出来考虑。美国“动力之星”固态照明规范规则了照明用具级的能效，但并不触及独自LED驱动器的能效要求。如前所述，选用AC-DC电源的LED运用能够选用两段式散布拓扑结构，故或许选用外部AC-DC适配器供电。而“动力之星”确实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月开端收效，要求规范作业形式下最低能效达87%，而低压作业形式下最低能效达86%；在此规范中，功率大于100 W时才要求PFC。
图7：美国动力部2008年秋季提出的LED照明灯具能效研制方针。
而在选用AC-DC电源的LED运用中，要供给更高的AC-DC转化能效，就触及到本钱、尺度、功用规范及能效等要素之间的折衷问题。例如，若运用更高质量的元件、更低导通阻抗(RDSon)，就可下降损耗及改进能效；下降开关频率一般会改进能效，但却会添加体系尺度。比如谐振这样新的拓扑结构供给更高能效，却也添加规划及元件的复杂度。假如咱们将规划约束在较窄的功率及电压规模，则能够协助优化能效。
五、驱动器规范
LED驱动器自身也在不断演进，着重于进一步进步能效、添加功用及功率密度。美国“动力之星”的固态照明规范提出的是照明用具级的能效约束，触及包含功率因数在内的特定产品要求。而欧盟的IEC 61347-2-13 (5/2006)规范针对选用直流或沟通供电的LED模块的要求包含：
最大安全特低电压(SELV)作业输出电压≤25 Vrms (35.3 Vdc)
不同毛病条件下“恰当”/安全的作业
毛病时不冒烟或易燃
此外，ANSI C82.xxx LED驱动器规范仍在拟定之中。而在安全性方面，需求遵照UL、CSA等规范，如UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012。
此外，LED照明规划还触及到产品寿数周期及牢靠性问题。
总结：
本文共享了安森美半导体产品运用专家Bernie Weir先生的一些重要的LED照明规划基础知识，如驱动器的通用要求、驱动器电源的拓扑结构、功率因数校对、电源转化能效及驱动器需求遵照的规范等问题，协助工程师更好地从事LED照明规划。安森美半导体身为全球抢先的高功用、高能效硅解决计划供货商，针对不同LED照明运用，不管其选用何种电源供电，均供给运用所需的高功用电源转化、功率因数校对及驱动解决计划，辅以高质量的服务及援助，协助客户在商场竞争中占有先机。
