LED灯具驱动技术发展趋势分析

　　科技进步日新月异，科技创造人类的新生活。近几年，全球人类共识：未来与绿色环保节能相关的产业前景光明灿烂。LED照明产业首当其冲，将展现无限的生命力、无穷大的海量市场。2009年LED照明产业丝毫没有受全球经济危机的影响，在中国政府的大力推动下，中国LED照明产业正快速走热，2009年成为LED照明元年，中国LED照明产业链在此经济危机中快速成长和完善，LED新一代照明技术迅速发展，带动LED照明产业链的数以千百万家企业欣欣向荣。

　　LED光源是一颗耀眼的明星，基于LED可以做成形形色色、千变万化的照明和灯饰灯具、LED广告大屏、LED信息屏、手机和MP3/MP4等消费电子的显示屏背光、笔记本电脑和LCD-TV显示屏的背光。

　　LED光源的正常工作发光，离不开驱动IC。本文就最近阶段LED照明灯具驱动技术发展趋势而言。

　　LED照明灯具的基本架构

　　LED照明灯具的基本架构是：LED光源 + 驱动电源 + 灯具金属/塑料结构件。LED光源涉及LED灯具产品的亮度、色彩、寿命；驱动电源涉及LED灯具产品的电气性能和稳定性、可靠性、寿命；金属/塑料结构件涉及LED灯具产品散热性能和造型时尚新颖，以及不同的应用场合。

图1 LED照明灯具的基本架构

　　LED光源高效节能而无碳排放

　　LED光源是固体发光的新一代光源，LED光源作为绿色、节能、省电、长寿命的第四代照明灯具而异军突起、广受关注、如火如荼迅速发展。LED光源作为第四代新型节能光源诞生之时即被用来做各类灯具的发光光源。作为光源的白炽灯其发光效率只有百分之五，而LED光源的发光效率几乎接近百分之九十。LED照明以其高节能、长寿命、利环保的特点成为大家广为关注的焦点。这几年高亮度的LED光源因其制造技术突飞猛进，而其生产成本又节节下降，如今几乎所有的灯具都可以使用LED光源作为高亮度、高效率而又省电、无碳排放的照明光源。

　　LED光源点亮需要驱动IC

　　目前的DC LED光源是低电压（VF=2→3.6V）、大电流（IF=200→1500mA）工作的半导体器件，必须提供合适的直流恒定电流才能正常发光。直流（DC）驱动DC LED光源发光的技术已经越来越成熟，由于我们日常照明使用的电源是高压交流电（AC100-220V），所以必须使用降压的技术来获得较低的电压，常用的是开关电源降压，然后将交流电（AC）变换成直流电（DC），再由驱动IC变换成直流恒流源才能促使LED光源发光。因此直流驱动LED光源的系统应用方案必然是：开关电源 + 恒流源。LED灯具里必然要有一定的空间来安置这个电源模块，但是对于E27标准螺口的灯具来说空间十分有限，很难安置。无论是经由开关电源或是其它方法降压，系统都会有一定量的损耗，DC LED灯具在交流、直流电之间转换时约8～25%的电力被损耗，系统效率很难做到90%以上。因此提高转换效率一直是电源芯片和电源制造商追求的目标。

　　常见LED光源驱动IC

　　目前常见LED光源驱动IC都是从通用电源IC借用过来的，真正为LED光源设计的驱动IC还很少，很多公司都在设计中，预计到2010年中可能会有不少可应市。目前LED光源驱动的低成本而不安全的方案是用阻容降压的方法来实现的，如先前的圣诞灯饰；低成本的驱动还可以用CCR和LDO，它们的驱动电流都不大，CCR只能驱动0.5W以下的LED，如0.06W的草帽灯，LDO用稳压的方法可驱动1W的LED，但对LED光源的寿命不利；DC/DC→恒流源可能是目前已知的最理想方案之一了。

　　常见LED光源驱动IC及其功能表：

 

DC/DC恒流源驱动IC

　　DC/DC恒流源驱动IC是直接为LED光源提供恒定直流电源的。使用最多的是用DC/DC-Buck来做降压型恒流源，降压型恒流源好比从大水库取水，因此恒流特性稳定、供应能力强。用DC/DC-Boost来做升压型的恒流源，好比从水渠往上提水，输出电压可高于输入电压，如要求输出电流较大时需要扩流。

　　LED光源往往是串、并联应用来扩大灯具的亮度，由于LED光源具有一定的离散性，因此多个串联应用比并联应用来得更合理，可降低对LED光源一致性要求。用DC/DC-Buck来做降压型恒流源，多个LED光源串联以后需要的总电压不能高于DC/DC-Buck的输入电压，如能低2V是最理想的，此时恒流源的效率可大于90%。为此新一代的DC/DC-Buck恒流源IC的一些主要指标会有质的提高，Vin=5-70V，甚至Vin=5-100V，这样的芯片可达到汽车电子应用的基本条件，输出电压也可满足串接近20-30个LED光源的要求。提高Vin的电压关键是集成电路的制造工艺。

