LED驅動設計經(jīng)驗談：驅動方式、器件選型、紋波抑制

要普及LED燈具，不但需要大幅度降低成本，更需要解決技術性的問題。如何設計出可靠且低成本的LED驅動器是其中的關鍵。

主流的幾種LED驅動方式

1、阻容降壓

利用電容在交流下的阻抗來限制輸入電流，從而獲得直流電平給LED供電。這種驅動方式結構簡單，成本低廉，但是輸入非隔離方案，有安全隱患。而且轉換效率很低，無法做到恒流控制。

2、隔離反激電路

利用反激電路，通過變壓器在副邊產(chǎn)生直流電平，再通過光耦將此電平的紋波反饋回原邊，從而自激穩(wěn)定。此類電路符合安規(guī)認定要求，而且輸出恒流精度較好，轉換效率較高。但由于需要光耦和副邊恒流控制電路，導致系統(tǒng)復雜，體積大，成本高。目前已逐漸為原邊方案取代。

3、原邊方案

原邊方案就是通過*在交流原邊控制輸出的電源和電流，zui可以做到5%的恒流精度，副邊僅需簡單的輸出電路即可。原邊主要依靠輔助邊的反饋來控制輸出電壓，依靠限流電阻對原邊電流的控制，同時乘以匝比來控制輸出電流的精度。原邊方案繼承了隔離反激電路的種種優(yōu)點，同時架構簡單，可以做到小體積和低成本，目前已成為主流驅動。

原邊的恒流精度問題：由于變壓的生產(chǎn)精度難以控制，導致原邊方案在使用低質量變壓器時，輸出電流漂移較大。所以，原邊方案通過改進增加了副邊恒流控制電路，這樣雖然比普通的原邊方案復雜了，但是對比反激方案，仍然可以省去光耦等，系統(tǒng)。

LED驅動電源設計考慮要素

根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED驅動電源的特性要求，在選擇和設計LED驅動電源時要考慮到以下幾點：

1、高可靠性

特別像LED路燈的驅動電源，裝在高空，維修不方便，維修的花費也大。

2、率

LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內的結構，尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

3、高功率因素

功率因素是電網(wǎng)對負載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點燈，同類負載太集中，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴重的污染。對于30瓦～40瓦的LED驅動電源，據(jù)說不久的將來，也許會對功率因素方面有一定的指標要求。

4、驅動方式

現(xiàn)在通行的有兩種：其一是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路LED供電。這種方式，組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個LED故障，不影響其他LED運行的問題。這兩種形式，在一段時間內并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向。

5、浪涌保護

LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負載的啟甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。

6、保護功能

電源除了常規(guī)的保護功能外，在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。

7、防護方面

燈具外安裝型，電源結構要防水、防潮，外殼要耐曬。

8、驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配。

9、要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。

隨著LED的應用日益廣泛，LED驅動電源的性能將越來越適合LED的要求。

LED驅動器件選型注意事項

以下是電源管理ICPowerIntegrations公司的專家DougBailey分享的高可靠LED驅動設計的一些心得。

1、不要使用雙極型功率器件

DougBailey指出由于雙極型功率器件比MOSFET便宜，一般是2美分左右一個，所以一些設計師為了降低LED驅動成本而使用雙極型功率器件，這樣會嚴重影響電路的可靠性，因為隨著LED驅動電路板溫度的提升，雙極型器件的有效工作范圍會迅速縮小，這樣會導致器件在溫度上升時故障從而影響LED燈具的可靠性，正確的做法是要選用MOSFET器件，MOSFET器件的使用壽命要遠遠長于雙極型器件。

2、盡量不要使用電解電容

LED驅動電路中到底要不要使用電解電容?目前有支持者也有反對者，支持者認為如果可以將電路板溫度控制好，依次達成延長電解電容壽命的目的，例如選用105度壽命為8000小時的高溫電解電容，根據(jù)通行的電解電容壽命估算公式“溫度每降低10度，壽命增加一倍”，那么它在95度環(huán)境下工作壽命為16000小時，在85度環(huán)境下工作壽命為32000小時，在75度環(huán)境下工作壽命為64000小時，假如實際工作溫度更低，那么壽命會更長!由此看來，只要選用高品質的電解電容對驅動電源的壽命是沒有什么影響的!

