李杰

（深圳深愛半導(dǎo)體股份有限公司 廣東省深圳市 518000）

LED 即發(fā)光二極管，是第四代照明光源，具有使用壽命長(zhǎng)、光效較高、節(jié)能性好、安全性佳、色彩豐富等諸多優(yōu)勢(shì)。作為固態(tài)光源，LED 光源的亮度一致性好，能夠進(jìn)行控制，壽命較長(zhǎng)[1]。現(xiàn)階段，在節(jié)能減排的大背景下，LED 的應(yīng)用及發(fā)展是未來照明領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。大功率LED 的問世，是繼白熾燈、熒光燈出現(xiàn)后人類照明歷史上的一場(chǎng)全新照明革命?，F(xiàn)階段，世界范圍內(nèi)的有限能源已經(jīng)處于過度開采的狀態(tài)，環(huán)境污染問題也愈發(fā)嚴(yán)重，在照明領(lǐng)域中急需一種更加節(jié)能、更加環(huán)保的綠色照明燈具。據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用固體LED 光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)白熾燈、熒光燈進(jìn)行照明，將節(jié)約全球照明能耗50%以上。近年來，國內(nèi)逐步推行綠色照明計(jì)劃，并積極推廣綠色節(jié)能主題照明，給LED行業(yè)的發(fā)展帶來巨大機(jī)遇。但從總體上來看，目前國內(nèi)的LED 產(chǎn)業(yè)仍有待進(jìn)一步發(fā)展完善，在LED 技術(shù)、專利、技術(shù)工藝、經(jīng)營(yíng)管理、市場(chǎng)營(yíng)銷等方面，國內(nèi)與西方發(fā)達(dá)國家仍存在一定差距。目前常規(guī)照明、道路或景觀照明、車用或軍用照明等領(lǐng)域均大范圍采用大功率LED 照明。大功率LED 屬于新一代綠色光源，光轉(zhuǎn)換效率高，其驅(qū)動(dòng)器主要采用恒流驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源，這種電源技術(shù)發(fā)展時(shí)間尚短，技術(shù)水平尚不夠成熟，與傳統(tǒng)穩(wěn)壓型開關(guān)電源相比較，可靠性及使用壽命均有待進(jìn)一步證實(shí)[2]。未來，大功率LED驅(qū)動(dòng)控制方案需要從可靠性與電磁兼容性兩個(gè)方面入手，采用更為適宜的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)每路LED 進(jìn)行恒流。

1 LED簡(jiǎn)述

1.1 LED的特性分析

LED 的電氣特性是流過LED 芯片電流隨施加于LED 兩端電壓的變化而變化的一種特性。當(dāng)正向電壓發(fā)生變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致正向電流發(fā)生較大改變，LED 正向電流的變化會(huì)給照明效率帶來較大影響[3]。因此，為了更好保證LED 照明亮度與光效，目前大功率LED驅(qū)動(dòng)器均采用恒流源、脈沖直流電源等。

1.2 LED的工作原理

LED 屬于一種結(jié)型電致發(fā)光半導(dǎo)體器件，這種器件能夠?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。LED 不僅有著一般PN結(jié)的正向?qū)ā舸?、反向截止等，在一定條件下LED還具有發(fā)光特性[4]。LED 的發(fā)光層是由PN 結(jié)組成的，在正向電壓下，N 區(qū)和P 區(qū)進(jìn)入對(duì)象區(qū)域的少數(shù)截留子一部分與多數(shù)截留子復(fù)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。LED 的發(fā)光原理見圖1。

圖1：LED 的發(fā)光原理示意圖

1.3 LED的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)光源相比較，LED 具有很多的優(yōu)點(diǎn)：

（1）LED 更加環(huán)保。因光譜中不含有紫外光、紅外光等，與其他光源相比較，LED 的環(huán)保性更加優(yōu)越，并且LED 中不含有汞等有毒物質(zhì)。

