LED驱动电源的现状和未来发展趋势
发光二极管(LED)是一种将电能直接转化成光能的发光器件，与传统光源相比，具有绿色环保、节能高效、安全性高等优点，应用越来越广泛。为使LED稳定可靠地工作，必须根据LED的特性和应用环境配置合适的驱动电源。LED种类和用途繁多，如室内外固定照明、车灯或手持照明设备、各种指示灯、显示器背光、照相机闪光灯、激光设备等。照
明用LED作为绿色环保光源受到越来越多的关注，并已经得到长足的发展。
传统照明光源由于原理和技术上的瓶颈，光效难以提高；比如白炽灯是通过高温来发光，热损耗增大。LED实现了电能到光能的直接转换，可以获得更高的光效。现在，已经批量生产的白光LED光效已经达到100～130lm/W以上，超过了传统的高压钠灯和金卤灯；LED光效还在不断提高，LED照明高效节能的优势越来越突出。另外，LED还具有电压低、体积小、寿命长、维护成本低、绿色环保、坚固抗震等优势。
据了解，我国照明耗电约占全国发电总量的12%左右，采用高效照明产品替代白炽灯的节能减排潜力巨大。大力发展LED照明技术，逐步淘汰白炽灯和其它低效率高耗能的照明设备，对于促进中国照明电器行业结构优化升级、推动实现“十二五”节能减排目标任务、积极应对全球气候变化具有重要意义。
去年底，国家发展改革委、商务部、海关总署、国家工商总局、国家质检总局联合印发了《关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告》。按照《公告》部署，至2016年将逐步淘汰白炽灯，禁止进口和销售15瓦及以上普通照明白炽灯。预计可新增照明电器行业产值约80亿元(人民币)、新增就业岗位约1.5万个，形成年节电480亿千瓦时、年减少二氧化碳排放4800万吨的能力。今年，科技部又发布了《半导体照明科技发展“十二五”专项规划》。部署大力发展LED照明的相关技术和产业。
本文在分析LED特性的基础上主要介绍照明用LED驱动电源的现状和发展。
1 LED的特性以及对驱动电源的要求
与普通二极管一样，发光二极管也可抽象成PN节。当二极管正向偏置，电子在P区与空穴复合时，发生电能到光能的转换，使二极管发光。
1）伏安特性
图1为当温度保持在某个正常工作温度时LED的伏安特性。可见LED的伏安特性与普通二极管类似，有正向死区和反向死区；当正向偏置电压超过门限电压von时，LED导通工作并发光；当反向偏置超过击穿电压vbreak时，LED反向击穿。从第一象限可以看到，在正向导通后当正向电流iF增大时，正向电压vF缓慢增大。各种型号的LED器件都有额定电压和电流范围。vF过小，无法提供足够iF，甚至LED不会发光；vF过大，会使iF急剧增大；会因温度升高而烧毁LED。所以应该将vF控制在合适的范围内，一般在2.5～3.5V之间。由于正向电压vF小幅改变就能导
致正向电流iF大幅变化，而且只要将iF控制在合适的范围内，就能保证vF为正常值。
所以，而且LED驱动电源总是采用直流电源，采用电流控制比电压控制更加合理。
2）势垒电势与温度特性
另一方面，与普通二极管一样，势垒电势形成门限电压von。温度升高时势垒电势降低，就是说LED的正向工作电压都是具有负的温度系数。如果用恒定电压源供电，当LED温度升高时正向压降vF减小，会使电流进一步增大，导致温度更高，形成恶性循环；高温会导致LED发光效率衰退，甚至损坏。
因此，照明用LED总是用恒定电流型直流电源驱动。
3）发光效率与电流限制
LED的正向电流越大，光通量越高，但电流与光通量之间是非线性关系。不失一般性，以欧司朗公司的LCW CQAR. EC系列LED芯片为例，如图2，随着正向电流增大，光通量增大，当正向电流增大到一定程度
