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【摘要】LED照明因具有节能、环保、体积小、长寿命的特点而有着广阔的应用前景。本文简述了LED的电气特性与两种主要的恒流驱动的方式，结合灯具特点和功率等级对现有LED照明产品进行了分档，根据现有开关电源的发展提出了设计选择的要点，并介绍了当前主流的调光方式与电源必要的保护功能。
【关键词】LED照明；开关电源；恒流驱动；调光控制
1.引言
随着全球能源紧缺的状况日益加剧，大力发展节能环保产品势在必行。采用发光二极管（LED）作为发光源的半导体照明因具有节能、环保、体积小、长寿命的特点，成为颇具优势的绿色节能照明光源。为加快发展中国的半导体照明产业，科技部于2003年成立了“国家半导体照明工程协调领导小组”协调组织实施国家半导体照明工程。在新颁布的《轻工业“十二五”发展规划》中，照明电器产业被列为八个“重点行业技术改造工程”之一。2011年11月，发改委公布了白炽灯的淘汰路线图，传统高能耗的白炽灯将逐步淡出人们的视野。LED照明产品的驱动电源设计选择既具有电源设计的普遍性又有它的特殊性。
2.LED的特性与驱动原理
2.1 LED的电气特性
从白光LED诞生以来，LED用于常规照明领域成为可能。随着近年来大功率白光LED的出现与发展，它已进入人们的生活照明、道路照明、工业照明等各个领域。
LED作为二极管的种类之一，具有同普通二极管相似的V-I特性，它的开启电压要大于普通二极管。当外部施加电压大于开启电压后，电流将以正向电压的指数倍增加。（如图1）在LED导通后一定电流值范围内，其发光亮度与电流值几乎成线性正比关系。故外部微小的电压变化都会引起发光亮度的显著改变。而过大的正向电流会使LED发热，LED的光效会随着温度的升高而降低。并且持续过热会严重影响LED的寿命甚至造成其损坏。
2.2 LED的驱动方式
传统的白炽灯直接使用交流市电，荧光灯需要高压启辉。而LED的驱动有别于传统光源的驱动方式。为避免LED工作电流超出其最大额定范围而造成损坏，需要用恒流方式加以限制。在照明产品应用中，LED多数是以串并联组合成灯珠阵列的方式作为光源，为保证阵列中各个LED单元亮度的一致性，也决定了应采用恒流的驱动方式。
2.3 恒流电源的工作原理
在应用单颗或单串LED且负载功率较小的时候，通常会用在LED串上串联限流电阻的方式来实现稳流。在LED负载功率稍大时则使用线性恒流稳压器（CCR）来实现。（如图2）这种方法在小功率应用时简便易行。
但由于CCR方式效率较低，热耗散高，在LED负载功率较大时就不适用了。在大功率应用时，通常使用反馈恒流的方式。图3是一个恒流线性电源的基本模型。通过检测LED串联的取样电阻Rs两端的电压，与放大器A1参考电压比较，调整开关管Q1以维持Rs两端电压不变，即实现了负载中电流的恒定。
3.LED驱动电源的设计选择
3.1 LED照明产品分类
各种照明产品又具有各自的应用与外形特点，设计选择驱动电源时又通常使用负载功率等级的划分方法。二者相结合考虑，可按表1划分为四档，便于驱动电源的设计选择。
3.2 LED驱动电源的设计选择要点
从表1中可以看出，功率等级划分主要依据了不同应用环境下的照明需要。各个功率范围灯具所需的电源在设计选择时需要考虑其各自的应用特点。
(1)3W以下功耗的照明产品强调了小体积、可携带性等特点，作为辅助照明使用。光源通常使用单颗大功率LED灯珠，或串并联几颗低功率LED灯珠。使用12V以下的直流或电池供电。驱动电源拓扑通常使用线性电源、buck、boost等DC-DC变换，负载串联限流电阻或CCR的方式实现电流的稳定。对于电池供电的产品需要考虑使用效率较高的拓扑以提高其续航能力。
(2)3～25W等级涵盖了室内照明以及室外辅助照明等主要产品。他们功率低、体积小。受灯具外壳形状的约束，印制板布局空间在一定程度上受到限制。驱动电源拓扑可选择CCR、buck、boost、SEPIC等模型实现。对于日光灯管等建议使用隔离型反激电源拓扑进行设计以满足安全规格与电磁兼容标准的要求
