驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)對LED 燈具的影響

驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)方式，各有千秋，有阻容降壓式驅(qū)動(dòng)、恒壓式驅(qū)動(dòng)、恒流式驅(qū)動(dòng)、脈沖式驅(qū)動(dòng)、線性恒流式驅(qū)動(dòng)（無電源驅(qū)動(dòng)）等。

由于半導(dǎo)體發(fā)光發(fā)光二極管（LED）是電流式半導(dǎo)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(jié)溫溫度，因此，對LED采用不同的驅(qū)動(dòng)方式，將出現(xiàn)不同的使用效果。

1、阻容降壓式驅(qū)動(dòng)，是一款最簡單而最經(jīng)濟(jì)的LED驅(qū)動(dòng)方案。使用元器件少。

電路結(jié)構(gòu)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(shí)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(dāng)采用恒壓式驅(qū)動(dòng)供電時(shí)，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(shí)，各個(gè)LED的電流不可能一致，因此LED發(fā)光亮度和結(jié)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工作。

3、脈沖驅(qū)動(dòng)供電。幾年前就LED脈沖驅(qū)動(dòng)有了《低占空比脈沖驅(qū)動(dòng)對白光LED的視覺亮度及光效影響研究初探》等學(xué)術(shù)報(bào)道，通過實(shí)驗(yàn)研究，脈沖驅(qū)動(dòng)能節(jié)約電能，視覺亮度翻翻，光效低，結(jié)溫高，在多顆LED串聯(lián)或并聯(lián)使用時(shí)，同樣受LED的Vf的影響，要實(shí)際運(yùn)用時(shí)，需進(jìn)一步研究與評價(jià)。

4、恒流驅(qū)動(dòng)。目前，比較成熟的運(yùn)用居多的是恒流方案。

但是，恒流驅(qū)動(dòng)方案在實(shí)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(qū)動(dòng)的典型接線方式：由恒流驅(qū)動(dòng)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(jìn)行調(diào)整：首先將恒流驅(qū)動(dòng)電源的電壓（調(diào)RV）到最大值，調(diào)RI電流到額定值；再將LED的一路斷開，調(diào)節(jié)RV使電流為2/3I值，稱為統(tǒng)調(diào)的工序完成，接上斷開的一路，整燈調(diào)整結(jié)束。

由于半導(dǎo)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(gè)支路各串一只功率電阻R1、R2、R3，調(diào)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(qū)動(dòng)方案情況下的權(quán)宜之計(jì)。

5、線性恒流式驅(qū)動(dòng)，又稱去（無）電源化驅(qū)動(dòng)。目前國內(nèi)市場看得到“LED線性恒流驅(qū)動(dòng)”方案，內(nèi)部大致結(jié)構(gòu)參考圖二，它直接通過對220V交流進(jìn)行電橋式整流，得到兩個(gè)半波正弦波電壓，再通過對4路串聯(lián)的LED進(jìn)行分時(shí)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?yàn)橹挥挟?dāng)電流波形和電壓波形的相位一致時(shí)，PF值才能等于1。因此，LED線性恒流驅(qū)動(dòng)方案是低成本，高PF值的恒流方案。

雖然線性恒流式驅(qū)動(dòng)具有電路簡單、低成本、高PF值的特點(diǎn)，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(yīng)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(shí)驗(yàn)，輸入低電壓時(shí)，只有一組LED發(fā)光（第一組）；輸入電壓低于AC210V時(shí)，LED亮度很不均勻（第四組暗）；當(dāng)輸入電壓超過AC230V時(shí)，系統(tǒng)功率隨輸入電壓的上升而快速上升，導(dǎo)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(shè)備的企業(yè)；b、頻閃嚴(yán)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(dá)不到EMC、EMI的要求。

通過對阻容降壓式驅(qū)動(dòng)、恒壓式驅(qū)動(dòng)、恒流式驅(qū)動(dòng)、脈沖式驅(qū)動(dòng)、線性恒流式驅(qū)動(dòng)等對LED供電方案的了解，目前使用的驅(qū)動(dòng)方案嚴(yán)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(qū)動(dòng)應(yīng)該達(dá)到的功能技術(shù)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)好的LED驅(qū)動(dòng)就能設(shè)計(jì)出好的LED燈具。一個(gè)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)。至于外形是機(jī)械設(shè)計(jì)，在此不考慮。

1、驅(qū)動(dòng)與LED的匹配。LED是半導(dǎo)體功率二極管，通過發(fā)光反應(yīng)出對電能的轉(zhuǎn)

換，輸入電流與發(fā)光量有一個(gè)對應(yīng)關(guān)系，可稱為輸出特性；加在二極管PN結(jié)的正向電壓Vf與流過LED電流有正比關(guān)系，可稱為輸入特性。LED是半導(dǎo)體材料制成的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，于是具有半導(dǎo)體的所有特性，阻抗匹配是電子電路設(shè)計(jì)需注重的，對于LED與驅(qū)動(dòng)需要有最佳匹配。

2、自適應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)在運(yùn)用的恒流驅(qū)動(dòng)是集中恒流方式，要想達(dá)到最佳驅(qū)動(dòng)效果，最好是一個(gè)LED有一個(gè)恒流電路驅(qū)動(dòng)，可稱之為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，在實(shí)際運(yùn)用中是不可能的，即使是COB也是有多個(gè)LED芯片串并而成。當(dāng)LED芯片串聯(lián)以后，由于單個(gè)Vf值的關(guān)系，該串LED的輸入特性將發(fā)生變化，獨(dú)立電流驅(qū)動(dòng)電路就需要識別并作出調(diào)整，確保電流的穩(wěn)定性。

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

4、降低LED結(jié)溫。散熱器在LED燈具中是被動(dòng)的散熱，如果減小LED的發(fā)熱量，結(jié)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(qū)動(dòng)的要求，江蘇普明光電科技有限公司歷經(jīng)幾年的時(shí)間研發(fā)了“普式驅(qū)動(dòng)”（Pulse）方案和高壓LED驅(qū)動(dòng)方案。

三、“普式驅(qū)動(dòng)”（Pulsedrive）法

“普式驅(qū)動(dòng)”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(shí)際運(yùn)用。

特點(diǎn)：

1、獨(dú)立恒流，實(shí)現(xiàn)多路驅(qū)動(dòng)互不干擾。能自動(dòng)識別負(fù)載中每一路LED的輸入、輸出特性，自動(dòng)適配，保證驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定互不干擾。

2、采用“閉環(huán)回路”疊加式控制技術(shù)，增加有效光通量。

3、大電流驅(qū)動(dòng)LED，提升系統(tǒng)光效。

4、LED工作在間息狀態(tài)，降低了LED結(jié)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(dá)到理想的效果。

6、低電壓直流24V恒壓供電。

運(yùn)用：

典型運(yùn)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(dá)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(zhuǎn)換的損耗，延長太陽能路燈的亮燈時(shí)間。

實(shí)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(qū)動(dòng)方案

針對線性恒流式驅(qū)動(dòng)（無電源驅(qū)動(dòng)）方案在我國運(yùn)用的缺陷，公司開發(fā)了新型高壓LED驅(qū)動(dòng)的方案，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測，達(dá)到如下指標(biāo)：

1、PF＞0.95；

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

3、當(dāng)電源電壓達(dá)到270V時(shí)，電路自動(dòng)調(diào)節(jié)為2/3額定功率，低于270V時(shí)恢復(fù)額定功率，響應(yīng)時(shí)間：3S。

4、燈具效率達(dá)到90%以上；

5、頻率響應(yīng)300Hz～500H