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●大功率 LED 照明的优势 通常所说的大功率 LED 是指需要较大电流驱动的 LED。普通 LED 功率一般为零点几瓦、工作电流为几十毫安，但是大功率的 LED 功率高达几瓦甚至十瓦，而驱动电流从数十毫安到数百毫安。LED 照明灯以其独特的优点：寿命长、节约能源、亮度高，广受人们的青睐。大功率 LED 照明有如下优势： · 简化设计 相同功率需求下，相比小功率 LED 芯片而言，大功率 LED 不需要太多路的精确恒流来满足驱动电流，在电源设计输出上可实现简化。 · 节省灯具空间 为了满足一定功率的照明情况下，大功率 LED 灯珠需求较少，灯具设计空间需求少，设计也更加灵活。 · 容易实现较小光衰 大功率 LED 灯珠在实际生产中更容易把握光衰控制，从而进一步提高光效。 此外，大功率 LED 还具有方向性好，寿命长等优点。 但是，大功率 LED 同样有其自身的缺点，尤其是散热问题。因为热量的相对集中，导致散热存在困难，过高的温度同样会给光源带来损害。随着散热技术的不断研究发展，大功率 LED 将得到进一步的推广。 ●● LED 光源的特性 LED 光源的结构主要由 PN 结芯片、正负电极和光学系统三个部分组成，在LED 两电极上加正向偏压之后，使空穴和电子分别注入 N 区和 P 区，多数载流子与非平衡的少数载流子进行复合，复合之后多出来的那部分能量就转化为光子，并辐射出去。LED 的特性主要有电学特性、光学特性和热学特性，LED 的电学特性和热学特性如下。 · 电学特性 为了展现 LED 的电学特性，通常采用 LED 的 PN 结 I-V 特性曲线来表征。LED 的 I-V 特性具有非线性、单向导电性，即外加正电压时表现为低电阻，外加反方向电压时表现为高电阻特性。 · 热学特性 LED 的工作特性比较敏感，容易受到 PN 结温度的影响，通常情况下，工作电流 IF>20 mA 时， LED光源的温升就会比较明显。 LED 发光芯片特性受温度影响大，当环境温度较高的时候， LED 光波的主波长就会向长波长方向漂移， LED 的结温升高 10℃ 的波长漂移大小约为 1 nm，且发光的均匀性变差而造成光衰增强，影响光源的质量和寿命。对于 LED 灯具设计较小，灯珠排列比较紧密的照明光源尤其要注意散热的问题，努力做到良好的通风和及时的散热，确保 LED 能够长期稳定的工作。 ●●● 大功率 LED 驱动电源的考虑 随着 LED 的应用功率由小到大，单颗 LED 功率也呈现大功率趋势，如今所说的大功率 LED，其单颗灯珠功率往往是指不低于 1W 的 LED，随着工艺的改进，功率 10W 以内的 LED 灯珠都较为常见，且工作电流也逐渐增大(300mA~1.4A)，出光效率达到 60~1201m/W 甚至更高。 LED 的电气特性使得 LED 工作电流的大小关系到 LED 光波的波长及发光的亮度，大于额定电流的时候容易导致 LED 的光衰，而电流太小又会导致发光强度不够，因此为 LED 提供稳定不变的工作电流，一方面可以提高可靠性，另一方面满足照度需求和确保每个 LED 亮度一致、色度均匀。驱动大功率 LED 还需面对一些难题，如功率因素的校正和提高、升压或降压变换、能量转换等问题。 市场上有成千上万的大功率 LED 恒流驱动专用芯片，国内芯片厂商不少，但是在质量上还是远难及国外知名公司，如日本东芝半导体&存储产品公司(Toshiba)、德国英飞凌(Tnfineon)、荷兰恩智浦(NXP)、台湾聚积科技(Microblock)、 美国国家半导体(NS)、 德州仪器(TI)等知名厂家。 大多数 IC 使用迟滞型转换器，低输入电压，可以升压，降压，脉宽调制控制，电源开关可以是内部的或外部的，输出电流可达 1.5A，内置过压，欠压，开/短路和热保护电路。总之，选择芯片时结合实际功能需要和成本综合考虑，还有相关配套电路的简单原则，选取最合适的芯片作为驱动芯片。 · LED 的连接方式 由于单颗 LED 灯珠的功率不够大，为了满足较大型功率的 LED 照明，就需要多颗灯珠通过某种方式连接起来满足照明需求。连接的方式有串联型、并联型和既采用串联又采用并联的混连形式。每种连接方式有其各自的特点和适用情况，三种连接方式分别如图 1-3 所示。 串联型连接方式的特点是所有 LED 的恒流特性一致性好，但是当串联数目较多时，其中一颗 LED 灯珠发生损坏时，对其他所有的灯珠都会造成影响。 并联型的特点是并联的 LED 之间相互独立性好，其中某个 LED 发生损坏不至于影响到其它的灯珠正常工作，但是并联数目的增大必然导致线路总电流的增大，这便对线路的安全性带来隐患。 混连方式是一种结合了串联和并联各自的优势的连接方式，尤其适合 LED个数较多、应用功率较大的时候。