大功率LED驱动控制的分析及研究

李杰

（深圳深爱半导体股份有限公司 广东省深圳市 518000）

LED 即发光二极管，是第四代照明光源，具有使用寿命长、光效较高、节能性好、安全性佳、色彩丰富等诸多优势。作为固态光源，LED 光源的亮度一致性好，能够进行控制，寿命较长[1]。现阶段，在节能减排的大背景下，LED 的应用及发展是未来照明领域的必然趋势。大功率LED 的问世，是继白炽灯、荧光灯出现后人类照明历史上的一场全新照明革命。现阶段，世界范围内的有限能源已经处于过度开采的状态，环境污染问题也愈发严重，在照明领域中急需一种更加节能、更加环保的绿色照明灯具。据统计，使用固体LED 光源代替传统白炽灯、荧光灯进行照明，将节约全球照明能耗50%以上。近年来，国内逐步推行绿色照明计划，并积极推广绿色节能主题照明，给LED行业的发展带来巨大机遇。但从总体上来看，目前国内的LED 产业仍有待进一步发展完善，在LED 技术、专利、技术工艺、经营管理、市场营销等方面，国内与西方发达国家仍存在一定差距。目前常规照明、道路或景观照明、车用或军用照明等领域均大范围采用大功率LED 照明。大功率LED 属于新一代绿色光源，光转换效率高，其驱动器主要采用恒流驱动开关电源，这种电源技术发展时间尚短，技术水平尚不够成熟，与传统稳压型开关电源相比较，可靠性及使用寿命均有待进一步证实[2]。未来，大功率LED驱动控制方案需要从可靠性与电磁兼容性两个方面入手，采用更为适宜的驱动结构，对每路LED 进行恒流。

1 LED简述

1.1 LED的特性分析

LED 的电气特性是流过LED 芯片电流随施加于LED 两端电压的变化而变化的一种特性。当正向电压发生变化时会导致正向电流发生较大改变，LED 正向电流的变化会给照明效率带来较大影响[3]。因此，为了更好保证LED 照明亮度与光效，目前大功率LED驱动器均采用恒流源、脉冲直流电源等。

1.2 LED的工作原理

LED 属于一种结型电致发光半导体器件，这种器件能够将电信号转换成光信号。LED 不仅有着一般PN结的正向导通、击穿、反向截止等，在一定条件下LED还具有发光特性[4]。LED 的发光层是由PN 结组成的，在正向电压下，N 区和P 区进入对象区域的少数截留子一部分与多数截留子复合，进而实现发光。LED 的发光原理见图1。

图1：LED 的发光原理示意图

1.3 LED的优势

与传统光源相比较，LED 具有很多的优点：

（1）LED 更加环保。因光谱中不含有紫外光、红外光等，与其他光源相比较，LED 的环保性更加优越，并且LED 中不含有汞等有毒物质。

（2）LED的使用寿命较长。LED属于一种固体光源，具有坚固耐用的优势，在结温较低的状态下LED 的使用寿命通常为5 万-10 万h。

（3）LED 的反应时间较短。从通电到灯亮，使用LED 仅需要几十纳秒的时间，而传统白炽灯从通电到灯亮往往需要几百毫秒的启动时间。

（4）LED 的光转化效率高。现阶段产业化的LED照明产品已达到1001 m/w，研究水平达到1601 m/w，最高期望水平则为2001 m/w[5]。

（5）LED 更为简易方便。LED 的工作条件要求在直流电压下工作，工作电压较低，适用于光伏供电，也可以直接以电池供电。LED 与其他光源特点对比见表1。

表1：LED 与其他光源特点对比

2 大功率LED驱动控制的发展

大功率LED驱动电源最初缺少专用的驱动芯片，通常采用开关电源芯片。大功率LED驱动电路是由复杂的电路逐步演变而来的，其前身为AC/DC、DC/DC电路，导致大功率LED 产品早期的成本较高，以至于大功率LED 难以有效推广和普及。但基于LED 的诸多优势，相继涌现出了专门为大功率LED驱动电路设计的LED驱动芯片，这使得大功率LED驱动电路变得更加简单，对于外围器件的需求也逐步减少，大功率LED驱动电路整体体积与应用成本不断下降，为产品的普及奠定了良好的基础。目前，大功率LED驱动控制的方法可谓五花八门，较为常用的驱动控制方法有4 种。其一为电阻限流法，其二为线性稳流法，其三为线性稳压法，其四为开关电源法。

