LED驱动及控制研究新进展

江 磊，刘木清

(复旦大学先进照明技术教育部工程研究中心，电光源研究所，上海 200433)

1 背景介绍

近年来， 随着LED技术的飞速发展，LED应用进入了一个繁荣的新时期。驱动技术作为LED应用不可缺少的一个环节，越来越多地受到了人们的关注[1]。LED类似二极管的伏安特性、长寿命、高光效、可控性强等特点对驱动电源提出了有别传统开关电源的若干新要求[2]。本文将针对这些要求分别从驱动电源的拓扑、可靠性及可控性三个方面对业内研究的一些新进展做大致介绍。

2 LED驱动拓扑新研究

LED作为一种固态光源，其类似二极管的电气特性决定了需采用恒流电路对其进行驱动。而驱动电路的好坏直接影响整个光源系统的效率和寿命。因此，开发和改良LED驱动电路是业界研究的一个重点方向。驱动电路输入可为直流或交流，这里我们主要讨论针对交流输入，即离线式驱动器的研究进展情况。

2.1 离线式开关驱动器研究

离线式开关驱动器是指从交流电网上获得电压，驱动LED负载的开关电源，一般具有效率高、电气隔离等优点。从拓扑上进行分类，可分为正激式(Forward)、反激式(Flyback)、半桥式(Half Bridge)、全桥式(Full Bridge)、半桥LLC谐振式(LLC Resonant Half Bridge)等。目前，市场上应用较广的离线式LED开关驱动器主要以反激式和半桥LLC谐振式为主。其中，反激式拓扑由于其电路简单、成本低、效率较高等特点，受到中小功率LED应用的青睐。而半桥LLC谐振式拓扑凭借非常高的效率及功率密度、良好的输出特性和电磁兼容性被大规模地应用于大功率LED驱动器上。

针对现有拓扑结构的改良，研究的热点主要集中在对效率、功率因数的提高和结构的简化上。

反激式驱动器通过变压器传递能量，由于无法做到原副边绕组完全耦合，漏感上的能量无法有效传递，从而造成了损耗。文献[3]提出了一种较为新颖实用的解决方法，如图1所示，通过将buck-boost电路与反激电路进行整合，通过buck-boost电路保证较高的功率因数，同时循环利用漏感能量，提升了效率。由于漏感能量被吸收，进一步减轻了开关管关断时的电压应力，可谓一举三得。文中针对265V输入下8W的应用实现了0.95的功率因数和90%的效率。

图1 循环利用漏感能量以实现高效率和高功率因数的电路原理图Fig.1 Circuit of high efficiency and PF driver with leakage inductance energy recycling technique

文献[4]同样是利用buck-boost电路进行功率因数校正，其通过两级结构，结合零电压开关技术，实现了效率的提升(见图2)。文中针对60W应用实现了0.99的功率因数和93%的效率。

图2 零电压开关高效率高功率因数电路原理图Fig.2 Circuit of high efficiency and PF driver with zero-voltage switching-on characteristics

此外，作为电磁兼容性的重要部分，实现高功率因数也是研究的热点[5]，相关的创新性的控制方式和结构研究层出不穷[6～8]，为反激式驱动器实现功率因数校正提供了较为广泛的解决方案。

在传统隔离型反激式驱动器应用中，光耦一直被用作原副边的电气隔离和信号反馈。近年来，很多相关研究关注于如何实现原边控制，从而取消光耦，减小驱动器的体积，降低成本，提高可靠性，从而在小功率LED的应用中显示出优势[9～11]。

针对半桥等拓扑结构，有学者针对现有拓扑进行了分析和比较[12]。文献[13]提出并分析了一种非对称半桥式结构(见图3)，一方面，通过对变压器次级绕组的非对称设计，减小了励磁电流的平均值，从而降低了导通损耗。另一方面，通过零电压开关技术，降低了开关管和二极管的开关损耗，从而实现了较高的效率。在此基础上，另有一些文献进行了相关的研究工作[14～15]。

图3 减小变压器励磁电流平均值的非对称半桥拓扑Fig.3 Soft-switching asymmetrical half-bridge converter for average magnetizing current minimization

在LED驱动应用的新拓扑研究方面，J. Marcos Alonso等人提出了一种较为新颖的双buck-boost(IDBB)拓扑结构[16，17](见图4)。通过单个开关管控制级联的buck-boost电路，使其分别工作DCM和CCM模式，从而实现较高的功率因数和较小的输出电容。但是，由于能量在多次转移中损耗较大，系统效率并不高。Douglas Camponogara 等人在此基础上进行了一定的改良，如图5所示，提出了一种优化的级联方式，减少了经过两次转移的能量比例，从而提高了系统效率[18]。经过优化后的系统在75W负载下效率达到94%，较原有85%的效率有了较大幅度的提升。