(在图2中增大到1000mA以上)，光通量的增量就会越来越小。对于照明LED，如果为了增加光通量而过于增大电流，电流增大带来的损耗将超过光通量增大带来的收益。这也是采用恒流控制的原因之一。
4）温度、光衰与寿命
LED的一般工作环境不能超过100℃，结温不能超过125℃。当结温超过限制，LED的寿命就会急剧下降，结温过高时会直接损坏。当前市场上不同定额的单个LED芯片的额定电流基本分布在200~1500mA，允许的最大电流脉冲最高只比自身的额定电流高出30％，长时间工作在额定电流之上更是不允许的。
LED结温升高，它的光通量就会下降。仍然以OSRAM公司的LCW QAR. EC系列LED芯片为例，在正向电流700mA的情况下其结温与光通量的关系如图3所示。当结温超过25℃之后，随着结温增加，光通量衰减（光衰）越来越大。
在各种照明用灯具中，LED的工作寿命是最长的，可达5万～10万小时。LED的寿命并不是计算到它损坏停止发光为止；一般来说，当LED在额定工作电流时的光通量衰退到初始光通量的70%时，视为其寿命终结。
LED的光通量衰退是不可避免的，上述5万～10万小时的寿命是在正常工作条件下的情况。除了制造工艺和质量的原因，使得LED光通量衰退(光衰)的主要原因是高的管芯温度。长期管芯温度过高会造成不可逆的永久性光衰，这是造成LED寿命缩短的主要原因。
因此，设计合理的散热条件对于保证或延长LED的工作寿命是至关重要的；特别是在较大功率的室外照明的情况，比如大功率公共广场照明。
5）响应速度与频闪
当电流变化时， LED的光输出具有微秒级的快响应速度，可以工作于直流或单向高频脉冲电流。这对于动态显示来说是优势，不如用于LED动态视频显示。但对于白光照明来说就是一个问题，快速响应可能会带来了光输出在视觉上的频闪。光输出波动程度与驱动电流的脉动程度相关，电流变化越大，光输出波动也就越大；光输出波动频率与驱动
电流的频率相同；但是，由于人眼的视觉储留时间较长，对于较高频率的光输出波动，人眼已经感觉不到视觉上的频闪。
直流驱动LED光效最高，LED驱动中的纹波电流会带来光效损失。用纹波量较小的电流（纹波峰-峰值小于电流平均值的35%）驱动LED，对光效无显著影响。同时，如果电流纹波幅值的比例较小时，人眼也不会感觉到频闪。
因此，LED的驱动电源应该提供一个脉动较小的直流电流，其脉动频率应该至少在人眼的频闪敏感频率以上。
6）对LED驱动电源的要求
综合以上分析，照明用LED管芯对驱动电源有如下要求：
（1）稳定的直流驱动电流；
（2）电流脉动尽量小；
（3）如果电流有脉动，其频率应该较高；
（4）对LED设计合理的散热条件——尽管这一条与驱动电源无关，但很重要；
LED驱动电源可由交流市电网供电，也可由直流电池供电。当采用交流市电网供电时，一般包含整流、滤波、DC-DC变换、电气隔离、保护等功能。从用电安全、节约用电、减小干扰、可靠性等方面考虑，还应该对LED驱动电源有下列要求：
（5）高的变换效率
变换效率是指输出到LED的驱动功率占驱动电源从电网吸收的总功率的百分比；二者之差在LED驱动电源实现变换和控制的过程中以热量的方式损耗掉了。尽管每个LED照明灯的功率都很小，但是照明用电的总量却非常可观。因此提高LED驱动电源的效率非常重要。
（6）高的功率因数
在LED驱动电源中设计功率因数校正功能，对于减小供电线路损耗，提高电力网的效率非常重要。
（7）电气隔离
LED驱动电源由电压较高的交流市电网供电，但是LED工作在较低的安全电压下；为了用电和维护安全，应该在二者之间设计电气隔离。
（8）保护功能
一般应有过温度、过电流和开路保护等。
（9）体积小、成本低、可靠性高
2 照明LED驱动电源技术方案