(3)25～75W区间的中等体积灯具，驱动电源放置空间较大，或者采用外置，空间设计难度较小。但由于一些产品的电源会暴露于室外条件，对电源本身的防尘防水特性提出了要求，通常应达到IP65（完全防止粉尘进入，用水冲洗无任何伤害）以上的标准。并且由于负载功率的增大，电源效率需达到80%以上的设计以减小热损耗。并且在ICE61000-3-2和GB17625.1标准中特别规定了有功输入功率25W以上照明用电设备需要限制谐波电流，减小对电力系统的影响。这类产品可使用无源功率因数校正的方式进行补偿以节约成本。
(4)75W以上的大功率LED照明产品，对驱动电源提出了较高的要求。美国“能源之星”标准要求住宅用灯具功率因数应≥0.75，商用灯具应≥0.9。需要应用APFC（有源功率因数校正）提高功率因数，降低总谐波失真。电路拓扑以反激、正激为主，对于输出功率大于150W时应采用半桥、全桥等谐振与软开关变换拓扑，以提高电源的变换效率，通常应达到90%以上。
3.3 LED照明产品的调光方式
LED照明产品在有些应用中需要根据不同的环境调整的亮度。如公共场所照明，晚间需要维持一定的照明强度，而白天有日光的时候就可以降低以节约电能。这就需要LED驱动电源具备输出电流可控的功能来改变灯具亮度。
目前常见的调光方式有模拟调光和脉宽调光两种。传统的TRIAC（双向晶闸管）调光因为会导致电源功率因数与效率的大幅降低将逐渐退出实际应用。
(1)模拟调光
模拟调光又称A-Dimming调光。以一定范围内（通常是0～10V）的直流电压触发驱动电源控制器。因输入电压连续，可以对负载实现线性调光。但因调光电压范围较小，当电压值较低时易被外界干扰，使得输出电流不稳定，造成亮度闪烁。通常的解决方法是使电源输出电流在调光电压为0的时候依然有一定的输出，来屏蔽掉会发生闪烁的区间。这就使得应用模拟调光的时候亮度不能做到全暗到全亮的区间变化。
(2)脉宽调光
脉宽调光即PWM调光。如图4所示，以一定占空比的方波信号输入驱动电源的控制器，通过控制与负载LED串联FET的占空比来改变周期内负载LED的导通时间，使其呈快速闪烁状态，这样改变了LED中电流的有效值。由于人眼的视觉暂留现象，从而看到“连续”的光。占空比的范围可以从0%～100%，负载LED的电流有效值可从0调节至最大。为避免人眼看到灯具的闪烁，脉宽控制信号的频率通常使用200Hz，兼顾调光FET的开关损耗和减轻电源的电磁辐射。
对于一些手电筒以及室内照明产品等来说，使用者和灯具的距离较近，而200Hz的调光频率是在人耳的听频范围之内的，所以在这些应用场合，则需要提高脉宽调光频率到20kHz以上，避免给使用者带来不适感。
3.4 LED照明产品电源的保护特性
与普通开关电源一样，LED照明产品的电源同样需要具备各种保护功能以保证使用的安全，最基本需要包括以下三种：
①过压/开路保护：负载断路时电源为维持恒流特性会提升输出电压，当达到电压限值一定时间则切断输出，直至重新手动开启电源。
②过流/短路保护：当负载发生短路时触发，电源将限制输出电流值并间歇性自动重启，直至故障解除。
③过温保护：当电源工作温度超过一定限值时触发并停止工作，直至温度恢复正常值并手动重新开启。
在设计选择时，必须选取具备这些保护功能的控制芯片和产品使用，防止安全隐患。
4.小结
随着LED照明产品应用的推广，它将逐步进入人们生活的各个领域。根据LED本身特性的要求，设计与选择性能更加适合的驱动电源，可以提高灯具的整体寿命，充分发挥其节能环保的优势。
参考文献
[1]王志强,肖文勋,虞龙,等译.开关电源设计(第三版)[M].北京:电子工业出版社,2010.
[2]赵同贺.开关电源与LED照明的优化设计应用[M].北京:机械工业出版社,2012.
[3]张占松,汪仁煌,谢丽萍,等,译.开关电源手册(第二版)[M].北京:人民邮电出版社,2006.
