發光二極管(LED)是一種將電能直接轉化成光能的發光器件，與傳統光源相比，具有綠色環保、節能、安全性高等優點，應用越來越廣泛。為使LED穩定可靠地工作，必須根據LED的特性和應用環境配置合適的驅動電源。LED種類和用途繁多，如室內外固定照明、車燈或手持照明設備、各種指示燈、顯示器背光、照相機閃光燈、激光設備等。照
明用LED作為綠色環保光源受到越來越多的關注，并已經得到長足的發展。
傳統照明光源由于原理和技術上的瓶頸，光效難以提高；比如白熾燈是通過高溫來發光，熱損耗增大。LED實現了電能到光能的直接轉換，可以獲得更高的光效。現在，已經批量生產的白光LED光效已經達到100～130lm/W以上，超過了傳統的高壓鈉燈和金鹵燈；LED光效還在不斷提高，LED照明節能的優勢越來越突出。另外，LED還具有電壓低、體積小、壽命長、維護成本低、綠色環保、堅固抗震等優勢。
據了解，我國照明耗電約占全國發電總量的12%左右，采用照明產品替代白熾燈的節能減排潛力巨大。大力發展LED照明技術，逐步淘汰白熾燈和其它低效率高耗能的照明設備，對于促進中國照明電器行業結構優化升級、推動實現“十二五”節能減排目標任務、積極應對氣候變化具有重要意義。
去年底，國家發展改革委、*、*、國家*、國家質檢總局聯合印發了《關于逐步禁止進口和銷售普通照明白熾燈的公告》。按照《公告》部署，至2016年將逐步淘汰白熾燈，禁止進口和銷售15瓦及以上普通照明白熾燈。預計可新增照明電器行業產值約80億元(人民幣)、新增就業崗位約1.5萬個，形成年節電480億千瓦時、年減少二氧化碳排放4800萬噸的能力。今年，*又發布了《半導體照明科技發展“十二五”專項規劃》。部署大力發展LED照明的相關技術和產業。
本文在分析LED特性的基礎上主要介紹照明用LED驅動電源的現狀和發展。
1 LED的特性以及對驅動電源的要求
與普通二極管一樣，發光二極管也可抽象成PN節。當二極管正向偏置，電子在P區與空穴復合時，發生電能到光能的轉換，使二極管發光。
1）伏安特性
圖1為當溫度保持在某個正常工作溫度時LED的伏安特性。可見LED的伏安特性與普通二極管類似，有正向死區和反向死區；當正向偏置電壓超過門限電壓von時，LED導通工作并發光；當反向偏置超過擊穿電壓vbreak時，LED反向擊穿。從*象限可以看到，在正向導通后當正向電流iF增大時，正向電壓vF緩慢增大。各種型號的LED器件都有額定電壓和電流范圍。vF過小，無法提供足夠iF，甚至LED不會發光；vF過大，會使iF急劇增大；會因溫度升高而燒毀LED。所以應該將vF控制在合適的范圍內，一般在2.5～3.5V之間。由于正向電壓vF小幅改變就能導
致正向電流iF大幅變化，而且只要將iF控制在合適的范圍內，就能保證vF為正常值。
所以，而且LED驅動電源總是采用直流電源，采用電流控制比電壓控制更加合理。
2）勢壘電勢與溫度特性
另一方面，與普通二極管一樣，勢壘電勢形成門限電壓von。溫度升高時勢壘電勢降低，就是說LED的正向工作電壓都是具有負的溫度系數。如果用恒定電壓源供電，當LED溫度升高時正向壓降vF減小，會使電流進一步增大，導致溫度更高，形成惡性循環；高溫會導致LED發光效率衰退，甚至損壞。
因此，照明用LED總是用恒定電流型直流電源驅動。
3）發光效率與電流限制
LED的正向電流越大，光通量越高，但電流與光通量之間是非線性關系。不失一般性，以歐司朗公司的LCW CQAR. EC系列LED芯片為例，如圖2，隨著正向電流增大，光通量增大，當正向電流增大到一定程度