针对不同的用途和工作条件，各种专用的LED驱动电源控制芯片获得了广泛的应用。这些芯片可以配合一种或多种主电路拓扑使用，内部集成了检测功能、恒流控制算法和保护功能；有的还集成了功率开关管；具有体积小、响应快、能耗低、可编程的特点。当前市场上的LED驱动电源技术方案大多采用专用芯片，配合适当的主电路拓扑，达到控制和保护的目的。
从供电角度驱动电源可以分为AC-DC和DC-DC两类，DC-DC拓扑主要应用于电池、稳压电源供电，如移动电源、车灯；AC-DC拓扑主要应用于市电供电，如室内外照明。
1）降压斩波拓扑
图4为最简单的电流输出型降压斩波电路拓扑。开关管S导通时电感电流增大，S关断时电感电流经过二极管D续流继续为LED供电，同时电感电流减小。通过控制开关管S的栅极控制信号的占空比，就可以控制LED电流保持恒定。开关管移到电感L的后面，使得开关管源极接地，从而方便了驱动。该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容，降低了
成本。但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者LED串联较多的场合。当然实现恒流控制还需要一套反馈和控制电路。
Supertex公司的HV9921系列是此类电路的一种典型控制芯片，其典型应用如图5所示。HV9921/22/23系列内部集成了MOSFET开关，可以接受85～264VAC交流电压的直接整流输入，但输出功率较小，适合装饰灯等低功率照明；采用了峰值电流控制策略，能很好地控制驱动电流为恒值。由于输入电压较高，可驱动多个串联的LED。其他专门用作降压斩波电路驱动的芯片还有AMC7150、IRS254(0,1)、PT4115等。
2）升降压斩波拓扑
升降压斩波电路既可以升压，也可以降压。通过反馈控制可以保持输出电流恒定不变。图6是一个典型的升降压斩波电路。与降压电路类似，该电路开关管S的源极直接接地，方便了对开关管的驱动。升降压变换器虽然比降压变换器多一个电容，但可以提升输出电压的绝对值。因此，在输入电压低，并且需要驱动多个LED串联时应用较多。但是，在图6的升降压斩波电路中，LED的电流并不等于电感的电流，需要以某种方式检测LED中的电流i，并通过闭环反馈控制实现恒定电流控制。
很多电源控制芯片都是既可以用于降压斩波又可以用于升降压斩波。华润矽威公司的PT4107是此类电路的一种典型控制芯片。根据华润矽威的数据，PT4107效率可达85%，可用于mA级到1A以上输出电流的控制。推荐的电源电压输入为0～20V，如果用于市电照明则需外加前级降压电路。PT4107内部集成了频率抖动技术，EMI显著减小。PT4107的另一
特点是集成了峰值电流补偿控制技术，可以直接实现恒定电流控制。其典型应用如图7所示，是一款可以实现恒流控制的降压斩波电路，改变图中R3的阻值就可以调节LED中的电流。类似的驱动芯片还有还有MAX16833、HV9910等。
3）Sepic单端初级电感变换器拓扑
Sepic变换电路的前级类似于Boost电路，使得电源输入端电流连续纹波很小，EMI低；易于实现输入-输出间的电气隔离；通过适当的控制方法也可以实现功率因数校正；输出既可实现升压又可实现降压，输入-输出电压比的调节范围宽；同时Sepic电路的效率可达90％，能够较好地满足LED对驱动电源的要求。但是，Sepic变换电路直接输出的是电压而不是电流，需要通过电流检测和反馈控制来实现恒流控制。图8是一个典型的Sepic变换电路的基本拓扑。现在，National Semiconductor已推出了可用于Sepic电路的驱动芯片LM3421，它也可用于Buck、Boost、Buck-Boost电路。
