LED由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点,近年来在各行业应用得以快速发展,LED的驱动电源成了xx热点,理论上,LED的使用寿命在10万小时以上,但在实际应用过程中,由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当,使LED极易损坏.随着LED的应用日益广泛,LED驱动电源
的性能将越来越适合LED的要求.
  我们设计LED驱动电源时,有必要知道LED电流、电压特性,由于LED的生产厂家及LED规格不同,电流、电压特性均有差异.现以白光LED典型规格为例,按照LED的电流、电压变化规律,一般应用正向电压为3.0-3.6V左右,典型值电压为3.3V,电流为20mA,当加于LED两端的正向电压超过3.6V后,正向电压很小的增加,LED的正向电流都有可能会成倍增涨,使LED发光体温升过快,从而加速LED光衰减,使LED的寿命缩短,严重时甚至烧坏LED.根据LED的电压、电流变化特性,对驱动电源的设计提出严格要求.
恒流驱动的理由
白光LED的顺向电压通常被规范成20mA时,最小为3.0V,{zd0}为4.0V,也就是若单纯施加一定的顺向电压时,顺向电流会作大范围的变化.
    图1是从A、B两家LED企业的产品中随机取三种白光LED样品进行顺向电压与顺向电流特性检测的结果.根据检测结果显示,若利用3.4V顺向电压驱动上述六种白光LED时,顺向电流会在10~44mA范围内大幅变动.表1为白光LED的电气与光学特性.
  当前很多厂家生产的LED灯类产品(比如护栏、灯杯、投射灯),采用阻、容降压,然后加上一个稳压二极管稳压,向LED供电,这样驱动LED的方式存在极大缺陷,首先是效率低,在降压电阻上消耗大量电能,甚至有可能超过LED所消耗的电能,且无法提供大电流驱动,因为电流越大,消耗在降压电阻上的电能就越大,所以很多产品的LED不敢采用并联方式,均采用串联方式降低电流.其次是稳定电压的能力极差,无法保证通过LED电流不超过其正常工作要求,设计产品时都会采用降低LED两端电压来供电驱动,这样是以降低LED亮度为代价的.采用阻、容降压方式驱动LED,LED的亮度不能稳定,当供电电源电压低时,LED的亮度变暗,供电电源电压高时,LED的亮度变亮些.阻、容降压方式驱动LED的{zd0}优势是成本低.
  根据LED电流、电压变化特点,采用恒压驱动LED是可行的,虽然常用的稳压电路,存在稳压精度不够和稳流能力较差的缺点,但在某些产品的应用上可能过xx设计,其优势仍然是其它驱动方式无法取代的.
  采用恒流驱动方式,是比较理想的LED驱动方式,它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动,同时恒定的电流使LED的亮度稳定.因此众多厂家选用恒流方式驱动LED.还有一种LED驱动方式是可行的,它即不恒压,也不恒流,但通过电路的设计,当LED正向电压升高时,使驱动电流减小,保证了LED产品的安全.当然正向电压的升高只能在LED承受范围,过高也会损坏LED.
  理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流.但驱动器的成本增加.其实每种驱动方式均有优、缺点,根据LED产品的要求、应用场合,合理选用LED驱动方式,xx设计驱动电源成为关键.LED虽然在节能方面比普通光源的效率高,但是LED光源却不能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压,它必须配有专用电压转换设备,提供能够满足LED额定的电压和电流,才能使LED正常工作,也就所谓的LED专用电源.
  但由于各种规格不同的LED电源的性能和转换效率各不相同,所以选择合适、高效的LED专用电源,才能真正展露出LED光源高效能的特性.因为低效率的LED电源本身就需要消耗大量电能,所以在给LED供电的过程中就无法凸显LED的节能特点.总之,LED电源在LED工作中的稳定性、节能性、寿命长短,具备重要的作用.
LED具有类似于二极管的正向V-I特性.在低于LED开启阈值(白光LED的开启电压阈值大约为3.5V)时,通经该LED的电流非常小.在高于该阈值时,电流会以正向电压形式成指数倍递增.这就允许将LED定型为带有一个串联电阻的电压源,其中带有一则警示说明:本模型仅在单一的工作DC电流下才有效.如果LED中的DC电流发生改变,那么该模型的电阻也应随即改变,以反映新的工作电流.在大的正向电流下,LED中的功率耗散会使设备发热,此举将改变正向压降和动态阻抗.在确定LED阻抗时充分考虑散热环境是非常重要的.