(在圖2中增大到1000mA以上)，光通量的增量就會越來越小。對于照明LED，如果為了增加光通量而過于增大電流，電流增大帶來的損耗將超過光通量增大帶來的收益。這也是采用恒流控制的原因之一。
4）溫度、光衰與壽命
LED的一般工作環境不能超過100℃，結溫不能超過125℃。當結溫超過限制，LED的壽命就會急劇下降，結溫過高時會直接損壞。當前市場上不同定額的單個LED芯片的額定電流基本分布在200~1500mA，允許的zui大電流脈沖zui高只比自身的額定電流高出30％，長時間工作在額定電流之上更是不允許的。
LED結溫升高，它的光通量就會下降。仍然以OSRAM公司的LCW QAR. EC系列LED芯片為例，在正向電流700mA的情況下其結溫與光通量的關系如圖3所示。當結溫超過25℃之后，隨著結溫增加，光通量衰減（光衰）越來越大。
在各種照明用燈具中，LED的工作壽命是zui長的，可達5萬～10萬小時。LED的壽命并不是計算到它損壞停止發光為止；一般來說，當LED在額定工作電流時的光通量衰退到初始光通量的70%時，視為其壽命終結。
LED的光通量衰退是不可避免的，上述5萬～10萬小時的壽命是在正常工作條件下的情況。除了制造工藝和質量的原因，使得LED光通量衰退(光衰)的主要原因是高的管芯溫度。*管芯溫度過高會造成不可逆的*性光衰，這是造成LED壽命縮短的主要原因。
因此，設計合理的散熱條件對于保證或延長LED的工作壽命是至關重要的；特別是在較大功率的室外照明的情況，比如大功率公共廣場照明。
5）響應速度與頻閃
當電流變化時， LED的光輸出具有微秒級的快響應速度，可以工作于直流或單向高頻脈沖電流。這對于動態顯示來說是優勢，不如用于LED動態視頻顯示。但對于白光照明來說就是一個問題，快速響應可能會帶來了光輸出在視覺上的頻閃。光輸出波動程度與驅動電流的脈動程度相關，電流變化越大，光輸出波動也就越大；光輸出波動頻率與驅動
電流的頻率相同；但是，由于人眼的視覺儲留時間較長，對于較高頻率的光輸出波動，人眼已經感覺不到視覺上的頻閃。
直流驅動LED光效zui高，LED驅動中的紋波電流會帶來光效損失。用紋波量較小的電流（紋波峰-峰值小于電流平均值的35%）驅動LED，對光效無顯著影響。同時，如果電流紋波幅值的比例較小時，人眼也不會感覺到頻閃。
因此，LED的驅動電源應該提供一個脈動較小的直流電流，其脈動頻率應該至少在人眼的頻閃敏感頻率以上。
6）對LED驅動電源的要求
綜合以上分析，照明用LED管芯對驅動電源有如下要求：
（1）穩定的直流驅動電流；
（2）電流脈動盡量小；
（3）如果電流有脈動，其頻率應該較高；
（4）對LED設計合理的散熱條件——盡管這一條與驅動電源無關，但很重要；
LED驅動電源可由交流市電網供電，也可由直流電池供電。當采用交流市電網供電時，一般包含整流、濾波、DC-DC變換、電氣隔離、保護等功能。從用電安全、節約用電、減小干擾、可靠性等方面考慮，還應該對LED驅動電源有下列要求：
（5）高的變換效率
變換效率是指輸出到LED的驅動功率占驅動電源從電網吸收的總功率的百分比；二者之差在LED驅動電源實現變換和控制的過程中以熱量的方式損耗掉了。盡管每個LED照明燈的功率都很小，但是照明用電的總量卻非常可觀。因此提高LED驅動電源的效率非常重要。
（6）高的功率因數
在LED驅動電源中設計功率因數校正功能，對于減小供電線路損耗，提高電力網的效率非常重要。
（7）電氣隔離
LED驅動電源由電壓較高的交流市電網供電，但是LED工作在較低的安全電壓下；為了用電和維護安全，應該在二者之間設計電氣隔離。
（8）保護功能
一般應有過溫度、過電流和開路保護等。
（9）體積小、成本低、可靠性高
2 照明LED驅動電源技術方案
