LED驅(qū)動設(shè)計談：驅(qū)動方式、器件選型、紋波抑制

　　要普及LED燈具，不但需要大幅度降低成本，更需要解決技術(shù)性的問題。如何設(shè)計出高效可靠且低成本的LED驅(qū)動器是其中的關(guān)鍵。

　　主流的幾種LED驅(qū)動方式

　　1、阻容降壓

　　利用電容在交流下的阻抗來限制輸入電流，從而獲得直流電平給LED供電。這種驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但是輸入非隔離方案，有安全隱患。而且轉(zhuǎn)換效率很低，無法做到恒流控制。

　　2、隔離反激電路

　　利用反激電路，通過變壓器在副邊產(chǎn)生直流電平，再通過光耦將此電平的紋波反饋回原邊，從而自激穩(wěn)定。此類電路符合安規(guī)認(rèn)定要求，而且輸出恒流精度較好，轉(zhuǎn)換效率較高。但由于需要光耦和副邊恒流控制電路，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，體積大，成本高。目前已逐漸為原邊方案取代。

　　3、原邊方案

　　原邊方案就是通過完全在交流原邊控制輸出的電源和電流，最精確可以做到5%的恒流精度，副邊僅需簡單的輸出電路即可。原邊主要依靠輔助邊的反饋來控制輸出電壓，依靠限流電阻對原邊電流的控制，同時乘以匝比來控制輸出電流的精度。原邊方案繼承了隔離反激電路的種種優(yōu)點，同時架構(gòu)簡單，可以做到小體積和低成本，目前已成為主流驅(qū)動。

　　原邊的恒流精度問題：由于變壓的生產(chǎn)精度難以控制，導(dǎo)致原邊方案在使用低質(zhì)量變壓器時，輸出電流漂移較大。所以，原邊方案通過改進(jìn)增加了副邊恒流控制電路，這樣雖然比普通的原邊方案復(fù)雜了，但是對比反激方案，仍然可以省去光耦等，系統(tǒng)性價比最高。

　　LED驅(qū)動電源設(shè)計考慮要素

　　根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED驅(qū)動電源的特性要求，在選擇和設(shè)計LED驅(qū)動電源時要考慮到以下幾點：

　　1、高可靠性

　　特別像LED路燈的驅(qū)動電源，裝在高空，維修不方便，維修的花費也大。

　　2、高效率

　　LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)，尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

　　3、高功率因素

　　功率因素是電網(wǎng)對負(fù)載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒有強制性指標(biāo)。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點燈，同類負(fù)載太集中，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染。對于30瓦——40瓦的LED驅(qū)動電源，據(jù)說不久的將來，也許會對功率因素方面有一定的指標(biāo)要求。

　　4、驅(qū)動方式

　　現(xiàn)在通行的有兩種：其一是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路LED供電。這種方式，組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個LED故障，不影響其他LED運行的問題。這兩種形式，在一段時間內(nèi)并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向。

　　5、浪涌保護

　　LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。

　　6、保護功能

　　電源除了常規(guī)的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋，防止LED溫度過高。

　　7、防護方面

　　燈具外安裝型，電源結(jié)構(gòu)要防水、防潮，外殼要耐曬。

　　8、驅(qū)動電源的壽命要與LED的壽命相適配。

　　9、要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。

　　隨著LED的應(yīng)用日益廣泛，LED驅(qū)動電源的性能將越來越適合LED的要求。

　　LED驅(qū)動器件選型注意事項

　　以下是電源管理IC領(lǐng)導(dǎo)廠商PowerIntegrations公司的專家DougBailey分享的高效高可靠LED驅(qū)動設(shè)計的一些心得。

　　1、不要使用雙極型功率器件

　　DougBailey指出由于雙極型功率器件比MOSFET便宜，一般是2美分左右一個，所以一些設(shè)計師為了降低LED驅(qū)動成本而使用雙極型功率器件，這樣會嚴(yán)重影響電路的可靠性，因為隨著LED驅(qū)動電路板溫度的提升，雙極型器件的有效工作范圍會迅速縮小，這樣會導(dǎo)致器件在溫度上升時故障從而影響LED燈具的可靠性，正確的做法是要選用MOSFET器件，MOSFET器件的使用壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于雙極型器件。

　　2、盡量不要使用電解電容

　　LED驅(qū)動電路中到底要不要使用電解電容？目前有支持者也有反對者，支持者認(rèn)為如果可以將電路板溫度控制好，依次達(dá)成延長電解電容壽命的目的，例如選用105度壽命為8000小時的高溫電解電容，根據(jù)通行的電解電容壽命估算公式“溫度每降低10度，壽命增加一倍”，那么它在95度環(huán)境下工作壽命為16000小時，在85度環(huán)境下工作壽命為32000小時，在75度環(huán)境下工作壽命為64000小時，假如實際工作溫度更低，那么壽命會更長！由此看來，只要選用高品質(zhì)的電解電容對驅(qū)動電源的壽命是沒有什么影響的！

　　還有的支持者認(rèn)為由無電解電容帶來的高紋波電流而導(dǎo)致的低頻閃爍會對某些人眼造成生理上的不適，幅度大的低頻紋波也會導(dǎo)致一些數(shù)碼像機設(shè)備出現(xiàn)差頻閃爍的亮暗柵格。所以，高品質(zhì)光源燈具還是需要電解電容的。不過反對者則認(rèn)為電解電容會自然老化，另外，LED燈具的溫度極難控制，所以電解電容的壽命必然會減少，從而影響LED燈具的壽命。