（1）电阻限流驱动技术是最早用于大功率LED驱动控制的方法，其优势在于成本较低且设计较为简便，应用起来无需考虑电磁兼容性问题；但也存在一定的不足，如不适宜的输入电压可致大功率LED 亮度变化、效率较低、电能损耗等等，严重情况下会导致LED 照明光源烧毁，故而这种方法仅适用于驱动电流较小的LED 芯片。

（2）线性稳流驱动技术用于大功率LED驱动控制与电阻限流驱动技术较为相似，只是将电阻转变成为电流源，在成本与设计方面均与电阻限流驱动方式相似，故而也适用于小电流LED 的驱动，但该驱动方式效率更高，能够支持一定范围宽电压输入。

（3）线性稳压驱动技术用于大功率LED 的驱动控制主要借助的是线性稳压器件，不仅能够提供简单的稳压稳流，还能够提供过流保护功能。与电阻限流驱动方式、线性稳流驱动方式相比较，线性稳压驱动方式的驱动电流更大，但应用成本与应用效率一般。

（4）开关电源驱动技术是大功率LED驱动控制最常用、效率最高的一种方法，也是目前较为流行的大功率LED驱动方式，其优势在于驱动电流较大、恒流精度较高、应用效率较高，并且具有调光作用和LED 保护功能，开关电源驱动原理如图2所示。其不足之处在于应用成本较高，电路结构设计较为复杂，并且需要充分考虑电磁兼容性问题。目前开关电源驱动技术已存在多种拓扑电路结构，并逐步出现众多适用于大功率LED的专用驱动芯片，如BUCK 驱动芯片、BOOST 驱动芯片、升降压型驱动芯片等[6]。对于大功率LED 而言，驱动器芯片的调光功能是十分关键的指标，也是LED 市场的主要需求。因多数大功率LED 采用恒定电流驱动，有效电流值与LED 发光亮度之间成正比。如果想要对大功率LED 亮度进行调节，就需要调整大功率LED 的有效电流值。目前用于大功率LED 调光的主要方式有3种。其一是模拟调光方式，这一方式基于对流过大功率LED 的恒定电流值进行调整实现LED 调光，但该方式的调节范围较为有限并且可能导致大功率LED 电流失控、颜色改变等。其二是数字调光方式，这一方式基于脉宽调制方法实现LED 调光，该方式便于进行编程控制并且能够达到较高调光比。其三是可控硅调光，这一方式基于离线式交流驱动芯片实现LED 调光，但现阶段支持这一调光方式的驱动芯片较少，故而这一调光方式的应用前景较为有限。

图2：开关电源驱动原理

3 大功率LED驱动控制要素与方式

3.1 大功率LED驱动控制应考虑的要素

大功率LED驱动控制应考虑的要素首先是可靠性，基于对可靠性的考虑，需要分析影响大功率LED驱动控制可靠性的因素，分析设计中存在的薄弱环节，将提高可靠性的措施落实到大功率LED驱动控制技术设计之中，不断改进设计方案。具体措施如下：

（1）将大功率LED驱动控制系统分为多个功能与结构相对独立的部分，进一步简化系统设计。

（2）在软硬件方面开展大功率LED驱动控制的结构化与模块化设计，细化功能的划分。

（3）为确保大功率LED驱动控制的整体性能，延长大功率LED 的使用寿命，可以采用冗余设计。

（4）对于较远距离的大功率LED驱动控制信号，采用CRC16 校验设计，避免因误码导致误动作。

（5）在满足大功率LED驱动控制性能指标的基础上，简化电路和系统的设计，硬件越少越好，集成度越高越好，因此可采用大规模专用集成电路、低功耗元件、成熟电路等，进而降低大规模LED驱动控制电路的失效率与可靠性。

