大功率LED驱动电源发展现状

王双喜，叶家星，晏建宇，刘高山

(汕头大学 工学院，广东 汕头 515000)

引言

照明作为电能消耗的重要方式，每年消耗全球近20%的电能。相比传统光源，LED具有节能环保、光效高、无污染等优点，被认为是21世纪最有潜力的照明光源。据报道[1]，2013年全球LED产值相比2012年有近12%的增长，从中可以看出LED产业强劲的发展势头。

一般地，额定功率在1W以上的LED称为大功率LED，目前大功率LED多应用在军事、航海、远洋渔业以及广场照明等领域。LED灯具由LED光源、散热器和驱动电源组成，LED驱动电源作为LED灯具重要部件，它的性能影响整个LED灯具的发光效果和可靠程度。目前，小功率LED驱动电源发展得比较成熟，但在大功率LED照明领域，由于发展时间较短，驱动电源技术成为目前大功率LED的短板。因而，开展大功率LED驱动电源的研究，开发高效的、长寿命的驱动电源对大功率LED行业的发展至关重要。

1 大功率LED特性

LED的材料主要为Ⅲ-Ⅴ族元素组成的化合物，如GaAs、GaAsP、AlGaInP等[2]。通过不同的工艺，使N型半导体与P型半导体结合，在结合边界形成PN结，当所加的正向电压超过PN结的势垒时，PN结导通，空穴与电子结合，并把多余的能量以光子的形式发射出去，同时产生热量。

图1所示为LED伏安特性曲线，可以看出当外加正向电压从0开始往上递增时，通入LED的电流随电压的增加而缓慢增加，直到电压达到阈值VF0后，LED开始发光，电流随电压的增加而快速增加，并成指数关系[3]。

图1 LED伏安特性曲线Fig.1 Current voltage characteristic of LED

要使LED处于正常工作状态，必须在LED两端加上足够大的正向电压，但不能过大，以免产生的电流过大损坏LED。对于普通的LED，其正向工作电流一般为几十毫安，正向压降为1.4～3V，而大功率LED的工作电流可以达到几百毫安，甚至达到安级，正向压降为3～4V。

2 大功率LED驱动方式

LED驱动方式必须符合LED特有的电学特性，按输出驱动方式可以分为稳压驱动和恒流驱动，稳压驱动指的是电源输出电压稳定不变，电流随负载的改变而改变的驱动方式，使用稳压驱动方式的成本较低，但为LED供电时需要稳定输出的电压值和控制连接的LED个数和方式，所以稳压驱动一般使用在对LED光源要求不高的场合。恒流驱动指的是输出的电流恒定不变，而电压随着负载的变化而变化的驱动方式，由于LED是电流型器件，恒流驱动是比较理想的驱动方式，但使用恒流驱动的成本要比稳压驱动高。

按驱动电压可以分为低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动和市电驱动[4]。而大功率LED一般是作为照明灯具光源，所以使用市电驱动的情况居多。

3 大功率LED驱动电路

针对不同的驱动方式，LED驱动电源的电路结构可以分为电阻限流电路、线性调节器、开关调节器三种。

3.1 电阻限流电路

电阻限流电路工作原理是通过改变可变电阻的阻值来改变其分压值，从而改变LED接入的电压，图2为电阻限流电路工作原理图。通过这种方式，一方面可以调节LED的亮度，另一方面，当LED数量增加或者减少时，通过改变可变电阻RP的阻值，能使LED继续正常工作[5]。

图2 电阻限流电路Fig.2 Resistance current limiting circuit

使用电阻限流电路作为LED的驱动，其优点是简单易用，成本低廉，但这种驱动方式存在一定的问题：

(1)当输入电压较大，而负载较小时，可变电阻器上功耗较大，降低电路的效率；

(2)当输入电压发生波动时，不能通过自身调节来稳定波动，这样会引起LED的亮度、光通量的变化。所以电阻限流的驱动方式一般用在功率较低，显色性要求不高的场合。

3.2 线性调节器

线性调节器可以分为并联线性调节器和串联线性调节器[6]。并联线性调节器原理图如图3所示，从图中可以看出，晶体管VT与LED负载并联。其工作原理是，通过采样点电压与基准电压Vref比较控制晶体管的阻值，调整接入电路电阻的总阻值，通过这种方式可以实现稳定波动的效果。