  当通过降压稳压器驱动LED时,LED常常会根据所选的输出滤波器排列来传导电感的AC纹波电流和DC电流.这不仅会提高LED中电流的RMS振幅,而且还会增大其功耗.这样就可提高结温并对LED的使用寿命产生重要影响.如果我们设定一个70%的光输出限制作为LED的使用寿命,那么LED的寿命就会从74摄氏度度下的15,000小时延长到63摄氏度度下的40,000小时.LED的功率损耗由LED电阻乘以RMS电流的平方再加上平均电流乘以正向压降来确定.由于结温可通过平均功耗来确定,因此即使是较大的纹波电流对功耗产生的影响也不大.例如,在降压转换器中,等于DC输出电流(Ipk-pk=Iout)的峰至峰纹波电流会增加不超过10%的总功率损耗.如果远远超过上面的损耗水平,那么就需要降低来自电源的AC纹波电流以便使结温和工作寿命保持不变.一条非常有用的经验法则是结温每降低10摄氏度,半导体寿命就会提高两倍.实际上,由于电感器的抑制作用,因此大多数设计就趋向于更低的纹波电流.此外,LED中的峰值电流不应超过厂商所规定的{zd0}安全工作电流额定值.
大功率LED被称为“绿色光源”,它将向大LED电流(300mA 至1.4A)、高效率(60至120 流明/瓦)、亮度可调的方向发展.
由于大功率LED在寿命上具有很大优势,所以发展前景非常广阔,其中最被看好的照明应用是汽车、医疗设备和仪器仪表及其它特种照明环境.但这些应用对LED驱动系统设计也提出了新的要求,包括:输入电压范围一般要求为6V到24V;具有冲击负载保护、反相和过压保护;待机功耗非常低;低带隙基准以减少电流检测损耗以及具有PWM调整亮度的功能等.
驱动电源设计不好LED灯会出现的不良现象:
1:有嘈音; 2:亮度随电压而变化; 3:关闭时闪耀; 4:开机时闪耀; 5:温度很高;        6:一批货功率相差很大,达二瓦以上.
目前LED均采用直流驱动,因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源.它的功能是把交流市电转换成合适LED的直流电.根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求,在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点:
1．高可靠性  
特别像LED路灯的驱动电源,装在高空,维修不方便,维修的花费也大.
2．高效率    
LED是节能产品,驱动电源的效率要高.对于电源安装在灯具内的结构,尤为重要.因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降,所以LED的散热非常重要.电源的效率高,它的耗损功率小,在灯具内发热量就小,也就降低了灯具的溫升.对延缓LED的光衰有利.
3．高功率因素  
功率因素是电网对负载的要求.一般70瓦以下的用电器,没有强制性指标.虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大,但晚上大家点灯,同类负载太集中,会对电网产生较严重的污染.对于30瓦~40瓦的LED驱动电源,据说不久的将来,也许会对功率因素方面有一定的指标要求.
4．驱动方式    
现在通行的有两种:其一是一个恒压源供多个恒流源,每个恒流源单独给每路LED供电.这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点.另一种是直接恒流供电,LED串联或并联运行.它的优点是成本低一点,但灵活性差,还要解决某个LED故障,不影响其他LED运行的问题.这两种形式,在一段时间内并存.多路恒流输出供电方式,在成本和性能方面会较好.也许是以后的主流方向.
5．浪涌保护    
LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力.加强这方面的保护也很重要.有些LED灯装在户外,如LED路灯.由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏.因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力.
6．保护功能    
电源除了常规的保护功能外,{zh0}在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高.
7．防护方面  
灯具外安装型,电源结构要防水、防潮,外壳要耐晒.
8．驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配.
9．要符合安规和电磁兼容的要求.

LED电源的分类
LED照明系统需要借助于恒流供电,目前主流的恒流驱动设计方案是利用线性或开关型DC/DC稳压器结合特定的反馈电路为LED提供恒流供电,根据DC/DC稳压器外围电路设计的差异,又可以分为电感型LED驱动器和开关电容型LED驱动器.电感型升压驱动器方案其优点是驱动电流较高,LED的端电压较低、功耗较低、效率保持不变,特别适用于驱动多只LED的应用.在大功率LED驱动器设计中,主要采用开关电容型LED驱动方案,其优点是LED两端的电压较高、流过的电流较大,从而获得较高的功效及光学效率.
一、LED电源按驱动方式可以分为两大类:
A. 恒流式:
1、恒流驱动电路驱动LED是很理想的,缺点就是价格较高.