　　输出恒流精度也是值得关注的重要指标，它关系到恒流驱动电源在大批量工业化生产时产品的一致性，如因DC/DC-Buck恒流源IC输出的恒流精度不同而产生恒流驱动电源输出电流的不一致性，将影响成批生产的LED灯具亮度的差异，因此对新一代DC/DC-Buck恒流源IC的恒流输出精度要求为2%-1%。过流、过压、过温、开路保护是这类IC所必须具备的。开关频率抖动技术可有效地降低应用电路的EMI，因此会越来越多地被采用。内置的MOSFET还是不宜太大，一是顾及芯片的成本，二是考虑芯片本身在工作时的热量散发，一般单颗芯片的输出电流在2A以下。

　　此外由于工作时有750mA到1500mA电流通过，如在一个类似1.4X1.1mm的硅片管芯上，要长时间通过这些电流，必然有功耗，必然会发热，芯片本身的物理散热结构也是至关重要，驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热。如将管芯（Die）直接绑定在铜板上，并有一Pin直接延伸到封装外，便于直接焊接在PCB板的铜箔上迅速导热散发。

　　DC/DC恒流源驱动IC的功能高度集成是使应用电路简化的关键所在，如PT4115在应用时周边只需要四个元器件，大大节省了应用成本。

图2 应用电路简洁的PT4115

　　AC/DC恒流源驱动IC

　　直接在灯头上使用AC电源的照明灯具十分需要应用电路简洁、使用成本低的AC/DC恒流源驱动IC。目前使用的驱动IC大多是从开关电源转用过来的反激式恒流驱动方案，采用隔离降压原理。分成初级侧反馈控制和次级侧反馈控制二类应用，次级侧反馈控制系统精度可达2%，但整个应用电路需要元器件约二十多个；初级侧反馈控制系统精度一般可达5-3%，整个电路需要的元器件最少方案仅7-8个。LED灯具生产厂家是十分注重成本的。

　　目前AC/DC恒流源驱动IC正从反激式拓扑结构转向高效率谐振半桥（LLC） + PFC拓扑结构，以充分发挥零电压开关拓扑结构(ZVS)的优势，和满足LED灯具对PFC（功率因素较正）日益提高的要求，并要求在较低的功率等级(如<50 W)时能提高效率>90%。宽电压输入、短路和过功率保护、开路保护、较低的总谐波失真(THD)是基本的要求。

　　图 3 AC/DC恒流源驱动IC正从反激式拓扑结构转向高效率谐振半桥LLC

　　另一种AC/DC恒流源驱动IC发展思路是由功率因数校正((PFC)和脉宽调控(PWM)两种平均电流模式控制器组成新的驱动IC，其中PFC级采用的开关充电式乘法器技术，可以获得较高的功率因数与较低的总谐波失真(THD)；而PWM可以选择采用电流模式控制或是电压模式控制。PFC调控为上升沿调制，而PWM则采用下降沿调制，因为采用不同触发的调制可以降低PFC输出电容上的纹波电压。增加可编程的两段式PFC输出功能，可以提高低压输入和轻载时的系统效率。 增加多种保护功能，包括PWM与PFC的软启动、PFC过压/欠压、逐周期电流限制、PFC输入欠压等，确保电源后级LED光源不受损坏。PFC部份工作在连续电流模式，可以帮助降低升压电感电流的变化率，适用于较大功率的应用。增益调节器可以为电源提供较高的功率因数与较低的总谐波失真，是PFC级的核心，可以针对不同的输入电压、频率，有效值电压和PFC输出电压对电流环做出响应.。增益调节器的功能是产生控制信号给PFC级，控制其占空比使输出电压维持稳定；VRMS平方的倒数可以为高压和低压提供恒定功率。

　　AC/DC恒流源驱动IC应用与可控硅调光器配合也是顺应现有应用，对于宾客业和家居照明有相当大量的需求，也是正在发展的一个分枝，新的开发要适应隔离型交流/直流电离线式 100VAC / 230VAC应用 ，适用于前切相调光器、后切相调光器，要有可从 2% 提高到 100%宽调光范围，采用谐振控制，以便获取 85% 的高效率，满足谐波要求，无调光器时功率因数达 0.9。

　　对AC/DC恒流驱动源来说，传导和幅射是关系到LED灯具产品能否过CE和UL认证的十分重要参数，因此必须在230 VAC输入条件下按EN55015 B标准的测试传导EMI结果。

　　集成电路价格遵循金字塔的市场法则

　　集成电路产品从诞生之日起就进入不断降价的自然规律，正是由于降价才将生存的空间不断扩大。LED光源、驱动IC也都是集成电路，自然也遵循这个自然规律，这也就是LED照明能在短短几年迅速做大的根本所在。集成电路产品每降一次价，它的市场就扩大好几倍。LED照明是进入人居空间的海量产品，销售价格越走越低是必然的，集成电路的主要原料--硅在自然界就是处处可见，海量而低廉。