LED驱动电源

简介

　LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电源转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。　

特点 

　　根据电网的用电规则和LED驱动电源的特性要求，在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点：
　　1．高可靠性特别像LED路灯的驱动电源，装在高空，有防水铝壳驱动电源，质量好的话不容易坏，减少维修次数。
　　2．高效率LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。
　　3．高功率因数功率因数是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器，没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对电网产生较严重的污染。对于30瓦~40瓦的LED驱动电源，据说不久的将来，也许会对功率因数方面有一定的指标要求。
　　4．驱动方式现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。
　　5．浪涌保护LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。
　　6．保护功能电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。
　　7．防护方面灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。
　　8．驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。
　　9．要符合安规和电磁兼容的要求。
　　随着LED的应用日益广泛，LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求。

综上所述 

　　购买驱动电源有两点最重要
　　一：要认准电容的品牌，其中红宝石，绿宝石特别知名，绿宝石电容比较常见，当然价格要比其他不适品牌电容要贵几毛钱。
　　二：是否带IC控制芯片，因为IC控制芯片具有止短路，过压，过载，过温等保护功能。
　　只要这两点到位的驱动电源，质量已经非常好了。

分类 

　　按驱动方式
　　（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；
　　b、恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。
　　c、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。
　　c、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。
　　按电路结构
　　（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。
　　（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。
　　（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。
　　（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。
　　（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。
　　电源安装位置分类
　　驱动电源按安装位置可分为外置电源和内置电源。
　　（1）外置电源
　　顾名思义，外置电源就是把电源安装在外面的。一般电压比较高，对人有安全危险的，就需要外置电源。与内置电源的区别就是电源加了一个外壳，常见的有路灯。
　　（2）内置电源
　　就是把电源安装在灯具内，一般都是电压比较低，12v到24v，对人没什么安全隐患。这个常见的有球泡灯。

不足 

　　LED驱动电源目前存在不足的原因：
　　(1)生产LED照明及相关产品的公司的技术人员对开关电源的了解不够，做出的电源是可以正常工作，但一些关键性的评估及电磁兼容的考虑不够，还是有一定得隐患；
　　(2)大部分LED电源生产企业都是从普通的开关电源转型过来做LED电源，对LED的特点及使用认识还不够；
　　(3)目前关于LED的标准几乎没有，大部分都是参考开关电源和电子整流器的标准；
　　(4)现在大部分LED电源没有统一，所以量大部分都比较小。采购量小，价格就偏高，而且元器件供应商也不太配合；
　　(5)LED电源的稳定性：宽电压输入，高温和低温工作，过温、过压保护等问题都没有一一解决；

面临挑战 

　　第一：提高寿命，延长灯具使用时间。驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如：电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命；
　　第二：提高效率，提高灯具的光效。LED驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥；
　　第三：降低成本，提高可购买性。目前在功率较小（1-5W）的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。

