[科普中国]-LED驱动电源

LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电源转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。

而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。

特点根据电网的用电规则和LED驱动电源的特性要求，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，有防水铝壳驱动电源，质量好的话不容易坏，减少维修次数。

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，也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。

3．高功率因数 功率因数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，也许会对功率因数方面有一定的指标要求。

4．驱动方式 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，会影响其他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，最好在恒流输出中增加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。

分类按驱动方式（1）恒流式

a、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，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高；

b、恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。

c、恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。

d、应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量；

（2）稳压式：

a、当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化；

b、稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。

c、以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均；

d、亮度会受整流而来的电压变化影响。

（3）脉冲驱动

许多LED应用都需要具备调光功能,比如LED背光或建筑照明调光。通过调整LED的亮度和对比度可以实现调光功能。简单地降低器件的电流也许能够对LED发光进行调整,但是让LED在低于额定电流的情况下工作会造成许多不良后果,比如色差问题。取代简单电流调整的方法是在LED驱动器中集成脉宽调制(PWM)控制器。PWM的信号并不直接用于控制LED,而是控制一个开关,例如一个MOSFET,以向LED提供所需的电流。PWM控制器通常在一个固定频率上工作并且对脉宽进行调整,以匹配所需的占空比。当前大多数LED芯片都使用PWM来控制LED发光,为了确保人们不会感到明显的闪烁,PWM脉冲的频率必须大于100HZ。PWM控制的主要优点是通过PWM的调光电流更加精确,最大程度地降低LED发光时的色差。1

（4）交流驱动

交流驱动器根据不同的应用也可分为降压型、升压型、变换器3种类型。交流驱动器和直流驱动器的区别除了需要对输入的交流屯进行整流滤波之外,从安全角度考虑还存在-个隔离和不隔离的问题。

交流输入驱动器主要用于改型灯:对十PAR(Parabolic Aluminum Reflector,碗碟状反射,是专业舞台上的一种常见灯具)灯、标准灯泡等而言,它们在100V、120V或230V的交流输入下运行;而对于MR16灯而言,则需要在12V的交流输入下工作。由于存在某些复杂的问题,如标准三端双向可控硅开关或前沿后沿调光器的调光能力问题,以及与电子变压器(从交流线电压生成MR16灯工作时的12V交流电)的兼容性问题(即无闪烁操作),因此,与直流输入驱动器相比,交流输入驱动器所涉及的领域更为复杂。1

交流供电(市电驱动)应用于LED驱动,一般要经过降压、整流、滤波、稳压(或稳流)等环节,使交流电源转换为直流电源,然后通过适合的驱动电路为LED提供合适的工作电流,还要有高的转换效率、较小的体积和较低的成本,同时解决安全隔离问题。考虑到对电网的影响,还要解决好电磁干扰和功率因数问题。对于中小功率的LED,其最佳电路结构是隔离式单端反激变换电路;对于大功率的应用,应该使用桥式变换电路。1

按电路结构（1）电阻、电容降压方式：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。易受电网电压波动的影响，电源效率低、可靠性低。

（2）电阻降压方式：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，降压电阻要消耗很大部分的能量，所以这种供电方式电源效率很低，而且系统的可靠也较低。

（3）常规变压器降压方式：电源体积小、重量偏重、电源效率也很低、一般只有45%～60%，所以一般很少用，可靠性不高。

（4）电子变压器降压方式：电源效率较低，电压范围也不宽，一般180～240V，波纹干扰大。

（5）RCC降压方式开关电源：稳压范围比较宽、电源效率比较高，一般可以做到70%～80%，应用也较广。由于这种控制方式的振荡频率是不连续，开关频率不容易控制，负载电压波纹系数也比较大，异常负载适应性差。

（6）PWM控制方式开关电源：主要由四部分组成，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。PWM开关稳压的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定（即相应稳压电源或恒流电源）。电源效率极高，一般可以做到80%～90%，输出电压、电流稳定。一般这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。

电源安装位置分类驱动电源按安装位置可分为外置电源和内置电源。

（1）外置电源

顾名思义，外置电源就是把电源安装在外面的。一般电压比较高，对人有安全危险的，就需要外置电源。与内置电源的区别就是电源加了一个外壳，常见的有路灯。

（2）内置电源

就是把电源安装在灯具内，一般都是电压比较低，12v到24v，对人没什么安全隐患。这个常见的有球泡灯。

提高效率技巧1.主电流回路PCB尽量短。LAYPCB的经验，及布局，这个没什么，快速的方法就是多看大厂的作品。

2.优化变压器参数设计，减少振铃带来的涡流损耗。这个比较难，先要把电磁基础知识掌握，设计合理的变压器，最要紧的是耐心，哪怕是想到能提高0.5%的效率，也要去尝试。