线性调节器可以看成改良后的电阻限流电路，但还存在一定的局限性。表1[7]为5V/10A、15V/10A、30V/10A三种规格线性调节器的具体参数，从表中可以看出，在线性调节器中，晶体管的损耗较大，并且随输出功率的上升而上升。为了改进线性调节器，郑尧等[8]提出了一种的新型鲁棒性频率补偿方法，通过改变零极点值和加入新的负反馈回路，取消外接电容，使得线性调节器芯片的面积大大的缩小，并且提高了电路的响应速度。但晶体管上功率损耗的问题并没有解决。

图3 并联线性调节器Fig.3 Parallel linear regulator

表1 线性调节器具体参数Table 1 Concrete parameter of linear regulator

3.3 开关调节器

开关调节器一般使用晶体管作为开关管，通过控制开关管导通与截止时间和开关频率来控制负载的电流，图4为开关调节器原理图。开关调节器可以分为升压(Boost)调节器、降压(Buck)调节器、降压-升压(Boost-Buck)调节器、反激式调节器、单端初级电感变换器等[9]，以下介绍几种在大功率LED中使用的较多的开关调节器。

图4 开关调节器Fig.4 Switching regulator

3.3.1 Boost调节器

Boost调节器由开关管VT、开关二极管VD、电感L和电容C组成，其中开关管VT由开关控制器控制。图5所示为Boost调节器原理图。

图5 Boost调节器Fig.5 Boost regulator

令输入电压为VI，输出电压为Vo，开关管VT的导通时间为ton，占空比为D，则输入与输出电压有以下关系：

(1)

从式(1)可以看出，输出电压Vo的大小由输入电压VI与占空比D决定，因此通过控制占空比D的大小可以实现输出电压的控制，从而调节LED的亮度。在实际应用中，往往通过对LED的工作电流进行采样来控制占空比D，占空比的改变反作用于输出电流，达到自调控目的[10]。在市电供电的情况中，使用Boost调节器做主电路的驱动电源，输出电压高达到400V，一般来说大功率LED光源组并不需要400V的高压，因此需要在后级加入一个DC/DC的转换器来为LED提供合适的电压。

在Boost调节器的研究当中，Clark CW等[11]把数字DCM检测技术和混合传导控制技术应用在Boost调节器上，通过使用数字信号处理器中的集成乘法器简化了现有DCM和零电流检测方法，大大的降低电路成本，有效地抑制电路的谐波，使得总谐波失真降低了40.2%，功率因数提高了1.5%。

胡玮等[12]提出了一种含回路二极管双Boost PFC电路，在含回路二极管双Boost PFC拓扑中使用无体二极管的IGBT作为开关管，大大降低输入电压采样和电感电流采样难度，并且有效地降低共模噪音。

3.3.2 Buck调节器

Buck调节器与Boost调节器类似，同样由开关管VT、开关二极管VD、电感L、电容C组成，但其工作原理并不相同。图6为Buck调节器原理图。

图6 Buck调节器Fig.6 Buck regulator

其输入电压VI与输出电压Vo有以下关系：

Vo=D×VI

(2)

从式(2)可以看出，输出电压VO小于输入电压VI，所以Buck调节器起到降压的作用，如今使用的LED灯具多为市电供电，需要降压驱动，使用Buck调节器适合使用市电供电的LED驱动[13]。

与Boost调节器相同，电路中通过采样LED的电流来控制占空比D，从而达到稳定输出电流和调节LED亮度的目的。针对Boost调节器输出电压高，电路复杂等问题，陈兵等[14]提出了一种基于单周控制技术的Buck-PFC变换器，该变换器以Buck调节器作为主电路，当接入市电时，通过降压输出可以直接供给LED使用的电压，由于电路使用单周控制技术，所以可以去除电压传感器和乘法器，大大的简化电路结构。

为了进一步提高Buck调节器的功率因数，Xie等[15]提出了一种改进型的Buck电路，通过在电路中加入一个辅助开关和两个二极管，解决了传统Buck调节器存在输入电流死区的问题。