2、恒流电路虽然不怕负载短路,但是严禁负载xx开路.
3、恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化.
4、 要限制LED的使用数量,因为它有{zd0}承受电流及电压值.
B.稳压式:
1、稳压电路确定各项参数后,输出的是固定电压,输出的电流却随着负载的增减而变化.
2、稳压电路虽然不怕负载开路,但是严禁负载xx短路.
3、整流后的电压变化会影响LED的亮度.
4、要使每串以稳压电路驱动LED显示亮度均匀,需要加上合适的电阻才可以.
二、LED电源按电路结构可以分为六类:
1、常规变压器降压:
这种电源的优点是体积小,不足之处是重量偏重、电源效率也很低,一般在45%~60%,因为可靠性不高,所以一般很少用.
2、电子变压器降压:
这种电源结构不足之处是转换效率低,电压范围窄,一般180~240V,波纹干扰大.
3、电容降压:
这种方式的LED电源容易受电网电压波动的影响,电源效率低,不宜LED在闪动时使用,因为电路通过电容降压,在闪动使用时,由于充放电的作用,通过LED的瞬间电流极大,容易损坏芯片.
4、电阻降压:
这种供电方式电源效率很低,而且系统的可靠也较低.因为电路通过电阻降压,受电网电压变化的干扰较大,不容易做成稳压电源,并且降压电阻本身还要消耗很大部分的能量.
5、RCC降压式开关电源:
这种方式的LED电源优点是稳压范围比较宽、电源效率比较高,一般可在70%~80%,应用较广.缺点主要是开关频率不易控制,负载电压波纹系数较大,异常情况负载适应性差.
6、PWM控制式开关电源:
目前来说,PWM控制方式设计的LED电源是比较理想的,因为这种开关电源的输出电压或电流都很稳定.电源转换效率极高,一般都可以高达80%~90%,并且输出电压、电流十分稳定.这种方式的LED电源主要由四部分组成它们分别是:输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分.而且这种电路都有完善的保护措施,属于高可靠性电源.

LED电源的拓扑选择
下表中所显示的信息有助于为LED驱动器选择{zj0}的开关拓扑.除这些拓扑之外,您还可使用简易的限流电阻器或线性稳压器来驱动LED,但是此类方法通常会浪费过多功率.所有相关的设计参数包括输入电压范围、驱动的LED数量、LED电流、隔离、EMI抑制以及效率.大多数的LED驱动电路都属于下列拓扑类型:降压型、升压型、降压-升压型、SEPIC和反激式拓扑.
拓扑结构 输入电压总大于输出电压 输入电压总小于输出电压 输入电压小于输出电压/输入电压大于输出电压 隔离式
降压式 *
升压式 *
升-降压式 *
降/升压式 *
Sepic式 * *
反激式 * * * *
图中显示了三种基本的电源拓扑示例.{dy}个示意图所显示的降压稳压器适用于输出电压总小于输入电压的情形.在图1中,降压稳压器会通过改变MOSFET的开启时间来控制电流进入LED.电流感应可通过测量电阻器两端的电压获得,其中该电阻器应与LED串联.对该方法来说,重要的设计难题是如何驱动MOSFET.从xxx的角度来说,推荐使用需要浮动栅极驱动的N通道场效应晶体管(FET).这需要一个驱动变压器或浮动驱动电路(其可用于维持内部电压高于输入电压).
   图1还显示了备选的降压稳压器(buck#2).在此电路中,MOSFET对接地进行驱动,从而大大降低了驱动电路要求.该电路可选择通过监测FET电流或与LED串联的电流感应电阻来感应LED电流.后者需要一个电平移位电路来获得电源接地的信息,但这会使简单的设计复杂化.另外,图1中还显示了一个升压转换器,该转换器可在输出电压总是大于输入电压时使用.由于MOSFET对接地进行驱动并且电流感应电阻也采用接地参考,因此此类拓扑设计起来就很容易.该电路的一个不足之处是在短路期间,通过电感器的电流会毫无限制.您可以通过保险丝或电子断路器的形式来增加故障保护.此外,某些更为复杂的拓扑也可提供此类保护.