（2）LED的使用壽命較長(zhǎng)。LED屬于一種固體光源，具有堅(jiān)固耐用的優(yōu)勢(shì)，在結(jié)溫較低的狀態(tài)下LED 的使用壽命通常為5 萬-10 萬h。

（3）LED 的反應(yīng)時(shí)間較短。從通電到燈亮，使用LED 僅需要幾十納秒的時(shí)間，而傳統(tǒng)白熾燈從通電到燈亮往往需要幾百毫秒的啟動(dòng)時(shí)間。

（4）LED 的光轉(zhuǎn)化效率高?，F(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)化的LED照明產(chǎn)品已達(dá)到1001 m/w，研究水平達(dá)到1601 m/w，最高期望水平則為2001 m/w[5]。

（5）LED 更為簡(jiǎn)易方便。LED 的工作條件要求在直流電壓下工作，工作電壓較低，適用于光伏供電，也可以直接以電池供電。LED 與其他光源特點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1：LED 與其他光源特點(diǎn)對(duì)比

2 大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的發(fā)展

大功率LED驅(qū)動(dòng)電源最初缺少專用的驅(qū)動(dòng)芯片，通常采用開關(guān)電源芯片。大功率LED驅(qū)動(dòng)電路是由復(fù)雜的電路逐步演變而來的，其前身為AC/DC、DC/DC電路，導(dǎo)致大功率LED 產(chǎn)品早期的成本較高，以至于大功率LED 難以有效推廣和普及。但基于LED 的諸多優(yōu)勢(shì)，相繼涌現(xiàn)出了專門為大功率LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)芯片，這使得大功率LED驅(qū)動(dòng)電路變得更加簡(jiǎn)單，對(duì)于外圍器件的需求也逐步減少，大功率LED驅(qū)動(dòng)電路整體體積與應(yīng)用成本不斷下降，為產(chǎn)品的普及奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的方法可謂五花八門，較為常用的驅(qū)動(dòng)控制方法有4 種。其一為電阻限流法，其二為線性穩(wěn)流法，其三為線性穩(wěn)壓法，其四為開關(guān)電源法。

（1）電阻限流驅(qū)動(dòng)技術(shù)是最早用于大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的方法，其優(yōu)勢(shì)在于成本較低且設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)便，應(yīng)用起來無需考慮電磁兼容性問題；但也存在一定的不足，如不適宜的輸入電壓可致大功率LED 亮度變化、效率較低、電能損耗等等，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致LED 照明光源燒毀，故而這種方法僅適用于驅(qū)動(dòng)電流較小的LED 芯片。

（2）線性穩(wěn)流驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于大功率LED驅(qū)動(dòng)控制與電阻限流驅(qū)動(dòng)技術(shù)較為相似，只是將電阻轉(zhuǎn)變成為電流源，在成本與設(shè)計(jì)方面均與電阻限流驅(qū)動(dòng)方式相似，故而也適用于小電流LED 的驅(qū)動(dòng)，但該驅(qū)動(dòng)方式效率更高，能夠支持一定范圍寬電壓輸入。

（3）線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于大功率LED 的驅(qū)動(dòng)控制主要借助的是線性穩(wěn)壓器件，不僅能夠提供簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓穩(wěn)流，還能夠提供過流保護(hù)功能。與電阻限流驅(qū)動(dòng)方式、線性穩(wěn)流驅(qū)動(dòng)方式相比較，線性穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)電流更大，但應(yīng)用成本與應(yīng)用效率一般。

