不管是大功率的還是小功率的LED照明應用,，一般都由電源,、LED驅(qū)動器、LED,、透鏡和基板幾部分構成,，其中關鍵的元件是LED驅(qū)動器，它必須提供一個恒流輸出才能保證LED發(fā)出的光不會忽明忽暗,、以及不會發(fā)生LED色偏現(xiàn)象,，它一般接受24V-48V的直流電壓輸入，但也有一些先進的LED驅(qū)動器可直接接受220V市電交流輸入,。大多數(shù)客戶都要求采用高性能的LED驅(qū)動器,，以滿足“PF值>0.9”和“+85效率”等即將出臺的LED照明規(guī)范。

　　LED照明應用的主要設計挑戰(zhàn)包括以下幾個方面：散熱,、高效率,、低成本、調(diào)光無閃爍,、大范圍調(diào)光,、可靠性、安全性和消除色偏,。這些挑戰(zhàn)需要綜合運用適當?shù)碾娫聪到y(tǒng)拓撲架構,、驅(qū)動電路拓撲結(jié)構和機械設計才能解決。

　　Diodes公司亞太區(qū)技術市場總監(jiān)梁后權指出：“對設計師來說,，最大的技術挑戰(zhàn)將是高效率要求,、光學設計、熱管理和提高某些應用的可靠性,，如高亮度LED街燈,。我們現(xiàn)在提供的一系列LED照明解決方案覆蓋從0.1W到250W的應用。”“在LED照明系統(tǒng)的應用中,，除了選擇合適的LED產(chǎn)品,，一個完整的LED照明設計還要包括光學設計,、熱設計、產(chǎn)品設計和電氣驅(qū)動設計,。由于LED是低壓器件,，因此將高壓交流供電轉(zhuǎn)換為LED使用的低壓恒流驅(qū)動將面臨許多挑戰(zhàn)。”安森美半導體中國區(qū)高級應用經(jīng)理鄭宗前指出：“進一步說,，為了保證LED照明的優(yōu)勢,，LED電氣驅(qū)動必須是可靠的、高效率的,、安全的和低成本的,。因此，針對不同的LED照明的應用,，首先需要選擇正確的驅(qū)動電路拓撲結(jié)構,。”安森美半導體現(xiàn)可以提供從1W到500W功率范圍內(nèi)的全部LED照明解決方案。為了快速推動LED照明市場的起飛,，美國國家半導體公司（NSC）最近瞄準了一塊非常龐大的白熾燈直接替代市場,，即用LED燈直接替代現(xiàn)有家庭或其他應用市場中的白熾燈，并推出了一款針對該市場的直接市電輸入LED驅(qū)動芯片LM3445,。

　　不過,，NSC亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理吳志民表示：“白熾燈電燈已面世很多年，對于許多多年未改的技術標準,，我們的家居照明系統(tǒng)一直也在沿用許多多年未改的技術標準,，這個情況并非一朝一夕可以改變過來。例如,，基于散熱及照明角度等問題,，原有的舊式電燈插座或裝置并不適宜用來安裝LED燈泡。但除了技術問題之外,，成本效益也亦是使LED燈無法普及的最大原因,。鎢絲燈泡及霓虹光管的售價約為 US$0.6-0.7/Klm,，但目前LED燈的售價仍然高達US$40-50/Klm,。”正如以上所說，由于LED燈必須能夠裝設在原有的舊式插座之內(nèi),，因此散熱是一個必須克服的大問題,。但嚴格來說，這可以利用機械工程技術解決的問題,，LED系統(tǒng)生產(chǎn)商的責任是努力開發(fā)新技術,，盡量提高LED的亮度（即每單位功率產(chǎn)生的流明量）。吳志民自信地說：“我們可以提供功效效率最高的LED驅(qū)動器,，以確?？蓪⒄麄€燈光系統(tǒng)的散熱量減至最少,。”

