LED照明驱动电源电路设计技术应用的能效问题

华强LED网 2010-12-28 a:2:{i:0;s:6:"技术";i:1;s:12:"电路设计";}

LED驱动器通用要求

驱动LED 面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供应商的LED 正向电压也会有差异；另外，LED 的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。

另外，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED 的排列方式问题。各种排列方式中，首选驱动串联的单串LED，因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压(Vout)如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。

功率因数校正

美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED 驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9；但是，这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC61000-3-2 谐波含量标准中则规定了功率大于25 W 的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真(THD)0.94。

虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常>0.95+)。

图1：有源PFC的应用电路示意图

PFC 技术包括无源 PFC 及有源PFC 两种。无源PFC 方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8 或更高的功率因数。其中，在小于5 W 至40 W 的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7 的功率因数。

有源 PFC(见图1)通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC 通常提供升压，交流100 至277 Vac的宽输入范围下，PFC 输出电压范围达直流450 至480 Vdc。如果恰当地设计PFC 段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC 转换来提供电流稳流。

能效问题

LED 照明应用的能效需要结合功率输出来考虑。美国“能源之星”固态照明规范规定了照明器具级的能效，但并不涉及单独 LED 驱动器的能效要求。如前所述，采用AC-DC 电源的LED应用可以采用两段式分布拓扑结构，故可能采用外部AC-DC适配器供电。

而“能源之星”的确包含有关单输出外部电源的规范，其 2.0 版外部电源规范于2008 年11 月开始生效，要求标准工作模式下最低能效达87%，而低压工作模式下最低能效达86%；在此规范中，功率大于100 W 时才要求PFC。

图2：美国能源部2008年秋季提出的LED照明灯具能效研发目标

而在采用AC-DC 电源的LED 应用中，要提供更高的AC-DC 转换能效，就涉及到成本、尺寸、性能规范及能效等因素之间的折衷问题。例如，若使用更高质量的元件、更低导通阻抗(RDSon)，就可降低损耗及改善能效；降低开关频率一般会改善能效，但却会增加系统尺寸。诸如谐振这样新的拓扑结构提供更高能效，却也增加设计及元件的复杂度。如果我们将设计限定在较窄的功率及电压范围，则可以帮助优化能效。

驱动器标准

LED 驱动器本身也在不断演进，着重于进一步提高能效、增加功能及功率密度。美国“能源之星”的固态照明规范提出的是照明器具级的能效限制，涉及包括功率因数在内的特定产品要求。而欧盟的IEC 61347-2-13 (5/2006)标准针对采用直流或交流供电的LED模块的要求包括：

最大安全特低电压(SELV)工作输出电压≤25 Vrms (35.3 Vdc)

不同故障条件下“恰当”/安全的工作

故障时不冒烟或易燃

此外，ANSI C82.xxx LED 驱动器规范仍在制定之中。而在安全性方面，需要遵从UL、CSA 等标准，如UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012。此外，LED 照明设计还涉及到产品寿命周期及可靠性问题。