图1简单的降压和升压型拓扑为LED供电
  图2显示了两款降压-升压型电路,该电路可在输入电压和输出电压相比时高时低时使用.两者具有相同的折衷特性(其中折衷可在有关电流感应电阻和栅极驱动位置的两个降压型拓扑中显现).图2中的降压-升压型拓扑显示了一个接地参考的栅极驱动.它需要一个电平移位的电流感应信号,但是该反向降压-升压型电路具有一个接地参考的电流感应和电平移位的栅极驱动.如果控制IC与负输出有关,并且电流感应电阻和LED可交换,那么该反向降压-升压型电路就能以非常有用的方式进行配置.适当的控制IC,就能直接测量输出电流,并且MOSFET也可被直接驱动.
  图2降压-升压型拓扑可调节大于或小于Vout的输入电压
该降压-升压方法的一个缺陷是电流相当高.例如,当输入和输出电压相同时,电感和电源开关电流则为输出电流的两倍.这会对效率和功耗产生负面的影响.
在许多情况下,图3中的“降压或升压型”拓扑将缓和这些问题.在该电路中,降压功率级之后是一个升压.如果输入电压高于输出电压,则在升压级刚好通电时,降压级会进行电压调节.如果输入电压小于输出电压,则升压级会进行调节而降压级则通电.通常要为升压和降压操作预留一些重叠,因此从一个模型转到另一模型时就不存在静带.  
  当输入和输出电压几乎相等时,该电路的好处是开关和电感器电流也近乎等同于输出电流.电感纹波电流也趋向于变小.即使该电路中有四个电源开关,通常效率也会得到显著的提高,在电池应用中这一点至关重要.图3中还显示了SEPIC拓扑,此类拓扑要求较少的FET,但需要更多的无源组件.其好处是简单的接地参考FET驱动器和控制电路.此外,可将双电感组合到单一的耦合电感中,从而节省空间和成本.但是像降压-升压拓扑一样,它具有比“降压或升压”和脉动输出电流更高的开关电流,这就要求电容器可通过更大的RMS电流.
图3降压或升压型以及SEPIC拓扑提供了更高的效率
出于安全考虑,可能规定在离线电压和输出电压之间使用隔离.在此应用中,{zj1}xxx的解决方案是反激式转换器(请参见图4).它要求所有隔离拓扑的组件数最少.变压器匝比可设计为降压、升压或降压-升压输出电压,这样就提供了极大的设计灵活性.但其缺点是电源变压器通常为定制组件.此外,在FET以及输入和输出电容器中存在很高的组件应力.在稳定照明应用中,可通过使用一个“慢速”反馈控制环路(可调节与输入电压同相的LED电流)来实现功率因数校正(PFC)功能.通过调节所需的平均LED电流以及与输入电压同相的输入电流,即可获得较高的功率因数.
图4反激式转换器可提供隔离和功率因数校正功能
恒流驱动与散热的考虑
就电子系统设计而言,工程师在设计LED恒流驱动电路时首先要了解LED的恒流参数.目前LED芯片的制造商很多,国内外LED的差异主要在于相同电参数的情况下,流明数可能不同,因此设计工程师要清楚地认识到LED功率并不是决定发光效率的{wy}参数.例如,同样是1W的LED,有的LED可以达到40流明的亮度,而有的只能达到20流明的亮度,这是因为LED光学效率还取决于材料和制作工艺等诸多环节.
有些设计工程师为提高发光效率而采取加大驱动电流的办法,例如,对于同一颗1W LED,加大驱动电流后,亮度可以从20流明提高到40流明,但是LED的工作温度也相应升高了.一旦温度超过LED的限温点,就会影响LED的寿命和可靠性,这是设计恒流驱动过程中需要注意的重要问题.
此外,LED照明系统的光学效率不仅仅取决于LED恒流驱动方案,还与整个系统的散热设计密切相关.为缩小体积,某些LED恒流驱动系统将LED驱动电路与散热部分贴近设计,这样容易影响可靠性.
一般来说,LED照明系统的热源基本就是LED灯本身的热源,热源太集中会产生热损耗,因此LED驱动电路不能与散热系统紧贴在一起.建议采取下列散热措施:LED灯采用铝基板散热;功率器件均匀排布;尽可能避免将LED驱动电路与散热部分贴近设计;抑制封装至印刷电路基板的热阻抗;提高LED芯片的散热顺畅性以降低热阻抗.
目前LED均采用直流驱动,因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源.它的功能是把交流市电转换成合适LED的直流电.根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求,在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点:
1．高可靠性    特别像LED路灯的驱动电源,装在高空,维修不方便,维修的花费也大.
2．高效率      LED是节能产品,驱动电源的效率要高.对于电源安装在灯具内的结构,尤为重要.因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降,所以LED的散热非常重要.电源的效率高,它的耗损功率小,在灯具内发热量就小,也就降低了灯具的溫升.对延缓LED的光衰有利.