　　LED的相對高成本是LED照明市場目前仍難以大規(guī)模起飛的主要障礙。例如,，英飛凌科技有限公司電源管理業(yè)務部產(chǎn)品市場總監(jiān)Alexander Sommer就說：“大多數(shù)小于25W的典型LED照明應用是標志燈,、標識燈、以及替代標準的白熾燈和鹵素燈,。但與現(xiàn)有的熒光燈和白熾燈技術相比,，LED 初始成本仍然是進入大眾市場的一個主要障礙。”Cytech產(chǎn)品及設計部工程師徐瑞包也認同主要商業(yè)化挑戰(zhàn)是成本,。他說：“目前各種功率的LED照明系統(tǒng)在電路上都是可以實現(xiàn)的,，技術挑戰(zhàn)來自于終端應用的要求，比如應用于汽車,，要考慮到光學設計以及整體散熱設計等,。商業(yè)化部署的挑戰(zhàn)則主要來自于LED成本。”

        LED照明設計的散熱考慮

　　25W以下的LED照明系統(tǒng)一般設計用于像閱讀臺燈,、走廊燈,、客廳射燈、家用餐燈,、小夜燈等應用,，客戶一般希望這類應用設計得越小巧越好，因此其PCB能安放的設計空間相對來說比較小,，因此長時間使用時封裝空間內(nèi)的溫度有可能會很高,。由于設計師不太可能在其內(nèi)安裝一個散熱風扇，因此它的散熱設計就變得非常關鍵和重要,。

　　“大多數(shù)小于25W的低功率LED照明應用要求一定程度的小型化,。這常常導致更高的功率密度，盡管功耗不是很大,。足夠的散熱管理措施必須通過改進的機械結(jié)構提供,。此外，高電氣效率有助于降低功耗,。”Alexander Sommer指出,，“如果需要進一步減少熱阻，這可以通過電氣隔離來做到,，因為它可以實現(xiàn)最高效率的熱傳遞,。這些方法也允許實現(xiàn)優(yōu)化的流明輸出。”

　　另一種防止LED長時間工作過熱問題的思路是采用調(diào)光解決方案,。飛兆半導體公司高壓IC產(chǎn)品行銷經(jīng)理SangCheol Her表示：“相比熒光燈和白熾燈,，采用調(diào)光解決方案是降低LED功耗的重要途徑，這種方案利用調(diào)光控制器來實現(xiàn),。尤其是對于小于25W的LED驅(qū)動解決方案,，由于PCB尺寸小,，而封裝空間有限，散熱問題無可避免,，所以該方案更顯重要,。”

　　事實上，在這個功率范圍內(nèi),，LED照明燈將會取代鹵素燈和緊湊型熒光燈（CFL）,。此外，先進的技術為了擺脫散熱問題,，必須去掉對溫度變化敏感的無源組件如電解電容,。然而，目前大多數(shù)LED驅(qū)動器解決方案都源于電源拓撲并以此為基礎,，故應該考慮到溫度范圍的限制,，因為一般產(chǎn)品通常基于商業(yè)標準,，但照明燈卻必須確保能夠適應嚴苛的環(huán)境如工業(yè)環(huán)境,。

　　LED照明設計的架構選擇

　　LED照明系統(tǒng)架構選擇取決于你的設計目標是低成本、高效率還是最小PCB面積,。一般來說,，小于25W的LED照明系統(tǒng)不要求進行功率校正，因此可以采取簡單一些的拓撲架構,，如PSR或Buck拓撲,。25W-100W的LED照明應用要求進行功率校正，因此一般采用單級 PFC,、準諧振（QR）PWM或反激式拓撲,。100W以上LED照明應用一般采用效率更高的LLC拓撲和雙級PFC。