4）反激式变换器拓扑
反激式变换器本质上是升降压变换器拓扑的一个变形，由于使用了一个变压器(本质上是一个隔离形的电感)，可以实现输入-输出间的电气隔离。输出驱动电压由匝比和占空比共同控制。反激转换器不断地通过变压器存储和输送能量，磁芯只工作在磁化曲线的一个象限，使得磁芯利用率低，体积较大。一般反激式驱动电路适用于较小功率的场合，比如居室照明；而不适合用于路灯或广场照明等大功率场合。反击式控制的集成芯片很多，比如UC3842系列，这里不再罗列。
5）电气隔离的半桥式拓扑
半桥式拓扑前后级电气隔离，只比前述拓扑多一个开关管，输出电压也是由匝比和占空比共同控制。变压器磁芯的磁化曲线正负对称，在同等功率下与单向工作的反激式变压器相比体积小很多。半桥式拓扑适合于工作在功率较大的场合。半桥拓扑的控制芯片有IR的IRS2548D，TI的TPS92020等。IRS2548D耐压高，栅极驱动电流可达500mA，集成了外部功率因数校正的控制电路；TPS92020的特点是集成了谐振开关驱动的控制电路，可以提供高达350kHz的开关频率。图9是半桥式拓扑的一个典型电路。
对LED驱动电源的寿命影响最大的元器件是电解电容。一般来说，相对于标准条件下的表面温度，电容表面温度每升高10℃，寿命就会减少一半。如果能够不用电解电容，可以避免因电解电容影响寿命；或者使用耐压较高一些的电解电容，可以缓解电解电容对寿命的影响。当然提高变换器效率以减少发热，以及设计较好的散热条件是减小温升、延
长寿命的一个重要途径。
3 发展趋势
1) 国家政策扶持
今年，科技部发布了《半导体照明科技发展“十二五”专项规划》。重点部署了白光LED芯片制备，高光效、高可靠、低成本的核心器件产业化，核心装备和关键配套原材料国产化等核心和关键技术的发展；重点布局了低成本、替代型和多功能创新型半导体照明产品及系统开发，半导体照明创新应用产品开发及示范等内容。到2015年，产业化白光LED器件光效将达到国际同期先进水平(150-200lm/W)，硅基半导体照明、创新应用、智能化照明系统开发等达到世界领先水平；产业规模达到
5000亿元。
2）大幅提高LED的光效
目前，制约LED照明市场发展的主要因素还是LED的光效。综合光效和寿命两个因素，与其它所有的照明方式相比LED照明无疑具有最大的优势。但是，目前市场上销售的LED的光效大多不超过100lm/W，使得LED灯珠发热严重；严重影响其寿命。这一问题受到了世界范围的广泛关注，预计在近几年LED的光效会快速提高到150-200lm/W。
3）较大功率的LED驱动电源
随着LED光效的提高，加上散热技术的完善，LED的单灯照明功率会提高。因此，对大功率LED驱动电源的需求也会越来越大。
4）LED驱动电源技术
LED驱动电源的电路拓扑和控制芯片的技术都已经很成熟。将来的发展趋势主要有以下几个方面。①针对LED特点开发相应的控制方式，比如当输入电压和环境温度等因素发生变动时，相应地控制和改变LED电流的大小，以最大限度地延长LED的使用寿命。②在LED驱动电源中包含功率因数校正电路。前面说过，尽管LED的单灯功率都很小，但是照明用电量却很大，因此提高驱动电源的功率因数意义重大。③提高驱动电源的效率。④研发相应地专供LED驱动电源使用的集成电路芯片。
4 总结
白光LED照明是照明技术的发展趋势。LED照明具有很多优点，比如光电转换效率高、因其方向性使得发光利用率高、寿命长、无污染、色温范围广、耐振动、低压安全等。LED驱动电源是推广LED照明的关键技术，必将得到重视和快速发展。国家已制定了相应的技术标准、发展规划和扶持政策。LED照明技术以及相关的驱动电源技术必将得到发展和推广。