3．高功率因素  功率因素是电网对负载的要求.一般70瓦以下的用电器,没有强制性指标.虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大,但晚上大家点灯,同类负载太集中,会对电网产生较严重的污染.对于30瓦~40瓦的LED驱动电源,据说不久的将来,也许会对功率因素方面有一定的指标要求.
4．驱动方式    现在通行的有两种:其一是一个恒压源供多个恒流源,每个恒流源单独给每路LED供电.这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点.另一种是直接恒流供电,LED串联或并联运行.它的优点是成本低一点,但灵活性差,还要解决某个LED故障,不影响其他LED运行的问题.这两种形式,在一段时间内并存.多路恒流输出供电方式,在成本和性能方面会较好.也许是以后的主流方向.
5．浪涌保护    LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力.加强这方面的保护也很重要.有些LED灯装在户外,如LED路灯.由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏.因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力.
6．保护功能    电源除了常规的保护功能外,{zh0}在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高.
7．防护方面    灯具外安装型,电源结构要防水、防潮,外壳要耐晒.
8．驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配.
9．要符合安规和电磁兼容的要求.
  随着LED的应用日益广泛,LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求.
LED由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点,近年来在各行业应用得以快速发展,LED的驱动电源成了xx热点,理论上,LED的使用寿命在10万小时以上,但在实际应用过程中,由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当,使LED极易损坏.
  我们设计LED驱动电源时,有必要知道LED电流、电压特性,由于LED的生产厂家及LED规格不同,电流、电压特性均有差异.现以白光LED典型规格为例,按照LED的电流、电压变化规律,一般应用正向电压为3.0-3.6V左右,典型值电压为3.3V,电流为20mA,当加于LED两端的正向电压超过3.6V后,正向电压很小的增加,LED的正向电流都有可能会成倍增涨,使LED发光体温升过快,从而加速LED光衰减,使LED的寿命缩短,严重时甚至烧坏LED.根据LED的电压、电流变化特性,对驱动电源的设计提出严格要求.
  当前很多厂家生产的LED灯类产品(比如护栏、灯杯、投射灯),采用阻、容降压,然后加上一个稳压二极管稳压,向LED供电,这样驱动LED的方式存在极大缺陷,首先是效率低,在降压电阻上消耗大量电能,甚至有可能超过LED所消耗的电能,且无法提供大电流驱动,因为电流越大,消耗在降压电阻上的电能就越大,所以很多产品的LED不敢采用并联方式,均采用串联方式降低电流.其次是稳定电压的能力极差,无法保证通过LED电流不超过其正常工作要求,设计产品时都会采用降低LED两端电压来供电驱动,这样是以降低LED亮度为代价的.采用阻、容降压方式驱动LED,LED的亮度不能稳定,当供电电源电压低时,LED的亮度变暗,供电电源电压高时,LED的亮度变亮些.阻、容降压方式驱动LED的{zd0}优势是成本低.
  根据LED电流、电压变化特点,采用恒压驱动LED是可行的,虽然常用的稳压电路,存在稳压精度不够和稳流能力较差的缺点,但在某些产品的应用上可能过xx设计,其优势仍然是其它驱动方式无法取代的.
  采用恒流驱动方式,是比较理想的LED驱动方式,它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动,同时恒定的电流使LED的亮度稳定.因此众多厂家选用恒流方式驱动LED.
还有一种LED驱动方式是可行的,它即不恒压,也不恒流,但通过电路的设计,当LED正向电压升高时,使驱动电流减小,保证了LED产品的安全.当然正向电压的升高只能在LED承受范围,过高也会损坏LED.
  理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流.但驱动器的成本增加.其实每种驱动方式均有优、缺点,根据LED产品的要求、应用场合,合理选用LED驱动方式,xx设计驱动电源成为关键.LED虽然在节能方面比普通光源的效率高,但是LED光源却不能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压,它必须配有专用电压转换设备,提供能够满足LED额定的电压和电流,才能使LED正常工作,也就所谓的LED专用电源.
  但由于各种规格不同的LED电源的性能和转换效率各不相同,所以选择合适、高效的LED专用电源,才能真正展露出LED光源高效能的特性.因为低效率的LED电源本身就需要消耗大量电能,所以在给LED供电的过程中就无法凸显LED的节能特点.总之,LED电源在LED工作中的稳定性、节能性、寿命长短,具备重要的作用.