3.合理选用开关器件。这个就是成本和性能的平衡了，什么样的客户要求，用什么样的器件，但得合理。如果要效率，毫无疑问COOL MOS ，低VF输出二极管。

4.输入EMI部分优化设计如果过安规，这部分考究得比较多，主要就是经验了。

5.选择高效率的拓补结构这个是方案选型的开始，例如PWM和QR PFM，当前提客户提出效率要求，就要评估选什么样的拓补。

6.选择好的电解电容很多人忽略了这个，电解的损耗很大，陈永真老师有个文章中就有详细的解说。

7.启动部分功耗设计有效率的前提下，就要考虑，很多芯片都有HV启动脚，启动电流也越做越低，这点就是要对新型器件多了解，当然了，还有外加电路无损启动等，不适合LED驱动。

8.芯片辅助供电优化这点在ST的L6562D应用文档中有指出15V为最佳，但LED一般又为宽电压输出，所以我的选择是加一级线性稳压，使芯片工作在15V来降低损耗。1

LED驱动电源的发展现状在LED大放异彩的同时,LED驱动电源则是LED产业链发展的重中之重,LED驱动电源的寿命、可靠性直接影响了LED光源的长寿命。所以,在LED产业链不断整合发展的同时,LED驱动电源技术的成熟发挥着决定性因素。由于LED产业得到了飞跃式发展,己逐渐从政府机关照明方向转向民用照明,得益于国家近期出台的一系列鼓励发展LED产业的政策,但由此也带来了很多问题,LED驱动电源的问题便暴露出来。LED驱动电源市场与下游行业,特别是大功率LED路灯的发展密切相关,但随着LED各项性能参数的不断提升,LED照明市场逐步兴起,应用领域更加广泛,尤其是在2012年,行业目光从户外转向室内商用照明应用的同时,国内外市场与客户对LED驱动电源也有了更高的要求,特别是电源的效率、功率因数、寿命、恒流精度、电磁兼容等性能。由于LED的应用将逐步从政府工程主导转变为民用照明主导,LED的应用将逐步细分。虽然,号称单颗LED的寿命就长达10万小时的说法已爆破,但LED驱动电源确实还没有跟上LED的实际寿命。影响LED照明产品推广是由于LED驱动电源本身的寿命直接拖累LED照明灯具的寿命;或者驱动电源的效率不高导致LED照明灯具的效能转换低;亦或者是由于输出电流电压的不稳定影响了发光品质,使得LED照明的绿色节能优势大打折扣,从而影响了市场的普及。1

为了克服上述LED驱动电源的散热、寿命等问题,无电解电容LED驱动解决方案会成为市场的最终选择。未来的LED驱动电源将会朝着稳定安全、高效率、无电解电容、高度集成化小体积的趋势发展。

发展趋势(1)针对LED的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路，利用集成电路技术将每颗LED的输入电流控制在最佳电流值，使得LED能获得稳定的电流，并产生最高的输出光通量。LED驱动电源在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。

(2)LED驱动电源具有智能控制功能，使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。当负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。

(3)在控制电路电路设计方面，要向集中控制，标准模块化，系统可扩展性三方面发展。

(4)在LED光效和光通量有限的情况下，充分发挥LED色彩多样性的特点，开发变色LED灯饰的控制电路。

LED驱动电源的发展方向

LED具有很多优点，如环保、节能、体积小巧、寿命长等，这使得LED在未来的通用照明中将逐步取代传统的荧光灯和白炽灯。驱动电源性能是保证LED整体性能的关键，因此必须保证LED驱动电源具有小巧、长寿命、高可靠性等优点。LED的驱动有以下研究热点：

1.提高驱动电源的寿命

LED很重要的优点之一是使用寿命长，约为3万~10万小时。传统的LED驱动电源中含有电解电容，而电解电容的寿命比较短，约为5,000小时，这是制约LED驱动电源寿命的主要原因，因此在LED驱动电源中应尽可能不采用电解电容。2

2.提高驱动电源的输入功率因数，减小总谐波失真美国能源部发布的“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明文件中规定：任何功率等级都需要强制进行功率因数校正。这一标准适用于一系列的产品，如台灯、柜橱照明灯等等。其中，家庭住宅照明的LED驱动电源的功率因数必须大于0.7，商业照明中必须大于0.9。IEC61000-3-2谐波含量标准规定在大于25W功率等级的照明中应满足总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)小于35%，功率因数不小于0.7。这些标准的出台，对于LED照明的驱动电源的设计提出了更高的要求。2

3.减小驱动电源的体积

LED本身比较小巧，这对于便携式产品非常有利。LED的驱动电源也应该尽量小巧，使其能够顺利装入LED灯座。在设计过程中，应尽量减小驱动电源的体积。2

4.提高驱动电源的可靠性

在LED工作过程中，温度变高、器件老化等非人为因素会对LED本体造成致命的损坏。因此在LED驱动电源中应该加入过压保护、过流保护等保护电路，对意外事故进行应急处理，保证LED本体的安全工作。2

不足LED驱动电源存在不足的原因：

(1) 生产LED照明及相关的技术人员对开关电源的了解不够，做出的电源是可以正常工作，但一些关键性的评估及电磁兼容的考虑不够，还是有一定得隐患；

(2) 大部分LED电源生产都是从普通的开关电源转型过来做LED电源，对LED的特点及使用认识还不够；

(3) 关于LED的标准几乎没有，大部分都是参考开关电源和电子整流器的标准；

(4) 大部分LED电源没有统一，所以量大部分都比较小。采购量小，价格就偏高，而且元器件供应商也不太配合；

(5) LED电源的稳定性：宽电压输入，高温和低温工作，过温、过压保护等问题都没有一一解决1。

面临挑战第一：提高寿命，延长灯具使用时间。驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如：电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命；

