LED灯具驱动电源的设计经验总结

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LED灯具驱动电源的设计经验总结

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简介

目前led照明驱动电源的五大市场需求趋势可归结为：高效率、高可靠性、对调光与非调光广泛的应用兼容性、体积越来越小、无光耦。LED灯具要普及，不但需要大幅度降低成本，更需要解决能效和可靠性的难题，如何解决这些难题，PowerIntegrations市场营销副总裁DougBailey分享了高效高可靠LED灯具设计的五点忠告。

步骤/方法

1. 不要使用双极型功率器件　　
9 F( N9 l, F/ \8 V8 K8 `) d2 h由于双极型功率器件比MOSFET便宜，一般是2美分左右一个，所以一些设计师为了降低LED驱动成本而使用双极型功率器件，这样会严重影响电路的可靠性，因为随着LED驱动电路板温度的提升，双极型器件的有效工作范围会迅速缩小，这样会导致器件在温度上升时故障从而影响LED灯具的可靠性，正确的做法是要选用MOSFET器件，MOSFET器件的使用寿命要远远长于双极型器件。　　

2. MOSFET的耐压不要低于700V　　
1 m& d9 d* ]4 L耐压600V的MOSFET比较便宜，很多认为LED灯具的输入电压一般是220V,所以耐压600V足够了，但是很多时候电路电压会到340V,在有浪涌的时候，600V的MOSFET很容易被击穿，从而影响了LED灯具的寿命，实际上选用600VMOSFET可能节省了一些成本但是付出的却是整个电路板的代价，所以，“不要选用600V耐压的MOSFET,最好选用耐压超过700V的MOSFET.”他强调。　　

3. 尽量不要使用电解电容　　
9 v9 I- S" G: U: S, L* ?0 }LED驱动电路中到底要不要使用电解电容？目前有支持者也有反对者，支持者认为如果可以将电路板温度控制好，依次达成延长电解电容寿命的目的，例如选用105度寿命为8000小时的高温电解电容，根据通行的电解电容寿命估算公式“温度每降低10度，寿命增加一倍”,那么它在95度环境下工作寿命为16000小时，在85度环境下工作寿命为32000小时，在75度环境下工作寿命为64000小时，假如实际工作温度更低，那么寿命会更长！由此看来，只要选用高品质的电解电容对驱动电源的寿命是没有什么影响的！　　
: j9 Q6 T& T8 v! X6 c+ }还有的支持者认为由无电解电容带来的高纹波电流而导致的低频闪烁会对某些人眼造成生理上的不适，幅度大的低频纹波也会导致一些数码像机设备出现差频闪烁的亮暗栅格。所以，高品质光源灯具还是需要电解电容的。不过反对者则认为电解电容会自然老化，另外，LED灯具的温度极难控制，所以电解电容的寿命必然会减少，从而影响LED灯具的寿命。

对此，在LED驱动电路输入部分可以考虑不用电解电容，实际上使用PI的LinkSwitch-PH就可以省去电解电容，PI的单级PFC/恒流设计可以让设计师省去大容量电容，在输出电路中，可以用高耐压陶瓷电容来代替电解电容从而提升可靠性，“有的人在设计两级电路的时候，在输出采用了一个400V的电解电容，这会严重影响电路的可靠性，建议采用单级电路用陶瓷电容就可以了。”他强调。“对于不太关注调光功能、高温环境及需要高可靠性的工业应用来说，我强烈建议不采用电解电容进行设计。”　　

4. 尽量使用MOSFET器件　　

如果设计的LED灯具功率不是很高，Doug建议使用集成了MOSFET的LED驱动器产品，因为这样做的好处是集成MOSFET的导通电阻少，产生的热量要比分立的少，另外，就是集成的MOSFET是控制器和FET在一起，一般都有过热关断功能，在MOSFET过热时会自动关断电路达到保护LED灯具的目的，这对LED灯具非常重要，因为LED灯具一般很小巧且难以进行空气散热。“有的时候会发生LED因过热燃烧伤人的情况，但是我们的方案从来不会这样的。”他表示。　　