3.3.3 Boost-Buck调节器

Boost-Buck调节器是由Boost调节器和Buck调节器组合而成的，因此Boost-Buck调节器上存在两个开关管VT1和VT2和两个电感L1和L2。当Boost-Buck调节器工作时，开关管VT1和VT2同时工作，并且是同时导通和截止，而电感L1和L2同时为LED供电，所以可以把VT1和VT2用一个开关管VT代替，L1和L2也可以用一个电感L来代替，因此可以把Boost-Buck调节器化简成图7的原理图。

图7 Boost-Buck调节器Fig.7 Boost-Buck regulator

在Boost-Buck调节器中，开关管VT导通时间为ton，对应占空比为D1，开关管VT截止时间为toff，对应toff与开关周期T的比值为D2。则输入电压VI与输出电压Vo有以下关系：

(3)

由式(3)可知，当导通时间ton比截止时间toff长，D1大于D2，输出电压VO高于输入电压VI，调节器处于升压模式，同理，当截止时间toff比导通时间ton长，输出电压VO低于输入电压VI，调节器处于降压模式。由此可知，在开关的周期不变的情况下，通过改变导通时间ton，就可以切换调节器的工作模式[16]。

Boost-Buck调节器电路结构较为复杂，为了简化Boost-Buck调节器，Zhang Fei等[17]在分析单相PFC变换器输出电压纹波的基础上，提出了输出电压纹波反馈控制算法，通过计算得到输出电压纹波值来实时调整电流控制环的补偿系数，电路中不需要增加硬件电路，大大简化了电路的结构。

3.3.4 反激式调节器

与上述的变换器不同，反激式调节器属于隔离式电路，通过变压器使得输入输出端在电器上隔离。图8所示为反激式调节器原理图，当开关管VT导通时，次级上的二极管截止，负载由电容C供电，初级的电流上升，电能转换成磁能；开关管VT截止时，次级上的二极管导通，初级上磁能转换成LED所需的电能[18]。

图8 反激式调节器Fig.8 Flyback regulator

表2[19]为12V和24V反激式稳压变换器的具体参数，从表中可以看出，得益于开关管的调节作用，使得输出能在广电压输入的情况下保持稳定的输出。

表2 反激式变换器具体参数Table 2 Concrete parameter of Flyback Converter

对比非隔离式结构的变换器，隔离式的结构使得反激式变换器输入端不受负载波动的影响，但会降低电路的整体效率，还增大电源的体积[20]。针对这些问题，Wu Xinke等[21]提出了一种双通道谐振反激式驱动电源，电源的效率得到很大的提高，并在电路中加入均流变压器，使得双通道输出电流误差少于1%。

在Hangseok Choi等[22]的研究当中，提出了一种双开关反激式调节器，双开关的加入形成一个能源循环电路，使得变压器漏感中的能量通过循环回路返回输入端，大大地提高电路的效率。

在三种驱动电源拓扑中，电阻限流电路与线性调节器的工作原理类似，都通过改变器件的阻值来达到限流的效果，但无论是电阻限流电路种的限流电阻，还是线性调节器中的晶体管都会带来巨大的功率损耗，这并不符合LED节能的特点，相比而言开关调节器中的晶体管通过高频的导通与闭合，降低电流导通时间，从而提高电路的效率，并且可以通过调节晶体管的占空比来稳定输出量，所以在大功率LED照明领域使用开关调节器来做驱动电源的主电路是最佳的选择。

4 结束语

小功率LED在液晶面板、手机背光源等领域的应用已经十分普遍，相应的小功率驱动电源技术也十分成熟，但是在汽车用灯和商用光源等需要使用大功率LED的领域传统光源还是占优势。大功率LED驱动电源存在寿命短、稳定性不高、功率因数低等问题，多数大功率LED灯具在使用两年后就会出现光衰、驱动损坏而无法工作等问题。国内有很多学者都在针对这些问题进行研究，WANG Shu等[23]通过外加硬件电路代替电解电容，开发了无电解电容无频闪的LED驱动电源；汤守至等[24]提出通过滑模变结构控制方法提高开关变换器的动态响应速度和电路的稳定性。开发长寿命、高效率驱动电源是未来大功率LED取代传统大功率卤素灯照明的关键所在。

致谢：感谢汕头大学科研启动基金(NTF12001)的支持，感谢广东爱华新光电科技有限公司有关专家的无私帮助。同时感谢《照明工程学报》编辑们和评审专家们给予的中肯意见。

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