發光二極管(LED)繼在中小尺寸屏幕的便攜產品背光等應用獲得大量采用后，隨著其發光性能的進一步提升及成本的優化，近年來也開始邁入通用照明應用，如建筑物照明、標識牌、景觀照明、零售、信號燈、街道照明和住宅照明等，其應用可謂方興未艾。
另一方面，LED照明設計也給包括中國工程師在內的工程社群帶來了挑戰，這不僅因為LED照明的應用范圍非常廣泛，應用的功率等級、可以采用的驅動電源種類及電源拓撲結構等，也各不相同。工程師們迫切需要系統地學習及了解更多有關LED照明設計的基礎知識。有鑒于此，安森美半導體的產品應用總監Bernie Weir先生近期專門撰寫相關培訓資料，為工程師們傳授相關的設計基礎知識，內容涉及LED驅動器的通用要求、電源拓撲結構、功率因數校正、電源轉換能效和驅動器標準，以及可靠性和使用壽命等其它問題，方便他們更好地設計入門及提高，從而更好地服務于LED照明市場。限于篇幅，本文是該培訓資料的摘要介紹。
一、LED驅動器通用要求
驅動LED面臨著不少挑戰，如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化，而不同元件、不同批次、不同供應商的LED正向電壓也會有差異；另外，LED的“色點”也會隨著電流及溫度的變化而漂移。
另外，應用中通常會使用多顆LED，這就涉及到多顆LED的排列方式問題。各種排列方式中，首選驅動串聯的單串LED，因為這種方式不論正向電壓如何變化、輸出電壓(Vout)如何“漂移”，均提供極佳的電流匹配性能。當然，用戶也可以采用并聯、串聯-并聯組合及交叉連接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向電壓的應用，并獲得其它優勢。如在交叉連接中，如果其中某個LED因故障開路，電路中僅有1個LED的驅動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。
圖1：常見的LED排列方式
LED的排列方式及LED光源的規范決定著基本的驅動器要求。LED驅動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED的電流，而無論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅動器基本的工作電路示意圖如圖2所示，其中所謂的“隔離”表示交流線路電壓與LED(即輸入與輸出)之間沒有物理上的電氣連接，最常用的是采用變壓器來電氣隔離，而“非隔離”則沒有采用高頻變壓器來電氣隔離。
圖2：LED驅動器的基本工作電路示意圖
值得一提的是，在LED照明設計中，交流-直流(AC-DC)電源轉換與恒流驅動這兩部分電路可以采用不同配置：1)整體式(integral)配置，即兩者融合在一起，均位于照明燈具內，這種配置的優勢包括優化能效及簡化安裝等；2)分布式(distributed)配置，即兩者單獨存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。
LED驅動器根據不同的應用要求，可以采用恒定電壓(CV)輸出工作，即輸出為一定電流范圍下鉗位的電壓；也可以采用恒定電流(CC)輸出工作，輸出的設計能緊密限定電流；也可能會采用恒流恒壓(CCCV)輸出工作，即提供恒定輸出功率，故作為負載的LED的正向電壓確定其電流。
總的來看，LED照明設計需要考慮以下幾方面的因素：
- 輸出功率：涉及LED正向電壓范圍、電流及LED排列方式等
- 電源：AC-DC電源、直流-直流(DC-DC)電源、直接采用交流(AC)電源驅動
- 功能要求：調光要求、調光方式(模擬是、數字或多級)、照明控制
- 其他要求：能效、功率因數、尺寸、成本、故障處理(保護特性)、要遵從的標準及可靠性等
- 更多考慮因素：機械連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等[page]
二、LED驅動電源的拓撲結構
采用AC-DC電源的LED照明應用中，電源轉換的構建模塊包括二極管、開關(FET)、電感及電容及電阻等分立元件用于執行各自功能，而脈寬調制(PWM)穩壓器用于控制電源轉換。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC電源轉換包含反激、正激及半橋等拓撲結構，參見圖3，其中反激拓撲結構是功率小于30 W的中低功率應用的標準選擇，而半橋結構則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結構中的變壓器而言，其尺寸的大小與開關頻率有關，且多數隔離型LED驅動器基本上采用“電子”變壓器。
圖3：常見的隔離型拓撲結構。
采用DC-DC電源的LED照明應用中，可以采用的LED驅動方式有電阻型、線性穩壓器及開關穩壓器等，基本的應用示意圖參見圖4。電阻型驅動方式中，調整與LED串聯的電流檢測電阻即可控制LED的正向電流，這種驅動方式易于設計、成本低，且沒有電磁兼容(EMC)問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選(binning) LED，且能效較低。線性穩壓器同樣易于設計用沒有EMC問題，還支持電流穩流及過流保護(fold back)，且提供外部電流設定點，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關穩壓器通過PWM控制模塊不斷控制開關(FET)的開和關，進而控制電流的流動。
圖4：常見的直流-直流(DC-DC) LED驅動方式。