5. 尽量使用单级架构电路　　
有些LED电路采用了两级架构，即“PFC（功率因数校正）+ 隔离DC/DC变换器”的架构，这样的设计会降低电路的效率。例如，如果PFC的效率是95%,而DC/DC部分的效率是88%,则整个电路的效率会降低到83.6%!“PI的LinkSwitch-PH器件同时将PFC/CC控制器、一个725VMOSFET和MOSFET驱动器集成到单个封装中，将驱动电路的效率提升到87%!”“这样的器件可大大简化电路板布局设计，最多能省去传统隔离反激式设计中所用的25个元件！省去的元件包括高压大容量电解电容和光耦器。”LED两级架构适用于必须使用第二个恒流驱动电路才能使PFC驱动LED恒流的旧式驱动器。这些设计已经过时，不再具有成本效益，因此在大多数情况下都最好采用单级设计。

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LED驱动电源的技术方案

简介

什么是LED ? LED（Light Emitting Diode），又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流

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方法/步骤

1. 什么是LED ?

LED（Light Emitting Diode），又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。

2.LED有哪些优点?

★ 高效节能　一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电）
★ 超长寿命　半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）
7 M9 l3 _4 Y, X3 Q★ 光线健康　光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线中含有紫外线和红外线）
★ 绿色环保　不含汞和氙等有害元素，利于回收和利用，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰）
★ 保护视力　直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）
★ 光效率高,发热小:90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能）
+ \0 P* y$ e) S4 w) s* d( H! ]★ 安全系数高　所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，可用于矿场等危险场所
★ 市场潜力大　低压、直流供电，电池、太阳能供电即可，可用于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。

3.
. e# O6 ]) b+ Y8 s: d. Y  ^" ]  Z权威预测
! D9 V5 A3 M! O* L- D6 q! |" H半导体照明将在未来5-10年内取代现有传统光源。
1 I* G6 s/ p' w( Y"未来白光LED将更加便宜，市场总体容量将快速增长。"许志鹏乐观地指出，据美国能源部预测，2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被LED替代，可能形成一个500亿美元的大产业。而日本提出，LED将在今年大规模替代传统白炽灯。日、美、欧、韩等国均已正式启动LED照明战略计划。
( e8 i% [5 D8 A2 N% t4 Q7 A美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯将被嵌在芯片上的发光体---半导体灯替代。
  C! {* C- N7 d6 u  i日本计划到2008年用这种半导体灯替代50%的传统照明灯具。科学家测量发现，在同样亮度下，LED的电能消耗仅为白炽灯的1／10，寿命则是白炽灯的100倍。由于ＬＥＤ具有节能、环保、寿命长、体积小等优点，专家们称其为人类照明史上继白炽灯和荧光灯之后的又一次飞跃。根据美国能源部（DOE）的预计，传统照明器件的彻底更新换代将在2010年开始启动，然而许多LED供应商都希望将这个启动时间再提前一到两年。

4.继澳大利亚 欧盟欲让白炽灯两年内"下课" 2007-3-16

2007年3月9日，在英国伦敦街头，成串的彩灯闪烁。刚刚结束的欧盟首脑会议通过了一系列旨在提高能效的措施。9日结束的欧盟春季首脑会议已经达成协议，两年内欧洲各国将逐步用节能荧光灯取代能耗高的老式白炽灯泡，以减少温室气体排放。在这之前，澳大利亚已率先通过停止使用白炽光灯泡法令。

5.LED照明产值将超千亿美元 同方正发力

同方股份副总裁兼董秘孙岷近日向记者透露，公司的高亮度LED照明项目已基本实现产业化，目前已经有20条生产线投产，其产业化技术达到世界先进水平，规划2008年年底生产线将达到50条，形成绿色照明的规模化效应。预计我国2008年应用市场规模将达540亿元，到2010年，中国半导体照明及相关产业产值将超过1000亿美元的规模，其中高亮度芯片国内增长率将高达100％。

