LED 驱动器设计技术基础

LED 的排列方式及LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED 的电流， 而无论输入及输出电压如何变化。最常用的是采用变压器来进行电气隔离。文中论述了LED照明设计需要考虑的因素。

一、LED驱动器通用要求

驱动LED 面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供应商的LED 正向电压也会有差异;另外，LED 的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。

另外，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED 的排列方式问题。各种排列方式中， 首选驱动串联的单串LED， 因为这种方式不论正向电压如何变化、 输出电压(Vout)如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。

当然，用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED 正向电压的应用，并获得其它优势。如在交叉连接中，如果其中某个LED 因故障开路，电路中仅有1 个LED 的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。

图1、常见的LED排列方式

LED 的排列方式及LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED 驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED 的电流，而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器基本的工作电路示意图如图2 所示，其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接，最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离”则没有采用高频变压器来电气隔离。

图2、LED驱动器的基本工作电路示意图

值得一提的是，在LED 照明设计中，AC-DC 电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置：

1)整体式(integral)配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效及简化安装等;

2)分布式(distributed)配置，即两者单独存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。

LED 驱动器根据不同的应用要求，可以采用恒定电压(CV)输出工作，即输出为一定电流范围下钳位的电压;也可以采用恒定电流(CC)输出工作，输出的设计能严格限定电流;也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作，即提供恒定输出功率，故作为负载的 LED 的正向电压确定其电流。

总的来看，LED 照明设计需要考虑以下几方面的因素：

输出功率：涉及LED 正向电压范围、电流及LED 排列方式等

电源：AC-DC 电源、DC-DC 电源、直接采用AC 电源驱动?

功能要求：调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制

其他要求：能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性等?

更多考虑因素：机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等?

二、LED驱动电源的拓扑结构

采用AC-DC 电源的LED 照明应用中，电源转换的构建模块包括二极管、开关(FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。

电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC 电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，参见图3，其中反激拓扑结构是功率小于30 W 的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言，其尺寸的大小与开关频率有关，且多数隔离型 LED 驱动器基本上采用“电子”变压器。

图3、常见的隔离式拓扑结构

采用 DC-DC 电源的LED 照明应用中，可以采用的LED 驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，基本的应用示意图参见图 4。电阻型驱动方式中，调整与LED 串联的电流检测电阻即可控制LED 的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容(EMC)问题，劣势是依赖于电压、需要筛选(binning) LED，且能效较低。

线性稳压器同样易于设计且没有EMC 问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，且提供外部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过PWM 控制模块不断控制开关(FET)的开和关，进而控制电流的流动。

图4、常见的DC-DCLED驱动方式

开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰(EMI)问题。LED DC-DC 开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SEPIC)等不同类型。

其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED 串最大电压时采用降压结构，如采用24 Vdc 驱动6 颗串联的LED;与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12 Vdc 驱动 6 颗串联的LED;而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC 结构，如采用12 Vdc 或12 Vac 驱动 4 颗串联的LED，但这种结构的成本及能效最不理想。

采用交流电源直接驱动LED 的方式近年来也获得了一定的发展， 其应用示意图参见图5。这种结构中LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免AC-DC 转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中LED 在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入LED 保护措施，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。

图5、直接采用交流驱动的LED示意图