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隨著(zhù) LED 的生產(chǎn)成本下降，其使用愈發(fā)普遍，所涵蓋的應用范圍從手持終端設備到車(chē)載，再到建筑照明。但驅動(dòng) LED 并非沒(méi)有挑戰，本文對 LED 特性及驅動(dòng) LED 時(shí)需要權衡的因素作了概述，并對適用于驅動(dòng) LED 和進(jìn)行 LED 調光的各種開(kāi)關(guān)電源拓撲進(jìn)行了詳 盡的討論，此外還詳細說(shuō)明了這些電源的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。 LED 的高可靠性（使用 壽命超過(guò) 50，000 個(gè)小時(shí)）、較高的效率（>120 流明/瓦）以及近乎瞬時(shí)的響應能力使其成為極具吸引力的光源。與白熾燈泡 200mS 的響應時(shí)間相比，LED 會(huì )在短短 5nS 響應時(shí)間內發(fā)光。因此，目前它們已在汽車(chē)行業(yè)的剎車(chē)燈中得到廣泛采用。 驅動(dòng) LED 驅動(dòng) LED 并非沒(méi)有挑戰�？烧{的亮度需要用恒定電流來(lái)驅動(dòng) LED，并且無(wú)論輸入電壓如何都必須要保持該電流的恒定。這與僅僅將白熾燈泡連接到電池來(lái)為其供電相比更具有挑戰性。 LED 具有類(lèi)似于二極管的正向 V-I 特性。在低于 LED 開(kāi)啟閾值（白光 LED 的開(kāi)啟電壓閾值大約為 3.5V）時(shí)，通經(jīng)該 LED 的電流非 常小。在高于該閾值時(shí)，電流會(huì )以正向電壓形式成指數倍遞增。這就允許將 LED 定型為帶有一個(gè)串聯(lián)電阻的電壓源，其中帶有一則 警示說(shuō)明：本模型僅在單一的工作 DC 電流下才有效。如果 LED 中的 DC 電流發(fā)生改變，那么該模型的電阻也應隨即改變，以反映新 的工作電流。在大的正向電流下，LED 中的功率耗散會(huì )使設備發(fā)熱，此舉將改變正向壓降和動(dòng)態(tài)阻抗。在確定 LED 阻抗時(shí)充分考慮散熱環(huán)境是非常重要的。 當通過(guò)降壓穩壓器驅動(dòng) LED 時(shí)，LED 常常會(huì )根據所選的輸出濾波器排列來(lái)傳導電感的 AC 紋波電流和 DC 電流。這不僅會(huì )提高 LED 中電流的 RMS 振幅，而且還會(huì )增大其功耗。這樣就可提高結溫并對 LED 的使用壽命產(chǎn)生重要影響。 如果我們設定一個(gè) 70%的光輸出限制作為 LED 的使用壽命，那么 LED 的壽命就會(huì )從 74 攝氏度度下的 15，000 小時(shí)延長(cháng)到 63 攝氏度度下的 40，000 小時(shí)。LED 的功率損耗由 LED 電阻乘以 RMS 電流的平方再加上平均電流乘以正向壓降來(lái)確定。由于結溫可通過(guò)平均功耗來(lái)確定，因此即使是 較大的紋波電流對功耗產(chǎn)生的影響也不大。 例如，在降壓轉換器中，等于 DC 輸出電流 (Ipk-pk = Iout) 的峰至峰紋波電流會(huì )增加不超 過(guò) 10% 的總功率損耗。如果遠遠超過(guò)上面的損耗水平，那么就需要降低來(lái)自電源的 AC 紋波電流以便使結溫和工作壽命保持不變。 一條非常有用的經(jīng)驗法則是結溫每降低 10 攝氏度，半導體壽命就會(huì )提高兩倍。實(shí)際上，由于電感器的抑制作用，因此大多數設計就 趨向于更低的紋波電流。此外，LED 中的峰值電流不應超過(guò)廠(chǎng)商所規定的最大安全工作電流額定值。 LED驅動(dòng)電源的拓撲結構選擇分析 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(kāi)關(guān)(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(jiàn)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(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，且多數隔離型LED驅動(dòng)器基本上采用“電子”變壓器。 
圖1：LLC半橋諧振拓撲結構 采用DC-DC電源的LED照明應用中，可以采用的LED驅動(dòng)方式有電阻型、線(xiàn)性穩壓器及開(kāi)關(guān)穩壓器等，基本的應用示意圖參見(jiàn)圖4。電阻型驅動(dòng)方式中，調整與LED串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED的正向電流，這種驅動(dòng)方式易于設計、成本低，且沒(méi)有電磁兼容(EMC)問(wèn)題，劣勢是依賴(lài)于電壓、需要篩選(binning) LED，且能效較低。線(xiàn)性穩壓器同樣易于設計且沒(méi)有EMC問(wèn)題，還支持電流穩流及過(guò)流保護(fold back)，且提供外部電流設定點(diǎn)，不足在于功率耗散問(wèn)題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開(kāi)關(guān)穩壓器通過(guò)PWM控制模塊不斷控制開(kāi)關(guān)(FET)的開(kāi)和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。
圖2：常見(jiàn)的DC-DC LED驅動(dòng)方式 開(kāi)關(guān)穩壓器具有更高的能效，與電壓無(wú)關(guān)，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(wèn)題。LED DC-DC開(kāi)關(guān)穩壓器常見(jiàn)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(lèi)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(shí)采用降壓結構，如采用24 Vdc驅動(dòng)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(shí)采用升壓結構，如采用12 Vdc驅動(dòng)6顆串聯(lián)的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)可以采用降壓-升壓或SEPIC結構，如采用12 Vdc或12 Vac驅動(dòng)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(dòng)LED的方式近年來(lái)也獲得了一定的發(fā)展，其應用示意圖參見(jiàn)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(xiàn)路電壓大于正向電壓時(shí)才導通。這種結構具有其優(yōu)勢，如避免AC-DC轉換所帶來(lái)的功率損耗等。但是，這種結構中LED在低頻開(kāi)關(guān)，故人眼可能會(huì )察覺(jué)到閃爍現象。此外，在這種設計中還需要加入LED保護措施，使其免受線(xiàn)路浪涌或瞬態(tài)的影響。
圖3：直接采用交流驅動(dòng)LED的示意圖 |