還有的支持者認為由無電解電容帶來的高紋波電流而導致的低頻閃爍會對某些人眼造成的不適，幅度大的低頻紋波也會導致一些數(shù)碼像機設備出現(xiàn)差頻閃爍的亮暗柵格。所以，高品質光源燈具還是需要電解電容的。不過反對者則認為電解電容會自然老化，另外，LED燈具的溫度極難控制，所以電解電容的壽命必然會減少，從而影響LED燈具的壽命。

對此，DougBailey認為，在LED驅動電路輸入部分可以考慮不用電解電容，實際上使用PI的LinkSwitch-PH就可以省去電解電容，PI的單級PFC/恒流設計可以讓設計師省去大容量電容，在輸出電路中，可以用高耐壓陶瓷電容來代替電解電容從而提升可靠性，“有的人在設計兩級電路的時候，在輸出采用了一個400V的電解電容，這會嚴重影響電路的可靠性，建議采用單級電路用陶瓷電容就可以了。”他強調。“對于不太關注調光功能、高溫環(huán)境及需要高可靠性的工業(yè)應用來說，我強烈建議不采用電解電容進行設計。”

3、MOSFET的耐壓不要低于700V

耐壓600V的MOSFET比較便宜，很多認為LED燈具的輸入電壓一般是220V，所以耐壓600V足夠了，但是很多時候電路電壓會到340V，在有浪涌的時候，600V的MOSFET很容易被擊穿，從而影響了LED燈具的壽命，實際上選用600VMOSFET可能節(jié)省了一些成本但是付出的卻是整個電路板的代價，所以，“不要選用600V耐壓的MOSFET，選用耐壓超過700V的MOSFET.”他強調。

4、盡量使用單級架構電路

Doug表示有些LED電路采用了兩級架構，即“PFC(功率因數(shù)校正)+隔離DC/DC變換器”的架構，這樣的設計會降低電路的效率。例如，如果PFC的效率是95%，而DC/DC部分的效率是88%，則整個電路的效率會降低到83.6%!“PI的LinkSwitch-PH器件同時將PFC/CC控制器、一個725VMOSFET和MOSFET驅動器集成到單個封裝中，將驅動電路的效率提升到87%!”Doug指出，“這樣的器件可大大簡化電路板布局設計，zui多能省去傳統(tǒng)隔離反激式設計中所用的25個元件!省去的元件包括高壓大容量電解電容和光耦器。”Doug表示LED兩級架構適用于必須使用第二個恒流驅動電路才能使PFC驅動LED恒流的舊式驅動器。這些設計已經(jīng)過時，不再具有成本效益，因此在大多數(shù)情況下都采用單級設計。

5、盡量使用MOSFET器件

如果設計的LED燈具功率不是很高，Doug建議使用集成了MOSFET的LED驅動器產(chǎn)品，因為這樣做的好處是集成MOSFET的導通電阻少，產(chǎn)生的熱量要比分立的少，另外，就是集成的MOSFET是控制器和FET在一起，一般都有過熱關斷功能，在MOSFET過熱時會自動關斷電路達到保護LED燈具的目的，這對LED燈具非常重要，因為LED燈具一般很小巧且難以進行空氣散熱。

LED驅動設計中抑制紋波的5種方法

LED驅動設計中，對于紋波，理論上和實際上都是一定存在的，通常抑制或減少它的做法有五種。

輸出紋波是指直流電源輸出時，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。用示波器來看，會看到電壓上下輕微波動，就像水紋一樣，所以叫做紋波。通常抑制或減少它的做法有如下幾種：

1、加大電感和輸出電容濾波

根據(jù)LED驅動電源的公式，電感內電流波動大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

輸出紋波與輸出電容的關系：vripple=Imax/（Co×f）。可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。

通常的做法，對于輸出電容，使用鋁電解電容以達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR也比較大，所以會在它旁邊并聯(lián)一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。

同時，LED驅動電源工作時，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開關變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端（以BucK型為例，是SWITcH附近），并聯(lián)電容來提供電流。

2、二級濾波，就是再加一級LC濾波器

LC濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。但是，這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點。

采樣點選在LC濾波器之前（Pa），輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會有壓降產(chǎn)生，導致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。

3、LED驅動電源輸出之后，接LDO濾波

這是減少紋波和噪聲zui有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變原有的反饋系統(tǒng)，但也是成本zui高，功耗zui高的辦法。任何一款LDO都有一項指標：噪音抑制比。經(jīng)過LDO之后，紋波一般在10mV以下。

4、在二極管上并電容C或RC

二極管高速導通截止時，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復期間，等效電感和等效電容成為一個RC振蕩器，產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡。電阻一般取10Ω-100Ω，電容取4.7pf-2.2nf.

在二極管上并聯(lián)的電容C或者RC,其取值要經(jīng)過反復試驗才能確定。如果選用不當，反而會造成更嚴重的振蕩。

5、二極管后接電感（EMI濾波）

這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對產(chǎn)生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實際的要求。 

來源：中國之光