驅動設計對LED 燈具的影響

驅動設計對LED燈具的影響王森、賈蘇青、程壽生

（江蘇普明光電科技有限公司）

一、LED燈具驅動設計對LED燈具使用的影響：

自從采用LED作為新型光源以來，LED燈具采用了多種驅動方式，各有千秋，有阻容降壓式驅動、恒壓式驅動、恒流式驅動、脈沖式驅動、線性恒流式驅動（無電源驅動）等。

由于半導體發(fā)光發(fā)光二極管（LED）是電流式半導體功率器件，通過它的電流能

直接影響其發(fā)光亮度（LED光通量）和LED結溫溫度，因此，對LED采用不同的驅動方式，將出現(xiàn)不同的使用效果。

1、阻容降壓式驅動，是一款最簡單而最經(jīng)濟的LED驅動方案。使用元器件少。

電路結構簡單，但是，只靠電容降壓與限流，就不能提供高的PF值和穩(wěn)定的電流，同時受輸入電壓變化的影響非常大。只能用于要求不高且電流小的場合。

2、當采用恒壓式驅動供電時，由于LED的Vf值不可能完全一致，所以在多顆LED串聯(lián)或并聯(lián)使用時，各個LED的電流不可能一致，因此LED發(fā)光亮度和結溫不一致，Vf值小的因電流大、溫度偏高容易首先損壞，形成惡性循環(huán)，不容易實現(xiàn)穩(wěn)定的工作。

3、脈沖驅動供電。幾年前就LED脈沖驅動有了《低占空比脈沖驅動對白光LED的視覺亮度及光效影響研究初探》等學術報道，通過實驗研究，脈沖驅動能節(jié)約電能，視覺亮度翻翻，光效低，結溫高，在多顆LED串聯(lián)或并聯(lián)使用時，同樣受LED的Vf的影響，要實際運用時，需進一步研究與評價。

4、恒流驅動。目前，比較成熟的運用居多的是恒流方案。

但是，恒流驅動方案在實際使用過程中又存在以下問題：以圖一30W燈具10串三并為例說明。圖一為現(xiàn)有LED路燈恒流驅動的典型接線方式：由恒流驅動電源、30顆1W的燈珠、電流適配器連接而成。

為了使LED工作穩(wěn)定，燈具接線完成后要進行調整：首先將恒流驅動電源的電壓（調RV）到最大值，調RI電流到額定值；再將LED的一路斷開，調節(jié)RV使電流為2/3I值，稱為統(tǒng)調的工序完成，接上斷開的一路，整燈調整結束。

由于半導體材料的離散型，30顆LED的Vf值不可能一樣，因此，三串LED的電流I1、I2、I3不可能相等，電流一致性很難得到保障。為了盡量保證三路電流一致，有些廠家加了電流適配器盒，在三個支路各串一只功率電阻R1、R2、R3，調節(jié)R1、R2、R3的阻值使I1=I2=I3，LED電路工作相對穩(wěn)定。由于在電路中加入了功率電阻，增加了系統(tǒng)的功率損耗，系統(tǒng)功率增加，光效下降。是在沒有更好的驅動方案情況下的權宜之計。

5、線性恒流式驅動，又稱去（無）電源化驅動。目前國內市場看得到“LED線性恒流驅動”方案，內部大致結構參考圖二，它直接通過對220V交流進行電橋式整流，得到兩個半波正弦波電壓，再通過對4路串聯(lián)的LED進行分時分段恒流，于是4段疊加后的電流波形接近半波正弦波電壓形波（見圖三），因為只有當電流波形和電壓波形的相位一致時，PF值才能等于1。因此，LED線性恒流驅動方案是低成本，高PF值的恒流方案。

雖然線性恒流式驅動具有電路簡單、低成本、高PF值的特點，但也存在如下問題：a、電壓適用范圍狹窄，最佳工作電壓是AC210V～AC230V。由于LED是串聯(lián)工作的，為了適應電源電壓的需求，串聯(lián)的LED的Vf值總和要在220V～240V左右,經(jīng)過實驗，輸入低電壓時，只有一組LED發(fā)光（第一組）；輸入電壓低于AC210V時，LED亮度很不均勻（第四組暗）；當輸入電壓超過AC230V時，系統(tǒng)功率隨輸入電壓的上升而快速上升，導致IC損壞。我國地闊遼源，電壓不可能穩(wěn)定在AC210V～AC230V之間不變，特別是有大功率設備的企業(yè)；b、頻閃嚴重。（100Hz的頻閃）；c、效率做不高。大概在65%～70%左右。d、輸入部分沒有共模電感等吸收電子雜波的元器件，達不到EMC、EMI的要求。