2.2 非开关驱动器研究

为避免使用复杂的开关电路，从而降低成本，提高系统的可靠性，用交流电源直接驱动LED也是目前的一个研究的热点，也有相关文献对交流电驱动下的LED特性进行了研究[19]。

图4 IDBB型驱动电路原理图Fig.4 IDBB driver circuit

图5 一种改良后的IDBB驱动原理图Fig.5 An Improved IDBB driver circuit

传统交流直接驱动LED往往采用两种方式(见图6)，一种采用两组LED反向并联而成，两组芯片分别工作在交流电的正负半周期；另一种通过整流桥进行半波整流后接LED负载。这两种电路负载调整率较差，由于LED导通时间较短，普遍存在功率因数低、存在频闪、无法进行可控硅调光等问题，前者由于每组LED仅导通半周期，还面临成本较高的问题。

通过桥式整流结构的交直流LED设计[20]，可以使大多数LED芯片处于工作状态，提高了LED芯片的使用率。结合恒流二极管的使用，对LED电流进行限制，可以进一步提高系统的可靠性(见图7)。

分段式LED控制是一种较为新颖和有效的技术，可以极大地改善AC LED应用中出现的LED导通时间较短、谐波含量高、功率因数因数较低等问题，目前市场上也已出现相关成熟的驱动产品[21]，见图8。文献[22]中提出了一种基于FPGA的分段式AC LED控制方法，通过检测AC电源端的线电压，控制LED负载中导通的LED颗数，延长导通角，使其模拟电阻负载特性，从而达到降低谐波，提高功率因数的目的，更好地兼容可控硅调光。

图6 传统交流直接驱动LED的两种方式Fig.6 Two traditional methods for directly driving LEDs from AC

图7 结合恒流二极管的桥式整流结构的交直流LED应用Fig.7 Application of directly driving LEDs with bridge structure and current regulative diodes

图8 分段式AC LED控制结构框图Fig.8 Block diagram of AC LED driver based on segmentation control

此外，无源谐振式LED驱动器[23](原理图见图9)、开关斩波-线性恒流驱动器[24]等驱动器都具有各自的特点，前者通过谐振网络的设计，在保证平均电流恒定的基础上，实现了较高的效率和可靠性；后者以低成本实现恒流驱动，都具有一定的实用性。

图9 无源谐振式LED驱动器原理图Fig.9 Circuit of passive resonant LED driver

针对AC LED 50Hz或100Hz电压周期可能带来的频闪问题，一种有效的方法是在LED器件层面，采用长余辉荧光粉，可以在交流电周期变化时，利用亮度的延迟变化弥补LED芯片不发光所带来的发光间断，从而解决发光频闪[25]。

3 LED驱动可靠性相关研究

LED光源的另一大特点是长寿命，这就要求LED驱动器能够尽可能保证系统的可靠性，实现高的MTBF。

3.1 无电解电容驱动研究

电解电容一般被用于驱动输入储能、平衡瞬时功率和输出滤波。由于其寿命相对较短，如何改进电路结构，减少甚至消除电解电容的使用便成为了LED驱动领域一个热门的研究方向。下面简单罗列近期的一些相关研究进展。

早期的研究多以谐波注入和脉动电流输出的方式为主[26]，对功率因数和输出电流有影响，应用具有一定的局限性。文献[27]中提出了一种方法，增大储能电容上的电压纹波，在实现高功率因数的同时保证了恒流输出。

Shu Wang等人提出了一种有源滤波电路[28](见图10)，一方面通过CL滤波器阻止开关产生的高次电流谐波流入LED，另一方面通过双向变换器进行电流的缓冲分配，使LED负载上仅流过直流分量，从而在不使用电解电容的条件下避免了脉动电流造成的闪烁问题。在此基础上，杨洋等人提出了一种基于电流基准的前馈控制策略[29]，结合双闭环中电流调节器的输出和电流基准前馈量计算双向变换器理想的占空比，控制其输入电流为两倍输入频率的交流电流，以避免LED驱动电流畸变引起的频闪。

图10 有源滤波型无电解电容电路原理图Fig.10 A electrolytic capacitor-less circuit with active power filter technique

马红波等人提出了一种基于SEPIC电路的无电解电容改进型方案[30](见图11)，利用增大纹波法降低了输出电容值，并在此基础上将填谷电路和电流断续模式引入SEPIC电路[31](见图12)，通过中间电容实现功率平衡，从而减小了所需的输出电容。利用填谷电路的特点，降低了中间电容和二极管的电压应力。

图11 基于SEPIC电路的无电解电容方案原理图Fig.11 A electrolytic capacitor-less circuit based on SEPIC topology

图12 带填谷电路的SEPIC型无电解电容方案原理图Fig.12 Circuit of Valley-fill SEPIC-derived driver without electrolytic capacitors