（6）大功率LED驱动控制总体设计要求需要满足通用化、模块化、系列化三个方面，确保每个模块均可独立的开发与测试，最终组装成为完整的程序，确保控制结构清晰、便于测试和修改。

（7）大功率LED驱动控制可采用结构化程序设计方式，基于自上向下的方法与明确程序接口的结构，在模块设计方面秉承先整体后局部、先抽象后具体的原则，逐步进行细化。

（8）为了加强大功率LED驱动控制的容错性能，需要考虑程序异常处理，避免程序崩溃的发生，并强化程序的测试。

（9）大功率LED驱动控制需要具备一定的自检功能，并能够实现故障的自动定位，为了减少因人为差错所导致的大功率LED驱动控制风险，应采用恢复较快的技术确保能够实现紧急复位。

（10）大功率LED 灯壳体的材料为防锈铝合金，具有较好的承压水密性能，并兼具较好的热传导率，能够迅速将大功率LED 灯产生的热量扩散，并且能够降低大功率LED 芯片、电路板等元件的温度，减缓大功率LED 灯的光衰减问题。

大功率LED驱动控制应考虑的要素其次是电磁兼容性，基于对电磁兼容性的考虑的相关技术如下：

（1）需要考虑滤波技术，可在电源输入端应用EMI 滤波器，在电源输入端与输出端增设滤波电路网络，以消除外部设备对大功率LED驱动控制的影响，消除干扰信号。

（2）需要考虑隔离技术，可将所有器件、电路等与系统的外壳隔离开来，确保不会引起干扰。

（3）需要考虑屏蔽技术，以提高电磁屏蔽效能，有效地屏蔽电磁干扰。

（4）可选择合理分配地层的印制电路板，可以选择不相容的器件分开布置减少干扰问题，可以选择不相容的信号线进行布置设计。

3.2 大功率LED驱动控制具体方式研究

在电路设计方式方面，确定大功率LED驱动方案后，可以选择L6561 作为主控芯片，去掉高压大电解电容，以提高功率因素、效率与可靠性，延长大功率LED驱动电源寿命。在L6561 内部可以集成过压保护电路，由PFC 电路控制维持输出电压，由交流电源输入端供电，依次输入，其中EMC 电路能够抑制电磁干扰信号，整流电路能够实现交流电能与直流电能之间的转换，电压变换电路能够实现高压直流信号与低压直流信号之间的转换，滤波电路能够降低输出电压纹波系数，输出电流电压检测电路能够检测输出的电流电压信号并反馈至电压变换电路，进而实现对恒电流、恒电压的控制。大功率LED 电流控制流程如图3所示。

图3：大功率LED 电流控制流程图

在电磁兼容性设计方面，需要多种方法的综合运用。如旁路设计、接地设计、屏蔽设计、滤波器技术等。进行大功率LED驱动控制的电磁兼容性设计时，首先需要明确需要满足的电磁兼容标准，确定强干扰源电路、高度敏感电路等关键的电路；其次需要明确电源工作环境中存在的电磁干扰源与敏感设备；第三要明确电源采取的电磁兼容性措施。基于减少干扰源电磁干扰能量、切断干扰传播途径、提高受干扰设备抗干扰能力几项原则，基于成本效益与实践难度为前提进行电磁兼容性设计，更好的抑制电磁干扰，使得大功率LED驱动控制得到更广泛的应用。

4 结束语

综上所述，大功率LED 具有环保节能、使用寿命长、光转化效率高等优势，未来大功率LED 将逐步取代传统的荧光灯并实现普通照明。本文对大功率LED驱动控制进行了研究分析，充分了解大功率LED驱动控制的发展、驱动控制要素、驱动控制方式等。未来，为了确保大功率LED驱动控制的持续稳定工作，需要综合考虑驱动控制要素，选择适宜的驱动控制方式，以确保能够更好达到标准要求，并更好实现大功率LED驱动控制的感应控制、智能控制、无极调光等功能。