作者简介：
张家琳（1983—），男，天津人，大学本科，助理工程师，现供职于天津光电通信技术有限公司，研究方向：LED照明，开关电源。
郑胜男（1985—），女，天津人，大学本科，助理工程师，现供职于天津三星电子有限公司，研究方向：开关电源。
【关键词】LED照明；开关电源；恒流驱动；调光控制
1.引言
随着全球能源紧缺的状况日益加剧，大力发展节能环保产品势在必行。采用发光二极管（LED）作为发光源的半导体照明因具有节能、环保、体积小、长寿命的特点，成为颇具优势的绿色节能照明光源。为加快发展中国的半导体照明产业，科技部于2003年成立了“国家半导体照明工程协调领导小组”协调组织实施国家半导体照明工程。在新颁布的《轻工业“十二五”发展规划》中，照明电器产业被列为八个“重点行业技术改造工程”之一。2011年11月，发改委公布了白炽灯的淘汰路线图，传统高能耗的白炽灯将逐步淡出人们的视野。LED照明产品的驱动电源设计选择既具有电源设计的普遍性又有它的特殊性。
2.LED的特性与驱动原理
2.1 LED的电气特性
从白光LED诞生以来，LED用于常规照明领域成为可能。随着近年来大功率白光LED的出现与发展，它已进入人们的生活照明、道路照明、工业照明等各个领域。
LED作为二极管的种类之一，具有同普通二极管相似的V-I特性，它的开启电压要大于普通二极管。当外部施加电压大于开启电压后，电流将以正向电压的指数倍增加。（如图1）在LED导通后一定电流值范围内，其发光亮度与电流值几乎成线性正比关系。故外部微小的电压变化都会引起发光亮度的显著改变。而过大的正向电流会使LED发热，LED的光效会随着温度的升高而降低。并且持续过热会严重影响LED的寿命甚至造成其损坏。
2.2 LED的驱动方式
传统的白炽灯直接使用交流市电，荧光灯需要高压启辉。而LED的驱动有别于传统光源的驱动方式。为避免LED工作电流超出其最大额定范围而造成损坏，需要用恒流方式加以限制。在照明产品应用中，LED多数是以串并联组合成灯珠阵列的方式作为光源，为保证阵列中各个LED单元亮度的一致性，也决定了应采用恒流的驱动方式。
2.3 恒流电源的工作原理
在应用单颗或单串LED且负载功率较小的时候，通常会用在LED串上串联限流电阻的方式来实现稳流。在LED负载功率稍大时则使用线性恒流稳压器（CCR）来实现。（如图2）这种方法在小功率应用时简便易行。
但由于CCR方式效率较低，热耗散高，在LED负载功率较大时就不适用了。在大功率应用时，通常使用反馈恒流的方式。图3是一个恒流线性电源的基本模型。通过检测LED串联的取样电阻Rs两端的电压，与放大器A1参考电压比较，调整开关管Q1以维持Rs两端电压不变，即实现了负载中电流的恒定。
3.LED驱动电源的设计选择
3.1 LED照明产品分类
各种照明产品又具有各自的应用与外形特点，设计选择驱动电源时又通常使用负载功率等级的划分方法。二者相结合考虑，可按表1划分为四档，便于驱动电源的设计选择。
3.2 LED驱动电源的设计选择要点
从表1中可以看出，功率等级划分主要依据了不同应用环境下的照明需要。各个功率范围灯具所需的电源在设计选择时需要考虑其各自的应用特点。
(1)3W以下功耗的照明产品强调了小体积、可携带性等特点，作为辅助照明使用。光源通常使用单颗大功率LED灯珠，或串并联几颗低功率LED灯珠。使用12V以下的直流或电池供电。驱动电源拓扑通常使用线性电源、buck、boost等DC-DC变换，负载串联限流电阻或CCR的方式实现电流的稳定。对于电池供电的产品需要考虑使用效率较高的拓扑以提高其续航能力。
(2)3～25W等级涵盖了室内照明以及室外辅助照明等主要产品。他们功率低、体积小。受灯具外壳形状的约束，印制板布局空间在一定程度上受到限制。驱动电源拓扑可选择CCR、buck、boost、SEPIC等模型实现。对于日光灯管等建议使用隔离型反激电源拓扑进行设计以满足安全规格与电磁兼容标准的要求
