LED驅動電源電路設計的幾個大問題

開關穩(wěn)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(wěn)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(lián)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(lián)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(lián)的LED，但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一定的發(fā)展，其應用示意圖參見.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(yōu)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，故人眼可能會察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設計中還需要加入LED 保護措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。

三、功率因數(shù)校正

美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何功率等級皆須強制提供功率因數(shù)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(shù)須大于0.7，而商業(yè)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(guī)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(shù)(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(shù)，但某些應用可能有這方面的要求，如公用事業(yè)機構大力推動擁有高功率因數(shù)的產品在公用設施中的商業(yè)應用，此外，公用事業(yè)機構購入/維護街燈時，也可以根據(jù)他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(shù)(通常>0.95+)。

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(shù)。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(xiàn)高于0.7的功率因數(shù)。 有源 PFC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?shù)卦O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(wěn)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(tài)照明規(guī)范規(guī)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(guī)范，其 2.0版外部電源規(guī)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%;在此規(guī)范中，功率大于100 W 時才要求PFC. 美國能源部2008年秋季提出的LED照明燈具能效研發(fā)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(guī)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(tǒng)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(yōu)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(tài)照明規(guī)范提出的是照明器具級的能效限制，涉及包括功率因數(shù)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(guī)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。