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LED照明设计基础知识

    发光二极管(LED)继在中小尺寸屏幕的便携产品背光等应用获大量采用后,随着它发光性能的进一步提升及成本的优化,近年来已迈入通用照明领域,如建筑物照明、街道照明、景观照明、标识牌、信号灯、以及住宅内的照明等,应用可谓方兴未艾。

    另一方面,LED照明设计也给包括中国工程师在内的工程社群带来了挑战,这不仅因为LED照明的应用范围非常广泛,应用的功率等级、可以采用的驱动电源种类及电源拓扑结构等,也各不相同。工程师们迫切需要系统地学习及了解更多有关LED照明设计的基础知识。有鉴于此,安森美半导体的产品应用总监Bernie Weir先生近期专门撰写相关培训资料,为工程师们传授相关的设计基础知识,内容涉及LED驱动器的通用要求、电源拓扑结构、功率因数校正、电源转换能效和驱动器标准,以及可靠性和使用寿命等其它问题,方便他们更好地设计入门及提高,从而更好地服务于LED照明市场。限于篇幅,本文是该培训资料的摘要介绍。

    一、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。当然,用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式,用于需要“相互匹配的”LED正向电压的应用,并获得其它优势。如在交叉连接中,如果其中某个LED因故障开路,电路中仅有1个LED的驱动电流会加倍,从而尽量减少对整个电路的影响。

    LED的排列方式及LED光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流,而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器基本的工作电路示意图如图2所示,其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接,最常用的是采用变压器来电气隔离,而“非隔离”则没有采用高频变压器来电气隔离。

    值得一提的是,在LED照明设计中,AC-DC电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置:1)整体式(integral)配置,即两者融合在一起,均位于照明灯具内,这种配置的优势包括优化能效及简化安装等;

    2)分布式(distributed)配置,即两者单独存在,这种配置简化安全考虑,并增加灵活性。

    LED驱动器根据不同的应用要求,可以采用恒定电压(CV)输出工作,即输出为一定电流范围下钳位的电压;也可以采用恒定电流(CC)输出工作,输出的设计能严格限定电流;也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作,即提供恒定输出功率,故作为负载的LED的正向电压确定其电流……

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