針對不同的用途和工作條件，各種的LED驅動電源控制芯片獲得了廣泛的應用。這些芯片可以配合一種或多種主電路拓撲使用，內部集成了檢測功能、恒流控制算法和保護功能；有的還集成了功率開關管；具有體積小、響應快、能耗低、可編程的特點。當前市場上的LED驅動電源技術方案大多采用芯片，配合適當的主電路拓撲，達到控制和保護的目的。
從供電角度驅動電源可以分為AC-DC和DC-DC兩類，DC-DC拓撲主要應用于電池、穩壓電源供電，如移動電源、車燈；AC-DC拓撲主要應用于市電供電，如室內外照明。
1）降壓斬波拓撲
圖4為zui簡單的電流輸出型降壓斬波電路拓撲。開關管S導通時電感電流增大，S關斷時電感電流經過二極管D續流繼續為LED供電，同時電感電流減小。通過控制開關管S的柵極控制信號的占空比，就可以控制LED電流保持恒定。開關管移到電感L的后面，使得開關管源極接地，從而方便了驅動。該驅動電路不但簡單而且不需要輸出濾波電容，降低了
成本。但是，Buck變換器是降壓變換器，不適用于輸入電壓低或者LED串聯較多的場合。當然實現恒流控制還需要一套反饋和控制電路。
Supertex公司的HV9921系列是此類電路的一種典型控制芯片，其典型應用如圖5所示。HV9921/22/23系列內部集成了MOSFET開關，可以接受85～264VAC交流電壓的直接整流輸入，但輸出功率較小，適合裝飾燈等低功率照明；采用了峰值電流控制策略，能很好地控制驅動電流為恒值。由于輸入電壓較高，可驅動多個串聯的LED。其他專門用作降壓斬波電路驅動的芯片還有AMC7150、IRS254(0,1)、PT4115等。
2）升降壓斬波拓撲
升降壓斬波電路既可以升壓，也可以降壓。通過反饋控制可以保持輸出電流恒定不變。圖6是一個典型的升降壓斬波電路。與降壓電路類似，該電路開關管S的源極直接接地，方便了對開關管的驅動。升降壓變換器雖然比降壓變換器多一個電容，但可以提升輸出電壓的值。因此，在輸入電壓低，并且需要驅動多個LED串聯時應用較多。但是，在圖6的升降壓斬波電路中，LED的電流并不等于電感的電流，需要以某種方式檢測LED中的電流i，并通過閉環反饋控制實現恒定電流控制。
很多電源控制芯片都是既可以用于降壓斬波又可以用于升降壓斬波。華潤矽威公司的PT4107是此類電路的一種典型控制芯片。根據華潤矽威的數據，PT4107效率可達85%，可用于m*到1A以上輸出電流的控制。*的電源電壓輸入為0～20V，如果用于市電照明則需外加前級降壓電路。PT4107內部集成了頻率抖動技術，EMI顯著減小。PT4107的另一
特點是集成了峰值電流補償控制技術，可以直接實現恒定電流控制。其典型應用如圖7所示，是一款可以實現恒流控制的降壓斬波電路，改變圖中R3的阻值就可以調節LED中的電流。類似的驅動芯片還有還有MAX16833、HV9910等。
3）Sepic單端初級電感變換器拓撲
Sepic變換電路的前級類似于Boost電路，使得電源輸入端電流連續紋波很小，EMI低；易于實現輸入-輸出間的電氣隔離；通過適當的控制方法也可以實現功率因數校正；輸出既可實現升壓又可實現降壓，輸入-輸出電壓比的調節范圍寬；同時Sepic電路的效率可達90％，能夠較好地滿足LED對驅動電源的要求。但是，Sepic變換電路直接輸出的是電壓而不是電流，需要通過電流檢測和反饋控制來實現恒流控制。圖8是一個典型的Sepic變換電路的基本拓撲。現在，National Semiconductor已推出了可用于Sepic電路的驅動芯片LM3421，它也可用于Buck、Boost、Buck-Boost電路。
4）反激式變換器拓撲