6.首尔半导体期望能取得全球照明市场之中1,000亿美元的份额。

韩国首尔半导体公司现正计划用LED取代传统的照明灯，目前Acriche 60流明/瓦特的亮度在2007年第四季提升五成至80流明/瓦特,
: U' `" y5 p2 F+ g而每一模组为250流明; 在2008年第四季达至120流明/瓦特, 而每一模组为400流明, 期望能取得全球照明市场之中1,000亿美元的份额。

7.澳大利亚与新西兰将率先停止使用白炽光灯泡

澳大利亚政府最近宣布，为了减少温室气体的排放量，澳大利亚将禁止除医疗用以外的白炽灯的使用。据此，到2012年时澳大利亚将减少400万吨温室气体的排放。
, ^  f; D9 ]/ b5 T, r而据2007年2月21日《The Dominion Post》报道，新西兰能源部长David
Parker建议参照澳大利亚的做法，新西兰也应在未来两到三年内禁止使用普通白炽光灯泡，用节能环保的荧光灯泡（Florescent Eco
. e$ \' E& P0 A5 [& KBulb）取代。澳大利亚环境部长Malcolm
Turnbull说，澳大利亚2010年将推行新的民用照明标准，通过新标准的实施，2012年可减少温室气体排放400万吨。
% [, G* P' E' ], B据悉，这种新型荧光灯泡主要从中国进口。

8.为什么首选楼道灯来应用LED

1， 目前比较而言，LED的售价还较高，楼道灯是共用设施，共同承担大家就能接受。
$ _7 `4 u$ {& \: R$ M2， 楼道灯现在普遍是使用白炽灯，若换用LED灯，节电的效果就特别明显。
  ~1 v" x" V! u" G+ ~3， 楼道灯在白天是熄灭的。晚上就频繁的启动或关断。不要说是节能灯，就是白炽灯都会很快的玩完。但是LED灯却是不怕，因为它的发光机理与白炽灯和节能灯都不同，就恰恰非常的适应在高速的开关工作状态，绝对不会因为是这个原因而损坏。
2 ~7 }5 A! r- @4，LED灯的寿命很长，就免除了楼道灯经常需要维修的尴尬状况。
5， 楼道灯是物业交电费,投入是一次性的,节约80%的电费是长期的,物业部门最合算。

9. LED灯能直接替换现在的楼道灯吗？
不能。由于现在大家使用的楼道灯是白炽灯，根本就无法用LED灯或节能灯去替换，所以如果要换用LED灯就必须也要同时换用声光控开关。现在有专用的一体化的LED声光控楼道灯，直接就使用220V的市电，非常方便使用。我们将强烈建议楼道灯的使用电压用直流的24V，其好处和原因我们会另文介绍。随着技术发展和成本的降低，LED灯取代节能灯也就成为必然的了。

10. ​LED驱动电源的分类及特性

1、按驱动方式可分为两大类：
（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；
2 e& v* X1 v, b) w0 z+ L! Kb、恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。
9 k, U- W7 e3 Z. P9 nc、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。
# b) F; R+ l2 H6 G6 u, U# J! Zc、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。2、按电路结构方式分类
" s7 H( d- r9 u% Y1 A9 ~: w（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。
" {: B( T$ a" o. Z. d# o8 W（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。
. S( H4 @; z1 [& @) o（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。
/ |2 H+ b- c; r（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。
. N7 O1 N8 F+ Z. Z（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。

从以上介绍可以看出PWM控制方式设计的LED电源是比较理想的LED电源。目前珠海市南宇星电子公司生产的"金兴"牌LED开关电源就是PWM控制技术的开关电源，该类LED电源经用户使用反映效果很好。