电源设计

        LED驱动电源设计并不难，但一定要心中有数。只要做到调试前计算，调试时测量，调试后老化，相信谁都可以搞好LED。
　　1、LED电流大小
　　大家都知道LEDripple过大的话，LED寿命会受到影响，影响有多大，也没见过哪个专家说过。以前问过LED厂这个数据，他们说30%以内都可以接受，不过后来没有经过验证。建议还是尽量控制小点。如果散热解决的不好的话，LED一定要降额使用。也希望有专家能给个具体指标，要不然影响LED的推广。
　　2、芯片发热
　　这主要针对内置电源调制器的高压驱动芯片。假如芯片消耗的电流为2mA，300V的电压加在芯片上面，芯片的功耗为0.6W，当然会引起芯片的发热。驱动芯片的最大电流来自于驱动功率mos管的消耗，简单的计算公式为I=cvf(考虑充电的电阻效益，实际I=2cvf，其中c为功率MOS管的cgs电容，v为功率管导通时的gate电压，所以为了降低芯片的功耗，必须想办法降低c、v和f。如果c、v和f不能改变，那么请想办法将芯片的功耗分到芯片外的器件，注意不要引入额外的功耗。再简单一点，就是考虑更好的散热吧。
　　3、功率管发热
　　关于这个问题，也见到过有人在论坛发过贴。功率管的功耗分成两部分，开关损耗和导通损耗。要注意，大多数场合特别是LED市电驱动应用，开关损害要远大于导通损耗。开关损耗与功率管的cgd和cgs以及芯片的驱动能力和工作频率有关，所以要解决功率管的发热可以从以下几个方面解决：A、不能片面根据导通电阻大小来选择MOS功率管，因为内阻越小，cgs和cgd电容越大。如1N60的cgs为250pF左右，2N60的cgs为350pF左右，5N60的cgs为1200pF左右，差别太大了，选择功率管时，够用就可以了。B、剩下的就是频率和芯片驱动能力了，这里只谈频率的影响。频率与导通损耗也成正比，所以功率管发热时，首先要想想是不是频率选择的有点高。想办法降低频率吧!不过要注意，当频率降低时，为了得到相同的负载能力，峰值电流必然要变大或者电感也变大，这都有可能导致电感进入饱和区域。如果电感饱和电流够大，可以考虑将CCM(连续电流模式)改变成DCM(非连续电流模式)，这样就需要增加一个负载电容了。
　　4、工作频率降频
　　这个也是用户在调试过程中比较常见的现象，降频主要由两个方面导致。输入电压和负载电压的比例小、系统干扰大。对于前者，注意不要将负载电压设置的太高，虽然负载电压高，效率会高点。对于后者，可以尝试以下几个方面：a、将最小电流设置的再小点；b、布线干净点，特别是sense这个关键路径；c、将电感选择的小点或者选用闭合磁路的电感；d、加RC低通滤波吧，这个影响有点不好，C的一致性不好，偏差有点大，不过对于照明来说应该够了。无论如何降频没有好处，只有坏处，所以一定要解决。
　　5、电感或者变压器的选择
　　低成本1W大功率LED实用驱动电源
　　大功率LED比日光灯具有更高的发光效率和使用寿命。人们应根据实际使用方式另外加装散热器。目前,国产3W发白光的LED零售价为15元,但由于3W大功率LED质量还不够可靠，暂不宜使用。5W大功率LED只有进口货,每只售价高达60元,仅适用于特殊要求的灯光工程之中,最适合人们家里作照明用的就是国产1W发光二极管。
　　鉴于大功率发光二极管工作电压仅为3V,通过全桥整流将220V交流电变成直流电,在全桥上的电压降约为1.8V,只驱动一只发光二极管工作的电能利用效率仅为60%。必须把3只以上发光二极管串联起来工作,才能使总的电能利用效率超过80%。
　　根据3基色合成白光原理,将红、绿、蓝3只1W大功率发光二极管串联起来工作,就可以获得相当于3W发白光的LED所达到的亮度。同时还可以组合出6种彩色光线,满足人们对变换彩光的喜好。为了避免电能浪费,使用市电做LED驱动电源应采用电容器做降压限流元件。
　　用洗衣机电机所配的常规4.7μ/AC400V电容器做降压限流元件可提供325mA工作电流,正好与1W大功率LED额定工作电流相同。购买红、绿、蓝3只1W大功率LED共需20元,比购买1只3W发白光的LED贵5元。但3W大功率LED的工作电流是1W大功率LDE的3倍,需要使用容量为14μ的电容器做降压限流元件,而购买1只14μ/AC400V电容器比购买1只4.7μ/400V电容器又要高出5元,综合成本并不合算。1W大功率LED的实用驱动电源见附图,其中：C3电容的主要作用是在刚接通220V市电时防止可能产出的瞬间大电流通过LED使其受到损坏,VS1可控硅则是防止负载开路时在C3两端产生高压使其严重发热爆炸。VDS1触发二极管的转折电压为30V～40V,正常状况下C3两端电压不超过10V,VDS1一直截止,VS1也截止。只有在负载电路断掉或LED内部开路情况下,C3两端电压刚升到30V～40V时VS1才即刻导通并维持导通状态。排除故障重新接通电源,VS1即自动恢复截止状态。
　　如果只要求3只大功率LED一起发光,电源驱动电路中的VT1～VT9和R3～R9可全部不用。该部分电路专门为控制红、绿、蓝3只LDE的发光状态而设计,A、B、C三端悬空或接到直流负端相对中点上,VT1、VT4、VT7～VT9截止,VT2、VT3、VT5、VT6导通,LED2和LED3分别被VT2和VT3短路,只有LED1工作发光。
　　单独将B端接到直流正端,将使VT8导通,VT5和VT2随之截止,LED2工作发光。单独将C端接到直流正端,将使VT9导通,VT6和VT3随之截止,LED3工作发光。与此同时,B端或C端接到直流正端,都可使VT4导通、VT1随之导通,LED1被VT1短路不工作。但将A端接到直流正端,将使VT7导通,强制让BG4截止,VT1随之截止,LED1工作发光。这样,无论A、B、C三端处于何种状态,总有至少一只发光管工作。而通过对加在A、B、C三端上的电平控制,就可以使3只发光按照需要的组合进行发光。
　　A、B、C三端上的电平可以采用普通开关进行控制,也可以使用3只D触发器和一只按键来实现循环变换。当然还可以把6只LED串联起来工作,用专门的彩灯控制IC来实现动态变化。有兴趣者还可以将控制电路再进一步设计成红外遥控电路,安装在卧室中更有一番味道。