第二：提高效率，提高灯具的光效。LED驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥；

第三：降低成本，提高可购买性。在功率较小（1-5W）的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。

电源设计LED驱动电源设计并不难，但一定要心中有数。只要做到调试前计算，调试时测量，调试后老化，相信谁都可以搞好LED。

1、LED电流大小

大家都知道LEDripple过大的话，LED寿命会受到影响，影响有多大，但没有具体的指标。

2、芯片发热

这主要针对内置电源调制器的高压驱动芯片，降低芯片的功耗，不要引入额外的功耗，做好散热。

3、功率管发热

关于这个问题，也见到过有人在论坛发过贴。功率管的功耗分成两部分，开关损耗和导通损耗。LED市电驱动应用，开关损害要远大于导通损耗。开关损耗与功率管的cgd和cgs以及芯片的驱动能力和工作频率有关，所以要解决功率管的发热可以从以下几个方面解决：

A、不能片面根据导通电阻大小来选择MOS功率管，因为内阻越小，cgs和cgd电容越大。

B、剩下的就是频率和芯片驱动能力了，这里只谈频率的影响。频率与导通损耗也成正比，所以功率管发热时，首先要想想是不是频率选择的有点高。当频率降低时，为了得到相同的负载能力，峰值电流必然要变大或者电感也变大，这都有可能导致电感进入饱和区域。如果电感饱和电流够大，可以考虑将CCM(连续电流模式)改变成DCM(非连续电流模式)，这样就需要增加一个负载电容了。

4、工作频率降频

降频主要由两个方面导致。输入电压和负载电压的比例小、系统干扰大。对于前者，注意不要将负载电压设置的太高，虽然负载电压高，效率会高点。对于后者，可以尝试以下几个方面：a、将最小电流设置的再小点；b、布线干净点，特别是sense这个关键路径；c、将电感选择的小点或者选用闭合磁路的电感；d、加RC低通滤波吧，这个影响有点不好，C的一致性不好，偏差有点大，不过对于照明来说应该够了。

5、电感或者变压器的选择

鉴于大功率发光二极管工作电压仅为3V,通过全桥整流将220V交流电变成直流电,在全桥上的电压降约为1.8V,只驱动一只发光二极管工作的电能 利用效率仅为60%。必须把3只以上发光二极管串联起来工作,才能使总的电能利用效率超过80%。
根据3基色合成白光原理,将红、绿、蓝3只1W大功率发光二极管串联起来工作,就可以获得相当于3W发白光的LED所达到的亮度 。同时还可以组合出6种彩色光线,满足人们对变换彩光的喜好。

注意事项根据电网的用电的特点，led特性的要求以及相关LED产品，在选择LED驱动电源时要考虑到以下几点：

总体原则

a、根据LED电流和电压特点，比较理想的是使用恒流驱动。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。

b、另外，LED光通量与温度成反比，所以使用中应尽量减少电源发热和设计良好的散热系统。从而降低LED工作的环境温度。

c、为了保证LED产品的整体寿命，必须将LED的结温控制在一定的范围内，也就是要控制好LED产品的工作环境温度。

1、高可靠性

LED产品主要是有LED芯片和电源，散热外壳，控制电路等组成。其中LED电源的好坏直接影响了产品的好坏。特别是LED路灯产品，由于装在高空，维修不方便，维修的花费也大。

2、高效率

LED是节能产品，驱动电源也要符合节能的要求。特别是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。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。

3、恒流驱动方式

为了配合LED的伏安特性，所以LED电源必须使用恒流驱动的方式。

4、浪涌保护

LED抗冲击能力比较差，所以要加强这方面的保护。特别是一些装在户外的产品，电网负载的启停和雷击都会对电源有冲击。因此LED驱动电源的输入端要有抑制浪涌的保护电路，避免开关瞬间损坏LED。

5、温度保护功能

电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED芯片温度负反馈，防止LED芯片PN结温度过高。

6、LED电源寿命

要提高LED驱动电源寿命，就需要从多方面来改善：使用较高寿命的电容，提高电源效率，做好电源的散热功能，优化灯具的散热设计。LED电源属于开关电源，开关电源的质量与可靠性取决于其电路设计，生产工艺，及器件的质量。电解电容是大功率开关电源中必不可少的组成部分。 而开关电源的正常工作寿命要取决于电源所使用的电解电容的寿命，电解电容的寿命又取决于电容本身的寿命及工作温度，电解电容在不同的温度下其工作寿命差异很大。

7、工作环境

由于各个地方环境的不同，要着重考虑LED灯具工作场所的环境，如：温度、湿度、安装位置等。

考虑到电源的工作方式，如果不加软启动电路，通电瞬间，输出会有一个电压尖峰。为更好的保护LED，所以需要加软启动电路。这一点正是驱动电源稳定性的一个关键因素2。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学