　　對此，DougBailey認(rèn)為，在LED驅(qū)動電路輸入部分可以考慮不用電解電容，實際上使用PI的LinkSwitch-PH就可以省去電解電容，PI的單級PFC/恒流設(shè)計可以讓設(shè)計師省去大容量電容，在輸出電路中，可以用高耐壓陶瓷電容來代替電解電容從而提升可靠性，“有的人在設(shè)計兩級電路的時候，在輸出采用了一個400V的電解電容，這會嚴(yán)重影響電路的可靠性，建議采用單級電路用陶瓷電容就可以了?！彼麖娬{(diào)。“對于不太關(guān)注調(diào)光功能、高溫環(huán)境及需要高可靠性的工業(yè)應(yīng)用來說，我強烈建議不采用電解電容進(jìn)行設(shè)計?！?

　　3、MOSFET的耐壓不要低于700V

　　耐壓600V的MOSFET比較便宜，很多認(rèn)為LED燈具的輸入電壓一般是220V，所以耐壓600V足夠了，但是很多時候電路電壓會到340V，在有浪涌的時候，600V的MOSFET很容易被擊穿，從而影響了LED燈具的壽命，實際上選用600VMOSFET可能節(jié)省了一些成本但是付出的卻是整個電路板的代價，所以，“不要選用600V耐壓的MOSFET，最好選用耐壓超過700V的MOSFET.”他強調(diào)。

　　4、盡量使用單級架構(gòu)電路

　　Doug表示有些LED電路采用了兩級架構(gòu)，即“PFC（功率因數(shù)校正）+隔離DC/DC變換器”的架構(gòu)，這樣的設(shè)計會降低電路的效率。例如，如果PFC的效率是95%，而DC/DC部分的效率是88%，則整個電路的效率會降低到83.6%!“PI的LinkSwitch-PH器件同時將PFC/CC控制器、一個725VMOSFET和MOSFET驅(qū)動器集成到單個封裝中，將驅(qū)動電路的效率提升到87%!”Doug指出，“這樣的器件可大大簡化電路板布局設(shè)計，最多能省去傳統(tǒng)隔離反激式設(shè)計中所用的25個元件！省去的元件包括高壓大容量電解電容和光耦器。”Doug表示LED兩級架構(gòu)適用于必須使用第二個恒流驅(qū)動電路才能使PFC驅(qū)動LED恒流的舊式驅(qū)動器。這些設(shè)計已經(jīng)過時，不再具有成本效益，因此在大多數(shù)情況下都最好采用單級設(shè)計。

　　5、盡量使用MOSFET器件

　　如果設(shè)計的LED燈具功率不是很高，Doug建議使用集成了MOSFET的LED驅(qū)動器產(chǎn)品，因為這樣做的好處是集成MOSFET的導(dǎo)通電阻少，產(chǎn)生的熱量要比分立的少，另外，就是集成的MOSFET是控制器和FET在一起，一般都有過熱關(guān)斷功能，在MOSFET過熱時會自動關(guān)斷電路達(dá)到保護LED燈具的目的，這對LED燈具非常重要，因為LED燈具一般很小巧且難以進(jìn)行空氣散熱。

　　LED驅(qū)動設(shè)計中抑制紋波的5種方法

　　LED驅(qū)動設(shè)計中，對于紋波，理論上和實際上都是一定存在的，通常抑制或減少它的做法有五種。

　　輸出紋波是指直流電源輸出時，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。用示波器來看，會看到電壓上下輕微波動，就像水紋一樣，所以叫做紋波。通常抑制或減少它的做法有如下幾種：

　　1、加大電感和輸出電容濾波

　　根據(jù)LED驅(qū)動電源的公式，電感內(nèi)電流波動大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

　　輸出紋波與輸出電容的關(guān)系：vripple=Imax/（Co×f）。可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。

　　通常的做法，對于輸出電容，使用鋁電解電容以達(dá)到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR也比較大，所以會在它旁邊并聯(lián)一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。

　　同時，LED驅(qū)動電源工作時，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開關(guān)變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端（以BucK型為例，是SWITcH附近），并聯(lián)電容來提供電流。

　　2、二級濾波，就是再加一級LC濾波器

　　LC濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。但是，這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點。

　　采樣點選在LC濾波器之前（Pa），輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當(dāng)有電流輸出時，在電感上會有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。

　　3、LED驅(qū)動電源輸出之后，接LDO濾波

　　這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變原有的反饋系統(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO都有一項指標(biāo)：噪音抑制比。

　　經(jīng)過LDO之后，紋波一般在10mV以下。

　　4、在二極管上并電容C或RC

　　二極管高速導(dǎo)通截止時，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間，等效電感和等效電容成為一個RC振蕩器，產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻一般取10Ω-100Ω，電容取4.7pf-2.2nf.

　　在二極管上并聯(lián)的電容C或者RC,其取值要經(jīng)過反復(fù)試驗才能確定。如果選用不當(dāng)，反而會造成更嚴(yán)重的振蕩。

　　5、二極管后接電感（EMI濾波）

　　這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對產(chǎn)生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實際的要求。