注意事项 

　　根据电网的用电的特点，led特性的要求以及相关LED产品，在选择LED驱动电源时要考虑到以下几点：
　　总体原则
　　a、根据LED电流和电压特点，比较理想的是使用恒流驱动。它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使LED的亮度稳定。
　　b、另外，LED光通量与温度成反比，所以使用中应尽量减少电源发热和设计良好的散热系统。从而降低LED工作的环境温度。
　　c、为了保证LED产品的整体寿命，必须将LED的结温控制在一定的范围内，也就是要控制好LED产品的工作环境温度。
　　1、高可靠性
　　LED产品主要是有LED芯片和电源，散热外壳，控制电路等组成。其中LED电源的好坏直接影响了产品的好坏。特别是LED路灯产品，由于装在高空，维修不方便，维修的花费也大。
　　2、高效率
　　LED是节能产品，驱动电源也要符合节能的要求。特别是电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。
　　3、恒流驱动方式
　　为了配合LED的伏安特性，所以LED电源必须使用恒流驱动的方式。
　　4、浪涌保护
　　LED抗冲击能力比较差，所以要加强这方面的保护。特别是一些装在户外的产品，电网负载的启停和雷击都会对电源有冲击。因此LED驱动电源的输入端要有抑制浪涌的保护电路，避免开关瞬间损坏LED。
　　5、温度保护功能
　　电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED芯片温度负反馈，防止LED芯片PN结温度过高。
　　6、LED电源寿命
　　要提高LED驱动电源寿命，就需要从多方面来改善：使用较高寿命的电容，提高电源效率，做好电源的散热功能，优化灯具的散热设计。LED电源属于开关电源，开关电源的质量与可靠性取决于其电路设计，生产工艺，及器件的质量。电解电容是大功率开关电源中必不可少的组成部分。而开关电源的正常工作寿命要取决于电源所使用的电解电容的寿命，电解电容的寿命又取决于电容本身的寿命及工作温度，电解电容在不同的温度下其工作寿命差异很大。
　　7、工作环境
　　由于各个地方环境的不同，要着重考虑LED灯具工作场所的环境，如：温度、湿度、安装位置等。
　　考虑到电源的工作方式，如果不加软启动电路，通电瞬间，输出会有一个电压尖峰。为更好的保护LED，所以需要加软启动电路。这一点正是驱动电源稳定性的一个关键因素。