如果考虑到无论什么时候当其中一个 LED 灯珠发生损坏时其他灯珠的照明不受影响，可以采用导通电压稍微高于 LED 的导通电压值的齐纳管与每一个 LED 灯珠并联连接，当 LED 灯珠发生损坏短路时，齐纳管进行导通连接，其它 LED 工作不受影响。 ·输出电压考虑 在输出电压方式上，有高压输出和低压输出两种方式。 高压输出情况下，LED 可以较多的串联在一起，从而减少并联的路数，线路总的电流就会变得比较小，较小的电流意味着较小的线路损耗。如果采用恒流驱动芯片对 LED 进行驱动，则所需的驱动芯片也会较少，电路结构简单。而且，因为串联的电流相同，从而在发光的一致性方面更好。 然而，高压输出也有其弱点。首先，高压输出对于使用者来说或多或少是一种潜在的安全威肋，使用疏忽可能导致触电发生；其次，高压输出意味着变压器的次级电压较高，从而次级绕组较多，那么导致变压器体积增大；再者，高压输出要求元件的耐压值要较大，往往这样的元器件的价格和损耗都偏高， 而且由于反馈回路是高压损耗也提高， 这势必导致电压的效率难以达到理想的效果。 LED 使用功率较大的时候，若采用并联的方式，高压输出方式不能确保每一支路 LED 工作状态的一致性。但对于大功率输出来说，采用较高的输出电压对驱动数目较多的 LED 灯珠来说更为方便。 ·调光方式考虑 LED 照明是人为照明光源，在光亮度不足的场合为我们提供足够的照度，但是 LED 照明是需要消耗电能的，如果能在不需要照明时关掉照明灯具可以节约不少电能。不过在有些时段和情况下，也可以把灯光调到较暗的程度，这样也是可以节约下一笔可观的电能支出。 调光方式的考虑常见有三种，线性调光、PWM调光、芯片调光。 线性调光通常是通过改变负载来影响发光芯片的供电电流或电压从而达到调光的目的，但是这种调光方式效率低，过多电能消耗在调光电阻上，通常很少采用。减少结温的一个可行方法就是使用不同的驱动方式，比如用脉冲电流来驱动。 较多采用的 PWM 调光和芯片调光的方式。PWM 调光是给 LED驱动的是脉冲式的电压，只要频率恰当，不会因为频闪而影响正常视觉，而且这种脉冲式的电压方式供电非常有助于 LED 自身的散热，能起到均匀热量的作用。芯片调光是指目前层出不穷的 LED 驱动芯片中不乏很多可以调光的芯片，很多芯片给出调光引脚，既方便又实用。 ●●●● 常见的电源驱动方案 大功率 LED 驱动电源属于开关电源，同样遵循开关电源的设计方法和基本框架。 开关电源的研究历史较早，20 世纪下半叶，电子技术和半导体技术的发展日新月异，DC/DC 变换器得到深入的研究，也带动了开关电源在各个领域的应用，开关电源几乎无处不在。因为开关电源有着线性电源无法比拟的优点，体积小、效率高、设计灵活多样，线性电源己逐步退出历史的舞台。 大功率 LED 驱动电源的基本框架也是以功率器件工作在开关方式的 DC/DC 或 AC/DC，再经过 DC/DC 变换器为核心的转换电路，通过负反馈闭环控制和完善保护，且满足负载使用要求的电源系统。 DC/DC 核心转换电路有几种常见的拓扑形式，各种拓扑结构有自身的优势和特点，分别适用于不同的应用场合。按照变换功率的大小从小到大排列为：反激变换、正激变换、推挽变换、半桥式功率变换和全桥式功率变换。 电路拓扑就是功率器件和电磁元件在电路中的连接方式，磁性元件的设计、闭环补偿电路设计及其他电路元件设计都取决于拓扑选择。选择电路拓扑在满足电气性能的前提下，应当考虑到电路的复杂程度和成熟情况，拓扑的选择应该从效率、成本、体积、质量和技术条件等综合因素考虑。 ●●●●● 电磁兼容设计的必要性 电磁干扰(EMI)或射频干扰(RFI)是无意产生并传导或辐射的能量，在所有开关电源中是无时不在的，高效率所要求的快速进行波形开关动作也会产生很宽的干扰频谱，这可能成为大问题，为了使任何电子系统都能正常地运行，使系统所有的元件都具有电磁兼容性是很重要的，而且整个系统也必须与邻近的系统互相兼容。 随着我国经济国际化水平不深入，产品要销往国外，在质量上的要求越来越高，发达国家的电磁干扰标准完善，我国相关标准法规也在逐步完善当中，各级别的标准通过法律来限制允许的干扰水平。在国际共同市场，较为著名的标准有国际无线电干扰特别委员会(CISPR)标准、德国电气工程师协会 的VDE0871/0875 标准、国际电气技术委员会的 IEC BS 800 标准、加拿大标准协会(CSA)的 C 108.8-M 1983标准和美国的联邦通信委员会(FCC)标准等。 开关电源是如此多的干扰来源，例如，开关电源的电磁干扰是个人电脑的主要干扰所在，且电源又存在于几乎所有的电子电气设备当中，抑制开关电源的电磁干扰意义重大，因此在设计电源时必须认真对待电磁干扰问题，努力提升电源的电磁兼容能力。 |
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