虽然无电解电容研究成果斐然，但值得讨论的是，是否LED驱动的长寿命必须依靠舍弃电解电容的应用而实现？从原理上而言，电解电容的失效的根本原因是电解液的挥发，而电解液的挥发速度是与温度密切相关的，遵循阿累尼乌斯定律。在工作范围内，期望寿命L的计算大致符合下式：

其中，L0为额定温度下的电容寿命，Tmax和Ta分别为额定温度及实际使用温度。以常用于PFC输出的Rubycon公司BXC系列铝电解电容为例，标称105℃时的额定寿命为10000小时，如果将电容的工作温度限制在85℃，即可达到40000小时；如果进一步限制在75℃，即可达到80000小时，考虑到LED的光衰和产品更新需要，这样的寿命已经足够了。而随着材料科学的发展和科技的进步，电解电容的寿命会更长，可靠性会更高。

因此，新拓扑研究无可厚非，但仅仅因为电解电容可能的寿命问题就因噎废食，忽略其众多优点甚至将其抛弃，产生“闻电解电容而色变”的心理则是完全没有必要的。只要依靠良好的系统设计，完全可以在使用电解电容的应用中实现长寿命。

3.2 LED多路恒流/均流驱动研究

在大功率LED应用中，通常需要同时驱动若干路LED，如果将这几路LED简单地并联起来用单一恒流源进行驱动，由于LED节压降存在差异，会造成电流在几路LED间的分配不均。由于LED电流越大，结温相对越高，而LED节压降随结温升高而降低，这种正反馈会使电流分配情况进一步恶化，从而使某一路或几路LED电流过大而失效，进而引发连锁反应，影响到系统的寿命[32]。

因此，均流电路的存在则显得很有必要。根据均流方式的实现，可大致分为无源均流、有源均流及磁均流三大类[33～35]。

针对无源均流，以电容作为均流元件有简单、高效的特点，还可以在均流的同时起到隔离作用。文献[36～38]中分别介绍了使用电容作为均流元件的三种应用(见图13)。而文献[39]中则提出了一种基于无源谐振恒流网络的多路均流方式，首先将PFC输出的直流电压通过DC/AC逆变器逆变为高频正弦交流，再通过无源谐振模块进行均流，美中不足的是逆变器效率不够高，会影响整体效率。

图13 三种利用电容作为均流元件的均流电路原理图Fig.13 Schematics of current sharing circuits using capacitor as current-sharing component

俞忆洁等提出了一种基于电容钳位的主动式均流电路[40]，如图14所示，令各LED支路串联的开关管轮流交错导通，利用各LED支路间跨接的钳位电容在一个周期内的电荷守恒，实现多路LED串的均流。

图14 基于电容钳位的主动式均流电路Fig.14 Active capacitor clamped current sharing circuit

在磁均流研究方面，文献[41]中介绍了一种集成于反激变换器的多路磁均流方案(见图15)。通过磁路设计，使所有副边绕组两两之间都存在低磁阻磁回路，且副边绕组匝数相等，从而保证了副边绕组间的均流。原边绕组分散绕置在每个副边绕组上，从而更能减小漏感，改善均流效果。

图15 集成于反激变换器的多路磁均流电路Fig.15 Schematic of flyback converter with automatic current sharing dependent on integrated magnetic technique

4 LED可控性相关研究进展

LED与传统光源相比，可控性强是其一大特点。从芯片角度而言，一方面，控制LED电流大小即可控制其发出的总光通量，从而实现模拟调光；另一方面，LED可以提供极快的响应速度，为PWM调光带来了可行性。在此基础上结合有线或无线控制装置，形成照明控制系统，则可进一步拓展LED的应用范围。

4.1 LED调光研究

PWM调光是LED应用最常用调光方法之一，但对于高功率因数反激等拓扑而言，由于存在固有的低带宽响应特征，如何兼容PWM调光成为一个需要解决的问题。David Gacio等在分析现有调光方法存在问题的基础上，提出了一种高速串联PWM调光方法[42](见图16)，将PWM调光频率控制在与开关频率相近的速度，在保证原有功率因数的前提下实现了10∶1的调光比，并且避免了PWM调光带来的噪声问题，具有一定的应用意义。文献[43]则对传统的反激式驱动器进行了一定的变化，将开关管配置在变压器次级，通过双PWM调制(见图17)，达到较为有效的调光效果，并保持了较高的效率。文献[44][45]中，对模拟和PWM调光进行了组合，并进行了相关的实验研究。

图16 高速串联PWM调光方案原理框图Fig.16 Block diagram of high-frequency PWM series dimming technique