(3)25～75W区间的中等体积灯具，驱动电源放置空间较大，或者采用外置，空间设计难度较小。但由于一些产品的电源会暴露于室外条件，对电源本身的防尘防水特性提出了要求，通常应达到IP65（完全防止粉尘进入，用水冲洗无任何伤害）以上的标准。并且由于负载功率的增大，电源效率需达到80%以上的设计以减小热损耗。并且在ICE61000-3-2和GB17625.1标准中特别规定了有功输入功率25W以上照明用电设备需要限制谐波电流，减小对电力系统的影响。这类产品可使用无源功率因数校正的方式进行补偿以节约成本。
(4)75W以上的大功率LED照明产品，对驱动电源提出了较高的要求。美国“能源之星”标准要求住宅用灯具功率因数应≥0.75，商用灯具应≥0.9。需要应用APFC（有源功率因数校正）提高功率因数，降低总谐波失真。电路拓扑以反激、正激为主，对于输出功率大于150W时应采用半桥、全桥等谐振与软开关变换拓扑，以提高电源的变换效率，通常应达到90%以上。
3.3 LED照明产品的调光方式
LED照明产品在有些应用中需要根据不同的环境调整的亮度。如公共场所照明，晚间需要维持一定的照明强度，而白天有日光的时候就可以降低以节约电能。这就需要LED驱动电源具备输出电流可控的功能来改变灯具亮度。
目前常见的调光方式有模拟调光和脉宽调光两种。传统的TRIAC（双向晶闸管）调光因为会导致电源功率因数与效率的大幅降低将逐渐退出实际应用。
(1)模拟调光
模拟调光又称A-Dimming调光。以一定范围内（通常是0～10V）的直流电压触发驱动电源控制器。因输入电压连续，可以对负载实现线性调光。但因调光电压范围较小，当电压值较低时易被外界干扰，使得输出电流不稳定，造成亮度闪烁。通常的解决方法是使电源输出电流在调光电压为0的时候依然有一定的输出，来屏蔽掉会发生闪烁的区间。这就使得应用模拟调光的时候亮度不能做到全暗到全亮的区间变化。
(2)脉宽调光
脉宽调光即PWM调光。如图4所示，以一定占空比的方波信号输入驱动电源的控制器，通过控制与负载LED串联FET的占空比来改变周期内负载LED的导通时间，使其呈快速闪烁状态，这样改变了LED中电流的有效值。由于人眼的视觉暂留现象，从而看到“连续”的光。占空比的范围可以从0%～100%，负载LED的电流有效值可从0调节至最大。为避免人眼看到灯具的闪烁，脉宽控制信号的频率通常使用200Hz，兼顾调光FET的开关损耗和减轻电源的电磁辐射。
对于一些手电筒以及室内照明产品等来说，使用者和灯具的距离较近，而200Hz的调光频率是在人耳的听频范围之内的，所以在这些应用场合，则需要提高脉宽调光频率到20kHz以上，避免给使用者带来不适感。
3.4 LED照明产品电源的保护特性
与普通开关电源一样，LED照明产品的电源同样需要具备各种保护功能以保证使用的安全，最基本需要包括以下三种：
①过压/开路保护：负载断路时电源为维持恒流特性会提升输出电压，当达到电压限值一定时间则切断输出，直至重新手动开启电源。
②过流/短路保护：当负载发生短路时触发，电源将限制输出电流值并间歇性自动重启，直至故障解除。
③过温保护：当电源工作温度超过一定限值时触发并停止工作，直至温度恢复正常值并手动重新开启。
在设计选择时，必须选取具备这些保护功能的控制芯片和产品使用，防止安全隐患。
4.小结
随着LED照明产品应用的推广，它将逐步进入人们生活的各个领域。根据LED本身特性的要求，设计与选择性能更加适合的驱动电源，可以提高灯具的整体寿命，充分发挥其节能环保的优势。
参考文献
[1]王志强,肖文勋,虞龙,等译.开关电源设计(第三版)[M].北京:电子工业出版社,2010.
[2]赵同贺.开关电源与LED照明的优化设计应用[M].北京:机械工业出版社,2012.
[3]张占松,汪仁煌,谢丽萍,等,译.开关电源手册(第二版)[M].北京:人民邮电出版社,2006.
作者简介：
张家琳（1983—），男，天津人，大学本科，助理工程师，现供职于天津光电通信技术有限公司，研究方向：LED照明，开关电源。
郑胜男（1985—），女，天津人，大学本科，助理工程师，现供职于天津三星电子有限公司，研究方向：开关电源。