（4）開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)是大功率LED驅(qū)動(dòng)控制最常用、效率最高的一種方法，也是目前較為流行的大功率LED驅(qū)動(dòng)方式，其優(yōu)勢(shì)在于驅(qū)動(dòng)電流較大、恒流精度較高、應(yīng)用效率較高，并且具有調(diào)光作用和LED 保護(hù)功能，開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)原理如圖2所示。其不足之處在于應(yīng)用成本較高，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，并且需要充分考慮電磁兼容性問題。目前開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)已存在多種拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，并逐步出現(xiàn)眾多適用于大功率LED的專用驅(qū)動(dòng)芯片，如BUCK 驅(qū)動(dòng)芯片、BOOST 驅(qū)動(dòng)芯片、升降壓型驅(qū)動(dòng)芯片等[6]。對(duì)于大功率LED 而言，驅(qū)動(dòng)器芯片的調(diào)光功能是十分關(guān)鍵的指標(biāo)，也是LED 市場(chǎng)的主要需求。因多數(shù)大功率LED 采用恒定電流驅(qū)動(dòng)，有效電流值與LED 發(fā)光亮度之間成正比。如果想要對(duì)大功率LED 亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，就需要調(diào)整大功率LED 的有效電流值。目前用于大功率LED 調(diào)光的主要方式有3種。其一是模擬調(diào)光方式，這一方式基于對(duì)流過大功率LED 的恒定電流值進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)LED 調(diào)光，但該方式的調(diào)節(jié)范圍較為有限并且可能導(dǎo)致大功率LED 電流失控、顏色改變等。其二是數(shù)字調(diào)光方式，這一方式基于脈寬調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)LED 調(diào)光，該方式便于進(jìn)行編程控制并且能夠達(dá)到較高調(diào)光比。其三是可控硅調(diào)光，這一方式基于離線式交流驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)LED 調(diào)光，但現(xiàn)階段支持這一調(diào)光方式的驅(qū)動(dòng)芯片較少，故而這一調(diào)光方式的應(yīng)用前景較為有限。

圖2：開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)原理

3 大功率LED驅(qū)動(dòng)控制要素與方式

3.1 大功率LED驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)考慮的要素

大功率LED驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)考慮的要素首先是可靠性，基于對(duì)可靠性的考慮，需要分析影響大功率LED驅(qū)動(dòng)控制可靠性的因素，分析設(shè)計(jì)中存在的薄弱環(huán)節(jié)，將提高可靠性的措施落實(shí)到大功率LED驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)之中，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。具體措施如下：

（1）將大功率LED驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)分為多個(gè)功能與結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立的部分，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（2）在軟硬件方面開展大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)化與模塊化設(shè)計(jì)，細(xì)化功能的劃分。

（3）為確保大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的整體性能，延長(zhǎng)大功率LED 的使用壽命，可以采用冗余設(shè)計(jì)。

（4）對(duì)于較遠(yuǎn)距離的大功率LED驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，采用CRC16 校驗(yàn)設(shè)計(jì)，避免因誤碼導(dǎo)致誤動(dòng)作。

（5）在滿足大功率LED驅(qū)動(dòng)控制性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，硬件越少越好，集成度越高越好，因此可采用大規(guī)模專用集成電路、低功耗元件、成熟電路等，進(jìn)而降低大規(guī)模LED驅(qū)動(dòng)控制電路的失效率與可靠性。

（6）大功率LED驅(qū)動(dòng)控制總體設(shè)計(jì)要求需要滿足通用化、模塊化、系列化三個(gè)方面，確保每個(gè)模塊均可獨(dú)立的開發(fā)與測(cè)試，最終組裝成為完整的程序，確?？刂平Y(jié)構(gòu)清晰、便于測(cè)試和修改。

（7）大功率LED驅(qū)動(dòng)控制可采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方式，基于自上向下的方法與明確程序接口的結(jié)構(gòu)，在模塊設(shè)計(jì)方面秉承先整體后局部、先抽象后具體的原則，逐步進(jìn)行細(xì)化。

（8）為了加強(qiáng)大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的容錯(cuò)性能，需要考慮程序異常處理，避免程序崩潰的發(fā)生，并強(qiáng)化程序的測(cè)試。

（9）大功率LED驅(qū)動(dòng)控制需要具備一定的自檢功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)故障的自動(dòng)定位，為了減少因人為差錯(cuò)所導(dǎo)致的大功率LED驅(qū)動(dòng)控制風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采用恢復(fù)較快的技術(shù)確保能夠?qū)崿F(xiàn)緊急復(fù)位。

