原创 中大功率LED 灯具驱动电源设计技术思考

   户外照明和亮光工程越来越多的采用LED灯具。LED灯具和传统光源相比较拥有寿命长、亮度可调、光通量损失小、发光指向性强、抗震性能好、对环境没有污染等优点。
    LED光源是固态的半导体光源，它本身的发光特性决定它故障率概率相当低，与驱动电源连接部分只要做得好，故障率也相当低，所以就LED灯具而言，LED驱动电源的质量的好坏直接决定了整个灯具的寿命。
    户外灯具它的安装环境决定它必须经受长年的风吹雨淋，遭受雷鸣电闪和雷电的攻击，接受暴晒和高温、大雪和严寒的恶劣环境，最低气温可达-40oC,最高气温可能超过50oC。夏季雷击对户外灯具来说是一个非常大的威胁。雷击主要有直击雷、感应雷、传导雷和开关过电压四种类型，对电源设备影响最大的就是感应雷，瞬时有可能产生5000KV的高压，极具破坏力，因此户外灯具的防雷，要求
电源能过8000KV的浪涌电压测试。驱动电源的抗雷性能是关键。
     户外灯具的防水等级要求大于IP65，目前有许多产品已达IP68。
    由此可见要将户外中大功率LED灯具的驱动电源做好也是十分不容易的。LED灯具厂家在如何自主开发设计LED驱动电源这个重要问题上往往进退两难。自已设计生产电源固然是好，有自已的知识产权，和自已的产品能很好的配合。但是对于中大功率的LED灯具来说，每个月的产量不可能上量，能生产几十台到几百台已经是很不错的了，而对这些电源要求精益求精和大幅降低成本，尽快通过CE和UL认证是有困难的。
LED 驱动电源的基本方案
    LED 驱动电源的基本方案如图1 所示，即交流市电→AC/DC 转换→DC/DC 恒流→LED 光源。无论是MR16、GU10、E27、Par30、Par38、筒灯、嵌灯、水底灯、洗墙灯、投光灯、隧道灯、路灯、水簇灯、植物生长灯。。。都需要按照这个原理设计的电源。LED 光源只能使用恒流电源才能正常工作，才能长寿命工作。

LED 照明驱动专用IC 缤纷上市
    市电都是以较高的交流电压输送和提供给千家万户的，而 LED 光源工作需要较低的VF 电压和恒定不变的驱动电流IF，所以必须经AC/DC 的交直流变换，且经DC/DC 的稳压恒流。AC/DC 转换有用集成度较高的IC 组成模块电路，和专业设计生产的开关电源；DC/DC 的稳压恒流有用专门集成设计的IC，也有借用其他电源IC 来替用的。
    LED 照明驱动电源早期没有专用的驱动IC，大多都是从通用的AC/DC 和DC/DC 电源IC 借用过来，AC/DC 开关电源IC 是为消费电子需要多档电压输出而设计的，如TV、DVD 等都是宽电源一路输入，而需要高低不同的多路电压输出，因此应用电路比较繁复，而IC 的很多功能在LED 照明电路中并不需要而被闲置，IC 的很多珍贵的面积被浪费因而造成进一步降价困难。新的专门为LED照明而设计的驱动IC 今夏以来纷纷登台，LED 照明基本只需一路恒流输出。这就是专为LED 应用设计AC/DC 驱动IC 的特殊点，高度集成和力求应用电路简洁，使LED 灯具驱动电源生产成本自然回落，促进LED 照明销量快速增长。今夏以来，LED 照明驱动专用IC 缤纷上市。以中功率的驱动IC 为例，美国PI 公司推出新一代LED 照明灯具专用驱动IC，如PI 刚刚推出的适合设计隔离式电源方案的LinkSwitch-PH （图2），电源功能高度集成，应用电路简单、周边零件较少，与前一代IC 相比可省去周边22 个零件，节省空间和应用成本。
用于6-18W 灯具效率最高、用于12-50W 灯具成本最低。

    上海 BPS 公司是地道的本土IC 设计公司，今秋推出的BP3108 也是一枚应用电路简洁的LED 灯具驱动电源专用IC，芯片内部结构具有多个专利，如专利的可控硅调光技术可使调光无闪烁，SMART 开关驱动技术可优化电源的EMI设计，专利的线电压补偿技术使电源的全电压恒流精度达到1%，高精度恒流PSR技术使电源电路无需光耦和次级电流采样电路，外置MOS 使输出功率大小由之。

大功率驱动电源趋向专业生产
    如今，中大功率 LED 灯具的驱动电源从各厂自制开始走向向专业电源生产厂家购买新型的开关恒流源，从而既能加快产品设计周期又能保证产品质量，既能降低灯具生产厂家的风险又能使产品成本有效下降，产品通过CE、UL 认证不再困难，LED 灯具厂家产品开发速度明显加快，产品可靠性更好。选用专业生产的开关恒流源或许是中小LED 灯具厂的必由之路、理性选择（图4）。

目前专业的开关电源工厂已经设计生产性能很好的单路、多路输出的恒压、恒流一体式隔离防水的开关恒流源（图5）。技术性能也能满足中大功率LED 照明灯具的需要，如：
       40-60% 余量设计，使电源长时间工作不易发烫；
       输入 90 ～ 305Vac 宽电压；
       效率 0.8--0.92；
       功率因素 0.9--0.99；
       多级驱动隔离方案；
       5 万小时耐久性测试；
       8000KV 浪涌测试；
       内外部防雷系统；
       防水 IP67--68；
    就灯具工厂而言，中大功率 LED 照明灯具产品每月的生产量不可能很大，因此要做精驱动电源事实上是很困难的；CE、UL 等的认证费用不菲，只有大批量生产的厂家才有此实力和必要；因此选购带认证的开关恒流源来配套是LED路灯、投光灯、洗墙灯等大型灯具是生产厂家最经济实惠、最明智的选择。专业工厂设计生产的开关恒流源将成为中大功率LED 照明灯具生产的厂家首选。LED 照明灯具厂采取内外组合设计也许是加快产品开发周期的最佳方案之一。

影响 LED 灯具寿命的关键

     LED 光源的光衰：与LED 管芯的质量和生产工艺、LED 光源工作电流、散热有关；
     LED 光源的散热：热量聚积，促使早衰；
     LED 驱动电源电路：铝电解电容器的使用寿命在5000 小时以下，铝电解电容器的寿命还与使用环境温度有很大关系，环境温度升高电解质的损耗加快，环境温度每升高10 o C，电解电容器寿命就会减  少一半。
     105 度的高温电解电容器的寿命为10000 小时。按电解电容器的寿命估算，“使用环境温度每降低10 度，寿命增加一倍。”因此，它在95 度环境下理论工作寿命可达20000 小时。。。目前各生产厂商的品质差异还是很大的，选用要谨慎。

Alec 2010-10-28

参考资料
1）《LED照明驱动电源设计技术》（PPT） 颜重光 2010‐05
2）《LED 灯具驱动技术发展趋势分析》 颜重光 《高工LED》2010‐02
3） Power Supplies for Driving LED Lamps（PPT） JPI June 2010
4）《背光及照明用LED驱动IC技术市场分析》颜重光 EDN电源技术2008-3
5） 《实用LED台灯方案设计思考》颜重光《照明》2009-10