通過對阻容降壓式驅動、恒壓式驅動、恒流式驅動、脈沖式驅動、線性恒流式驅動等對LED供電方案的了解，目前使用的驅動方案嚴格的講都不是最佳的方案，直接影響LED照明的發(fā)展。

二、LED驅動應該達到的功能技術要求

設計一個好的LED驅動就能設計出好的LED燈具。一個好的LED燈具需要做到高光效、長壽命、發(fā)熱低、光衰小、小散熱體積、符合相關標準。至于外形是機械設計，在此不考慮。

1、驅動與LED的匹配。LED是半導體功率二極管，通過發(fā)光反應出對電能的轉

換，輸入電流與發(fā)光量有一個對應關系，可稱為輸出特性；加在二極管PN結的正向電壓Vf與流過LED電流有正比關系，可稱為輸入特性。LED是半導體材料制成的半導體發(fā)光二極管，于是具有半導體的所有特性，阻抗匹配是電子電路設計需注重的，對于LED與驅動需要有最佳匹配。

2、自適應電流驅動?，F(xiàn)在運用的恒流驅動是集中恒流方式，要想達到最佳驅動效果，最好是一個LED有一個恒流電路驅動，可稱之為獨立驅動，在實際運用中是不可能的，即使是COB也是有多個LED芯片串并而成。當LED芯片串聯(lián)以后，由于單個Vf值的關系，該串LED的輸入特性將發(fā)生變化，獨立電流驅動電路就需要識別并作出調整，確保電流的穩(wěn)定性。

3、恒流驅動與恒壓電源的匹配。出現(xiàn)了多路（或獨立）恒流驅動，集中恒流驅動電源就不能勝任了，理想方案是恒壓電源+多路恒流驅動。為了得到更高的效率，恒流驅動與恒壓電源之間還應有最佳匹配。

4、降低LED結溫。散熱器在LED燈具中是被動的散熱，如果減小LED的發(fā)熱量，結溫自然下降，就不需要很大的散熱器。既解決了體積，又延長燈具壽命。

為了滿足LED對驅動的要求，江蘇普明光電科技有限公司歷經(jīng)幾年的時間研發(fā)了“普式驅動”（Pulse）方案和高壓LED驅動方案。

三、“普式驅動”（Pulsedrive）法

“普式驅動”方案已獲得國家發(fā)明專利，目前制成了集成電路，型號為：MHQD25D和HSOP28L，已投入實際運用。

特點：

1、獨立恒流，實現(xiàn)多路驅動互不干擾。能自動識別負載中每一路LED的輸入、輸出特性，自動適配，保證驅動電流穩(wěn)定互不干擾。

2、采用“閉環(huán)回路”疊加式控制技術，增加有效光通量。

3、大電流驅動LED，提升系統(tǒng)光效。

4、LED工作在間息狀態(tài)，降低了LED結溫，可減小散熱器面積，控制燈具溫度。

5、有4種工作模式可程序選控，錄入不同的數(shù)據(jù)，達到理想的效果。

6、低電壓直流24V恒壓供電。

運用：

典型運用電路見圖四，燈板和模組見圖五、圖六。

圖四是30W模組的電路原理，圖五是30W、40W、50W方形模組鋁基板，圖六是30W長條形模塊。所有元器件焊接在鋁基板上，錄入數(shù)據(jù)，接通24V電源，模塊工作。通過不同組合，能達到以下效果：

1、可以配合任意外形的燈殼，組成60W、90W、120W、150W等不同功率的燈具（見燈具圖）；2、配上不同角度的透鏡和外殼，可以組成不同功率的投光燈、泛光燈、隧道燈、工礦燈（高棚燈）等燈具；

3、由于模塊工作電壓是24V（21V-26v都可以穩(wěn)定工作），蓄電池可直接供電亮燈，減少了恒流式LED太陽能路燈電源轉換的損耗，延長太陽能路燈的亮燈時間。

實際使用中，選用單顆光效140lm～145lm/W、色溫：5700K、顯指：72的普通燈珠，28顆光源，用5組長形模塊做成150W路燈，通過測量，光效130lm/W；散熱器溫度45℃。

四、高壓LED驅動方案

針對線性恒流式驅動（無電源驅動）方案在我國運用的缺陷，公司開發(fā)了新型高壓LED驅動的方案，經(jīng)實驗室檢測，達到如下指標：

1、PF＞0.95；

2、采用了寬電壓浮動跟蹤調節(jié)技術，電壓適用范圍：AC150V～AC270V，功率誤差低于2.5W；

3、當電源電壓達到270V時，電路自動調節(jié)為2/3額定功率，低于270V時恢復額定功率，響應時間：3S。

4、燈具效率達到90%以上；

5、頻率響應300Hz～500H