LED照明电源驱动技术探讨

LED照明电源驱动技术探讨

甘伟

关键词：LED；驱动电源技术；电源设计可靠性

前言

作为第四代光源，LED具有以下特点：1、发光效率高，能量消耗低；2、安全，环保、寿命长，可靠性高；3、单色性能好，色彩丰富；4、体积小，重量轻，可以灵活地排列搭配使用。5、响应时间短，LED的响应时问只有数十纳秒。LED市场所应用的领域越来越广泛，包括景观照明、普通白光照明、汽车仪表照明、手机背光源以及对亮度要求不高的特殊照明等。

人们在应用LED的同时，对其寿命也日益重视。但灯的寿命由驱动电源决定，驱动电源可靠性不足，导致灯出现故障，有关数据表明，

LED的寿命与驱动电源的寿命比为5：1。要推广应用LED灯照明装置，必须有效解决驱动电源问题。文章对LED驱动电源技术及其可靠性进行深入探讨。

1LED照明电源的技术要求

与LED照明相匹配的电源，应当满足具有以下技术要求：

（1）大功率LED灯具产品要求高功率因数，总谐波失真小。

通过整流二极管，电力进行输入，这期间所产生的电压、电流波形之间会出现巨大相位差，降低了功率因数，并且这个过程中会出现很多

谐波，造成电网污染，影响了供电效率的实现。灯具的ERP指令对功率因数有相关要求：功率小于等于2W，无功率因数要求；2W至5W，功率因数大于0.4；5W至25W，PF值大于0.5；功率大于25WPF值大于0.9。国标CCC和欧盟标准都要求功率大于25W的LED灯具须满足积次谐波标准。

（2）可靠性高。

LED照明所匹配的驱动电源，应当具有较高的抑制电流性能，方能控制LED波纹电流，防止器件温升，提高电路抗浪涌能力。

（3）效率高。

LED驱动电源，如功率不能成功转化为光能，会变成热能后消散，导致有效功率减小。但如电源转化效率不高，容易导致元器件温升，影响电路正常运行。

（4）电源恒流。LED电源必须恒流，以保证LED发光强度达到理想状态，避免因电流原因，导致LED发光特性受到影响。

（5）寿命长。LED寿命主要受到驱动电源的影响，而决定驱动电源的关键性器件是电解电容，电解电容的寿命，决定了驱动电源的寿命，因此，必须通过相关的研究测试，使到驱动电源的寿命增加。

2LED发光原理与驱动技术分析

2.1LED发光原理

深入分析LED发光原理，是在LED两边，加入正向电压，之后使到N区的电子注入P区，P区的空穴流入N区，大、小量的载流子能相互复合，产生发光效果。若在P区发光，由注入电子能与空穴相互复合。处在非发光区域内，也有相应电子存在，这些是看不到的光。

对于非发光复合，要使LED光量子能够高效率发挥，需要有发光的复合量也达到较高的水平。

LED之所以能够发光，是通过光与电转换的结果，当LED处在工作状态时，电流将会从阳极向阴极方向流入。如禁带有足够宽度时，能产生大能量，光子波长会缩短，这主要因为半导体晶体存在差异造成，因此，LED的光线强度和颜色也是不一样的。

2.2LED照明电源驱动技术

LED的光亮程度受到输入电流的制约，为提高光亮度，可对LED进行连接，通过采用相应的连接方法，有效解决LED电流值问题。

如采驱动方法，在LED上安装调整器，由于调整器属于线性的，价格低，工作效率会降低。

为保证LED电流、电压达到规定要求，可在LED前端处安设开关，并连接电压调整器。这种驱动方法，对电压源的精度、稳定性没有太高要求，LED串联数量不会对IC构成影响。

需要让开关电源的输出以恒流驱动的方式进行，将BUCK以及BOOST电路的作用发挥出来，让升、降压的工作顺利完成，使LED供电系统的设计更具灵活性。

3LED照明电源工作原理分析

LED驱动电源是把外部供电转换为特定的电压和电流的转换器。如见一般给用户产品供电的模式有五种低压直流（电池）、高压直流（高压电源）、低压高频交流（电子变压器等）、高压低频交流（市电）和低压低频交流（工频变压器等）。而LED驱动电源大多数为输出电压可随LED负载正向电压变化而变化的横流源，如今比较常见的LED照明驱动电源电路主要有4种。