（10）大功率LED 燈殼體的材料為防銹鋁合金，具有較好的承壓水密性能，并兼具較好的熱傳導(dǎo)率，能夠迅速將大功率LED 燈產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散，并且能夠降低大功率LED 芯片、電路板等元件的溫度，減緩大功率LED 燈的光衰減問題。

大功率LED驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)考慮的要素其次是電磁兼容性，基于對(duì)電磁兼容性的考慮的相關(guān)技術(shù)如下：

（1）需要考慮濾波技術(shù)，可在電源輸入端應(yīng)用EMI 濾波器，在電源輸入端與輸出端增設(shè)濾波電路網(wǎng)絡(luò)，以消除外部設(shè)備對(duì)大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的影響，消除干擾信號(hào)。

（2）需要考慮隔離技術(shù)，可將所有器件、電路等與系統(tǒng)的外殼隔離開來，確保不會(huì)引起干擾。

（3）需要考慮屏蔽技術(shù)，以提高電磁屏蔽效能，有效地屏蔽電磁干擾。

（4）可選擇合理分配地層的印制電路板，可以選擇不相容的器件分開布置減少干擾問題，可以選擇不相容的信號(hào)線進(jìn)行布置設(shè)計(jì)。

3.2 大功率LED驅(qū)動(dòng)控制具體方式研究

在電路設(shè)計(jì)方式方面，確定大功率LED驅(qū)動(dòng)方案后，可以選擇L6561 作為主控芯片，去掉高壓大電解電容，以提高功率因素、效率與可靠性，延長(zhǎng)大功率LED驅(qū)動(dòng)電源壽命。在L6561 內(nèi)部可以集成過壓保護(hù)電路，由PFC 電路控制維持輸出電壓，由交流電源輸入端供電，依次輸入，其中EMC 電路能夠抑制電磁干擾信號(hào)，整流電路能夠?qū)崿F(xiàn)交流電能與直流電能之間的轉(zhuǎn)換，電壓變換電路能夠?qū)崿F(xiàn)高壓直流信號(hào)與低壓直流信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，濾波電路能夠降低輸出電壓紋波系數(shù)，輸出電流電壓檢測(cè)電路能夠檢測(cè)輸出的電流電壓信號(hào)并反饋至電壓變換電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒電流、恒電壓的控制。大功率LED 電流控制流程如圖3所示。

圖3：大功率LED 電流控制流程圖

在電磁兼容性設(shè)計(jì)方面，需要多種方法的綜合運(yùn)用。如旁路設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、濾波器技術(shù)等。進(jìn)行大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要明確需要滿足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，確定強(qiáng)干擾源電路、高度敏感電路等關(guān)鍵的電路；其次需要明確電源工作環(huán)境中存在的電磁干擾源與敏感設(shè)備；第三要明確電源采取的電磁兼容性措施?；跍p少干擾源電磁干擾能量、切斷干擾傳播途徑、提高受干擾設(shè)備抗干擾能力幾項(xiàng)原則，基于成本效益與實(shí)踐難度為前提進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，更好的抑制電磁干擾，使得大功率LED驅(qū)動(dòng)控制得到更廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

綜上所述，大功率LED 具有環(huán)保節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)、光轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢(shì)，未來大功率LED 將逐步取代傳統(tǒng)的熒光燈并實(shí)現(xiàn)普通照明。本文對(duì)大功率LED驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行了研究分析，充分了解大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的發(fā)展、驅(qū)動(dòng)控制要素、驅(qū)動(dòng)控制方式等。未來，為了確保大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的持續(xù)穩(wěn)定工作，需要綜合考慮驅(qū)動(dòng)控制要素，選擇適宜的驅(qū)動(dòng)控制方式，以確保能夠更好達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，并更好實(shí)現(xiàn)大功率LED驅(qū)動(dòng)控制的感應(yīng)控制、智能控制、無極調(diào)光等功能。