图17 双PWM调制调光方案原理图Fig.17 Schematic of double pulse-width modulation circuit

在传统照明时期，白炽灯、卤钨灯等灯具的调光需求催生出了相控调光器，主要分为可控硅调光(前沿相控方式)、MOS晶体管调光(后沿相控方式)及正弦波电压变换调光(SVC)。其中，应用最为广泛的为前沿相控方式，其工作原理在于用双向晶闸管(TRIAC)将市电正弦波的前沿斩断不同比例，改变输出电压的有效值，从而调节负载的功率。

近年来，由于对用LED替代传统可控硅调光灯具的需求日趋增长，相关研究也层出不穷。文献[46]中提出了一种基于反激式驱动器的控制模式，结合原边控制，实现了对可控硅调光的兼容。在此基础上，文献[47][48]等进行了进一步的研究和改善。

文献[49]中则针对AC LED提出了一种专用的调光器(见图18)，通过MOSFET来进行切相和占空比调节，避免了复杂的设计和LED调光闪烁问题。

图18 AC LED专用调光器原理图Fig.18 Schematic of dimmer especially designed for AC directly driven LEDs

用LED灯具替代传统光源，对驱动设计主要存在的挑战有：

1) 传统白炽灯、卤钨灯光源为阻性负载，而LED驱动器一般为容性，可控硅导通时如果导通角接近90度，会产生较大的冲击电流，产生振荡，使可控硅无法正常工作，进而影响调光。这就要求LED驱动尽可能模拟阻性负载特性。

2) 传统光源由于光效低、功率较大，而等效光通输出的LED灯具功率要小得多。现有的可控硅调光器多为传统光源设计，普遍大于500W，其维持电流较高。当使用LED调光灯具替换时，可控硅导通后往往由于灯具功率过低，电流达不到其维持电流，重新关断或多次开通，影响调光。这就要求LED驱动有相应的功能，保证可控硅工作时保持导通。

3) 双向晶闸管两个方向的导通特性一般有一定差异，如果LED调光电路对晶闸管的特性过于敏感，可能造成每半个周期内功率输出差异，造成LED闪烁。这就要求LED驱动能够具有良好的鲁棒特性，保持输出的稳定性。

针对兼容性问题，NEMA SSL 6做出了对可控硅调光器及可调光LED灯具的调光性性能要求，市场上也推出了多款相关的专用芯片，如iW3610/3612、SSL2101、LM3445等。

4.2 LED智能照明控制系统研究

随着LED的广泛应用和物联网、云计算等新技术的不断涌现发展，LED被越来越多地与智能照明控制系统相结合，从更高层面满足现代社会人们越来越高的照明需求[50]。

以智能照明控制系统的控制信号载体分类，可以分为信号线型控制、电力线载波控制和无线网络控制等。其中，信号线控制型主要有DALI、DMX512等针对灯具的控制总线及i-Bus、C-Bus等系统总线。这方面技术较为成熟，主要以应用研究为主[51～52]。

电力线载波控制利用已有电线进行数据传输，无需重复布线，实现成本相对较低，目前对其在路灯领域的应用有相关的研究[53～54]。另外，对于城市家庭、办公室等场合，由于电网质量较好、所需传输距离短等有利条件，传输速率大于200Mbps的高速电力线适配器(俗称电力猫)已得到广泛应用，可能会成为LED照明控制系统室内控制方式的方向之一。

无线网络控制由于其结构灵活、无需布线等优点，近年来受到了大量的关注。GSM、GPRS、Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等技术都属于无线网络控制方式，也被广泛应用于各类照明控制系统中[55～56]。

LED智能照明控制系统的另一个研究方向是控制理论及控制方法。针对路灯控制，文献[57～58]中分别提出了基于模糊控制算法和整体性控制的理论，并进行了相关的分析和讨论。文献[59]中则讨论了应用自适应算法实现工作面恒照度及温度-色温可控的方式并进行了相关实验。

就LED智能照明控制系统的应用而言，调光应用应当是未来的一大技术点。这里的调光不仅仅指调节照度，还包括颜色、色温甚至光谱。由于LED的高度灵活性，结合智能控制系统的光谱组装技术可被广泛应用于农业照明、标准及计量、机器视觉、医疗和生理学及通用照明领域[60～64]，为照明领域带来革命性的变革。

5 结论

本文从拓扑结构、可靠性、可控性三个方面对目前LED驱动研究领域的一些新进展做了大致回顾，重点介绍了离线式开关驱动器、非开关驱动器、无电解电容驱动、LED多路恒流/均流、LED调光及LED智能照明控制系统等几个方面。随着LED芯片的光效越来越逼近理论极限，下一步LED应用领域竞争的技术焦点将逐步转移到驱动及控制方向，而这个方向也是和人类社会对生活的舒适性、可控性要求提升的大趋势相一致的。掌握驱动及控制技术的前沿技术，才能在这场竞争中赢得先机。

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