3.1BUCK电路

BUCK电路，能够实现降压式变换，其主要由电源切换开关、低通滤波器、二极管组成。开关管导通后，输入电压会影响电感和负载，这种影响作用是通过低通滤波器、开光管等实现的。

电感压降导致电感电流升高，产生磁场储存能量。在向负载提供电流时，还可给电容充电。

开光管关闭后，电感两侧的电压极性出现反转，使得二极管能够导通，以二极管作为媒介，电容储能会负载产生影响。转换过程中，电感和电容是能够将能量储存起来的，还能够过滤掉高压脉冲高频成分，输入的电压要明显高于输出的电压。

3.2BOOST电路

BOOST电路与BUCK电路不同，是一种升压式的变换电路，可以让有源开关、无源开关二极管、电感器以及电容器等发生改变。当输出电容与额定输出电压相等时，电感会受到有源开关的影响和作用，电感电流增多，进而形成磁场储存能量。电平较低，二极管会出现反向的截止，能量可以通过电容作用于负载，同时将储能输出给电感。将有源开关关闭时，电感电压极性也会反转，二极管能够获得较高的电平，进而达到导通的目的，能量通过电感作用与负载，同时为电容充电。在电感电压的影响下，输入、输出间有一定的电压差，通常而言，输出电压要明显高于输入电压。

3.3反激式准谐振电路

反激式准谐振电路是将上述2个电路结合形成的，开关管导通时，电感电流会通过，可以储存能量。变压器的初级绕组与次级绕组极性是存在差异的，因此会截止开关二极管低电平，电压不会对负载产生作用。关闭开关管时，电感极性相反，二极管导通，电压会给电容充电，对负载产生作用。高频变压器能够实现隔离、储能的效果。有直流电流通过时会出现去磁的情况，变压器不能饱和，在储存释放时，变压器能量可以传输初级、次级回路的能量，使输出电流的方式更加稳定。

3.4LLC谐振电路

LLC转换器是一种新型产品，通过对LLC谐振电路进行设计，

可增加LED驱动电源效果，开关主要是场效应晶体管，使其对正弦电压、电流产生作用，降低电路损耗，提升电源效率。

LLC转换器在谐振电路的作用下产生正弦电压、电流，打开或者关闭开关时，电压与电流可以与开光一样，能够做到过零点同步进行，在谐振电器中加入变压器，作为并联电感，变压器能够达到隔离的目的。

4LED驱动电源设计

4.1拓扑结构电路

LED驱动电源的电路结构包括隔离和非隔离两种，应用拓扑电路可有效提升电源效率。一般情况下，拓扑电路主要采取非隔离方法，当中所涉及的半桥开关电路和LC回路，损耗电源不大，能实现的电源效率超过90%。

LED驱动电源的主要依据是高功率因数恒流输出，开关电源设计是双级的，要先校正设计功率因数后，再设计恒流。功率因数校正设计可提高PF值，并经升压处理后，能使高压输出更加稳定。

恒流设计主要是LC振荡电路与半桥开关电路实现比较简单的循

环，进一步增强半波整流电路的优势，可有效控制高频交流电的上浮和下降问题，实现输出恒流，延长发光二极管的寿命。

4.2拓扑电路原理

拓扑电路中，LC回路和半桥开关电路是重要内容，其中LC回路是对半桥开关电路进行整流，从而形成的交流电压，构成电路波形，满足LED驱动需要。半桥开关电路中包括开关管、功率因数校正IC（集成电路），发挥IC优势对占空比进行调整，让信号交替波形能够出现变化，让直流高压斩波成为接近方波的交流电压。

4.3控制恒流

恒流控制是半桥驱动IC编程，输出信号的频率会出现变化，使用PFM（脉冲频率调制）做好调制工作，保证恒定电流能够顺利输出。采集电流需要在输出回路中进行，使其能够进入到PFM调制模块中，对基准电压信号进行对比，依据频率与调节信号频率间的关系，调整IC输出的信号频率，保证频率与电流达到动态化的平衡性，实现恒定的电流输出，使LED的驱动需要得到满足。

5结束语

随着对LED照明技术的深入研究，LED照明技术应用领域将不断扩大，充分发挥其照明和节约能耗的性能。目前，有关技术人员应当深入开展，与其相匹配的LED驱动电源的研究和设计工作，提高电源的可靠性。

参考文献

[1]蒋富贵，何志毅，LED照明电源的驱动技术与应用，桂林电子科

技大学学报，2013，33.

[2]林维明，黄超，LED照明驱动电源中功率因数校正研究新进展，

电源学报，2013（2）