一、刚刚开始起步成本高
照明成本不仅涉及灯具的初始成本，还涉及灯具所消耗的能源成本，灯具无法正常工作时更换灯具所需的劳动成本，以及所需灯具更换的平均频率。从这一概念出发就很容易理解，为什么LED光源是白炽灯光源价格的50倍左右时，LED交通信号灯的市场就开始启动，而当达到28倍时，就已形成新兴产业。目前半导体照明主要以光色照明和特殊照明为主，以后将向普通照明扩展。具体来讲，近几年内，半导体照明市场将广泛应用在各种信号灯、景观照明、橱窗照明、建筑照明、广场和街道的美化、家庭装饰照明、公共娱乐场所美化和舞台效果照明等领域。事实上，我们身边已经随处可见它的身影：电脑显示灯、手机按键和屏幕的背光源、汽车尾灯、建筑物灯光、交通信号灯……等等。

二、不一致性带来的问题：
  z: B2 Q0 E; p5 l理论上LED都一样，都是能发光的二极管，而实际上所有LED的电性能都是有差异的，众多的厂家都在抢生产进度、抓数量；每个厂家的生产工艺是不一致的，甚至相差很大，就是同一厂家的不同时间的工艺都是有差异的；生产发光二极管的半导体材料的纯度要求非常高，不同厂家使用的半导体原材料的纯度是有差异的，这就使LED的发光强度与驱动电流是不完全相同的，或者相差很大，而且耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了；由于封装工艺和封装材料的不同，使得整体的散热能力是不一样的，所有的厂家都在研究和开发新材料，以求解决组合材料的热彭胀与散热的问题。由此不难看出,LED发光二极管在短期内仍存在个体之间的很大的差异，如果每个灯只用一个LED，那是很好控制的，而且是真正的长寿命，例如电视机、DVD上的电源指示灯就是如此；而当我们用LED制作照明灯具时，就不是用单个的LED，而是用多个，或上百上千个LED排成阵列接入电路，再者，需要的亮度就不是指示灯所能做到的，而电流大了、小了亮度都要减弱，且会使寿命大打折扣，甚而致于未出厂就坏掉了；因LED的差异性总是存在的，在多个LED组成的连路中，当有几个坏掉时(通常是短路)，会使电流增大而损坏其他的LED。这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。

三、驱动电路复杂成本高、故障率高
0 y- z0 A* ~6 E- \: O2 n2 Ua.在电压匹配方面，LED不象普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是2--3.伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。
b.在电流供应方面，LED的正常工作电流在15mA-18mA，供电电流小于15mA时LED的发光强度不够，而大于20mA时，发光了强度也会减弱，同时发热大增，老化加快、寿命缩短，当超过40mA时会很快损坏。为了延长LED照明灯的使用寿命，简易电源是不能使用的，而常用集成电路电源、电子变压器、分离元件电源等，但都要设计恒流源电路和恒压源电路供电的方式，大电流驱动时，要配大功率管或可控硅器件，另加保护电路，这样就使LED的电源供应器电路很复杂，故障率增加。元件成本、生产成本、服务成本都将升高。而目前LED本身的成本就高，加上电源的成本，这就大大地限制了市场的竞争力与购买群体，LED照明灯的优势大打折扣，这也是制约其发展与普及的又一关键问题。

四、解决问题的方法与可行性分析：
, s2 w4 X5 b4 x解决问题的方法可用自复位过流保护器WHPTC元件，如果用WHPTC过流保护器作保护，将是另外一种结果，从原理可知，当电路的电流超过规定值时会讯速的自动保护，在排除故障后又自动复位，无需人工更换。对LED而言，电压的变化不是LED损坏的直接原因，而电流的增大才是LED的真正杀手。显而易见，利用WHPTC的这个特性，在LED的电路保护上具有绝对的优势，让简易电源供电变为现实。实践证明，在LED电路出现故障以前就有效保护了。在简易电源上，这个优势特别突出。对如下3图分析可见，因有了WHPTC后可省去恒流、恒压电路， LED的质量也提高了。器件成本、生产成本、故障率、服务成本等，都大大降低。也大大增加了产品的市场竞争力。所以谁先使用WHPTC，谁先占领市场。

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