開關穩壓器具有更高的能效，與電壓無關，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問題。LED DC-DC開關穩壓器常見的拓撲結構包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉換器(SEPIC)等不同類型。其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED串最大電壓時采用降壓結構，如采用24 Vdc驅動6顆串聯的LED；與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時采用升壓結構，如采用12 Vdc驅動6顆串聯的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC結構，如采用12 Vdc或12 Vac驅動4顆串聯的LED，這種結構的成本及能效最不理想。
采用交流電源直接驅動LED的方式近年來也獲得了發展，其應用示意圖參見圖5。這種結構中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在線路電壓大于正向電壓時才導通。這種結構具有其優勢，如避免AC-DC轉換所帶來的功率損耗等。但是，這種結構中LED在低頻開關，故人眼可能會觀察到閃爍現象。此外，這種設計中還需要保護LED，使其免受線路浪涌或瞬態的影響。
圖5：直接采用交流驅動LED的示意圖
三、功率因數校正
美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR™)固態照明(SSL)規范中規定任何功率等級皆須強制提供功率因數校正(PFC)。這標準適用于一系列特定產品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應用的LED驅動器功率因數須大于0.7，而商業應用中則須大于0.9；但是，這標準屬于自愿性標準。歐盟的IEC61000-3-2諧波含量標準中則規定了功率大于25 W的照明應用的總諧波失真性能，其最大限制相當于總諧波失真(THD)< 35%，而功率因數(PF)>0.94。雖然不是所有國家都絕對強制要求照明應用中改善功率因數，但某些應用可能有這方面的要求，如公用事業機構大力推動擁有高功率因數的產品在公用設施中的商業應用，此外，公用事業機構擁有/維護街燈時，也可以根據他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(通常>0.95+)。
圖6：有源PFC的應用電路示意圖。
PFC技術包括無源PFC及有源PFC兩種。無源PFC方案的體積較大，需要增加額外的元件來更好地改變電流波形，能夠達到約0.8或更高的功率因數。其中，在小于5 W至40 W的較低功率應用中，幾乎是標準選擇的反激式拓撲結構只需要采用無源元件及稍作電路改動，即可實現高于0.7的功率因數。有源PFC(見圖6)通常是作為一個專門的電源轉換段增加到電路中來改變輸入電流波形。有源PFC通常提供升壓，交流100至277 Vac的寬輸入范圍下，PFC輸出電壓范圍達直流450至480 Vdc。如果恰當地設計PFC段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要專門的DC-DC轉換來提供電流穩流。
四、能效問題
LED照明應用的能效需要結合功率輸出來考慮。美國“能源之星”固態照明規范規定了照明器具級的能效，但并不涉及單獨LED驅動器的能效要求。如前所述，采用AC-DC電源的LED應用可以采用兩段式分布拓撲結構，故可能采用外部AC-DC適配器供電。而“能源之星”的確包含有關單輸出外部電源的規范，其2.0版外部電源規范于2008年11月開始生效，要求標準工作模式下最低能效達87%，而低壓工作模式下最低能效達86%；在這規范中，功率達于100 W時才要求PFC。
圖7：美國能源部2008年秋季提出的LED照明燈具能效研發目標。
而在采用AC-DC電源的LED應用中，要提供更高的AC-DC轉換能效，就涉及到成本、尺寸、性能規范及能效等因素之間的折衷問題。例如，若使用更高質量的元件、更低導通阻抗(RDSon)，就可降低損耗及改善能效；降低開關頻率一般會改善能效，但卻會增加系統尺寸。諸如諧振這樣新的拓撲結構提供更高能效，卻也增加設計及元件的復雜度。如果我們將設計限定在較窄的功率及電壓范圍，則可以幫助優化能效。
五、驅動器標準
LED驅動器本身也在不斷演進，著重于進一步提高能效、增加功能及功率密度。美國“能源之星”的固態照明規范提出的是照明器具級的能效限制，涉及包括功率因數在內的特定產品要求。而歐盟的IEC 61347-2-13 (5/2006)標準針對采用直流或交流供電的LED模塊的要求包括：
- 最大安全特低電壓(SELV)工作輸出電壓≤25 Vrms (35.3 Vdc)
- 不同故障條件下“恰當”/安全的工作
- 故障時不冒煙或易燃
此外，ANSI C82.xxx LED驅動器規范仍在制定之中。而在安全性方面，需要遵從UL、CSA等標準，如UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012。
此外，LED照明設計還涉及到產品壽命周期及可靠性問題。更詳細內容請訪問安森美半導體網站LED照明應用專區：http://www.onsemi.cn/PowerSolutions/content.do?id=15102。
總結：
本文中，安森美半導體半導體產品應用專家Bernie Weir先生所分享的一些重要的LED照明設計基礎知識，如驅動器的通用要求、驅動器電源的拓撲結構、功率因數校正、電源轉換能效及驅動器需要遵從的標準等問題，幫助工程師更好地從事LED照明設計。安森美半導體針對不同LED照明應用，不論其采用何種電源供電，均提供應用所需的高性能電源轉換、功率因數校正及驅動解決方案，輔以高質量的服務及支援，幫助客戶在市場競爭中占據先機。