反激式變換器本質上是升降壓變換器拓撲的一個變形，由于使用了一個變壓器(本質上是一個隔離形的電感)，可以實現輸入-輸出間的電氣隔離。輸出驅動電壓由匝比和占空比共同控制。反激轉換器不斷地通過變壓器存儲和輸送能量，磁芯只工作在磁化曲線的一個象限，使得磁芯利用率低，體積較大。一般反激式驅動電路適用于較小功率的場合，比如居室照明；而不適合用于路燈或廣場照明等大功率場合。反擊式控制的集成芯片很多，比如UC3842系列，這里不再羅列。
5）電氣隔離的半橋式拓撲
半橋式拓撲前后級電氣隔離，只比前述拓撲多一個開關管，輸出電壓也是由匝比和占空比共同控制。變壓器磁芯的磁化曲線正負對稱，在同等功率下與單向工作的反激式變壓器相比體積小很多。半橋式拓撲適合于工作在功率較大的場合。半橋拓撲的控制芯片有IR的IRS2548D，TI的TPS92020等。IRS2548D耐壓高，柵極驅動電流可達500mA，集成了外部功率因數校正的控制電路；TPS92020的特點是集成了諧振開關驅動的控制電路，可以提供高達350kHz的開關頻率。圖9是半橋式拓撲的一個典型電路。
對LED驅動電源的壽命影響zui大的元器件是電解電容。一般來說，相對于標準條件下的表面溫度，電容表面溫度每升高10℃，壽命就會減少一半。如果能夠不用電解電容，可以避免因電解電容影響壽命；或者使用耐壓較高一些的電解電容，可以緩解電解電容對壽命的影響。當然提高變換器效率以減少發熱，以及設計較好的散熱條件是減小溫升、延
長壽命的一個重要途徑。
3 發展趨勢
1) 國家政策扶持
今年，*發布了《半導體照明科技發展“十二五”專項規劃》。重點部署了白光LED芯片制備，高光效、高可靠、低成本的核心器件產業化，核心裝備和關鍵配套原材料國產化等核心和關鍵技術的發展；重點布局了低成本、替代型和多功能創新型半導體照明產品及系統開發，半導體照明創新應用產品開發及示范等內容。到2015年，產業化白光LED器件光效將達到同期*水平(150-200lm/W)，硅基半導體照明、創新應用、智能化照明系統開發等達到水平；產業規模達到
5000億元。
2）大幅提高LED的光效
目前，制約LED照明市場發展的主要因素還是LED的光效。綜合光效和壽命兩個因素，與其它所有的照明方式相比LED照明無疑具有zui大的優勢。但是，目前市場上銷售的LED的光效大多不超過100lm/W，使得LED燈珠發熱嚴重；嚴重影響其壽命。這一問題受到了世界范圍的廣泛關注，預計在近幾年LED的光效會快速提高到150-200lm/W。
3）較大功率的LED驅動電源
隨著LED光效的提高，加上散熱技術的完善，LED的單燈照明功率會提高。因此，對大功率LED驅動電源的需求也會越來越大。
4）LED驅動電源技術
LED驅動電源的電路拓撲和控制芯片的技術都已經很成熟。將來的發展趨勢主要有以下幾個方面。①針對LED特點開發相應的控制方式，比如當輸入電壓和環境溫度等因素發生變動時，相應地控制和改變LED電流的大小，以zui大限度地延長LED的使用壽命。②在LED驅動電源中包含功率因數校正電路。前面說過，盡管LED的單燈功率都很小，但是照明用電量卻很大，因此提高驅動電源的功率因數意義重大。③提高驅動電源的效率。④研發相應地LED驅動電源使用的集成電路芯片。
4 總結
白光LED照明是照明技術的發展趨勢。LED照明具有很多優點，比如光電轉換效率高、因其方向性使得發光利用率高、壽命長、無污染、色溫范圍廣、耐振動、低壓安全等。LED驅動電源是推廣LED照明的關鍵技術，必將得到重視和快速發展。國家已制定了相應的技術標準、發展規劃和扶持政策。LED照明技術以及相關的驅動電源技術必將得到發展和推廣。