　　“低于25W功率LED照明解決方案可采用PSR或Buck拓撲,，因為這一功率范圍主要針對小型設計,，強調(diào)設計的簡單性。中等功率解決方案（25W-100W）適合于單級PFC,、準諧振（QR）PWM,、反激式拓撲。”SangCheol Her說,，“大功率解決方案（大于100W）則適合采用LLC,、QR PWM,、反激式拓撲設計,。從效率角度來看，LLC和QR性能更好,；而PSR方案無需次級反饋,，設計簡單,，尺寸也比其它方案小。”

　　鄭宗前也表示：“小于25 W的LED燈具主要應用在室內(nèi)照明,，它們主要采用低成本的反激拓撲結(jié)構,。安森美半導體的NCP1015和NCP1027單片變換集成電路集成了內(nèi)置高壓 MOSFET 和PWM控制器，可以有效的減少PCB的面積和燈具的體積,，提供最大25W的功率輸出（230V AC輸入）,。”

　　“對于非隔離型小于25W LED照明應用，如果輸入到輸出轉(zhuǎn)換比低,，那么簡單的降壓轉(zhuǎn)換器可以是一個低成本和小體積的選擇,。在看重效率的隔離型拓撲架構中，使用像英飛凌 CoolSET ICE2QS系列器件的準諧振反激式拓撲就是一個很好的選擇,。”Alexander Sommer說,。英飛凌是第一家提供數(shù)字準諧振反激控制IC的供應商。

　　25W-100W功率范圍的典型LED照明應用是街道照明（小區(qū)道路）和像停車場這樣的公共場所,。功率轉(zhuǎn)換效率,、PFC 功能的高性價比實現(xiàn)和高顏色品質(zhì)現(xiàn)在是最重要的三大技術挑戰(zhàn)。例如,，在商業(yè)照明和街道照明應用中,，更長得使用壽命和由此產(chǎn)生的更低維護成本正幫助克服較高初始成本的進入障礙。25W到100W的LED照明應用有功率因數(shù)的要求,，因此需要增加功率因數(shù)校正電路,。

　　“這種電路可以采用傳統(tǒng)的兩段式結(jié)構，即有源非連續(xù)模式功率因數(shù)校正（PFC）電路加DC-DC PWM變換電路,，如安森美的功率因數(shù)校正控制器NCP1607,，NCP1607的外圍電路非常簡單并可以提供很好的性能。”鄭宗前表示,，“對于高效率,、低成本和小體積的LED方案而言，值得推薦的是單段的PFC電路,，它可以同時實現(xiàn)功率因數(shù)和隔離的低壓直流輸出,，并具有顯著的成本優(yōu)勢，必將成為中等功率 LED照明的主流方案,。安森美半導體的NCP1652 為實現(xiàn)單級的PFC電路提供了最優(yōu)的控制方案,。”

　　深圳世強電訊則采用Silicon Labs的C8051F3XX系列8位MCU以軟件方式實現(xiàn)PFC。該公司助理市場經(jīng)理黃孫峰說：“我們針對家用市電（180V-260V）輸入10W- 30W小功率LED照明應用開發(fā)出的全數(shù)字化LED照明方案,，可用軟件控制方式實現(xiàn)高達0.95的PFC值,。與硬件PFC相比，該套軟件方案在保證同樣性能指標的前提下，還具有更高的靈活性,、適應性及可升級性,。”該方案采用的LED驅(qū)動器MIC3230的最大輸出電流為350mA，最多可驅(qū)動12顆1W的 LED,，能夠很好地滿足室內(nèi)照明的需求,。

　　Alexander Sommer說：“對于要求在一個很寬的輸入和/或負載范圍內(nèi)（如調(diào)光）具有效率和性能的25W-100W功率LED照明應用，建議采用帶一個獨立PFC級的準諧振反激式拓撲結(jié)構,。典型地可實現(xiàn)高達90%的效率,。”

　　100W以上應用包括主要道路和高速公路照明（這里需要高達20K流明或以上的亮度、以及250W的電源輸入）和專業(yè)應用,，如舞臺燈光照明和建筑泛光燈照明,。在高功率應用中使用LED的一個關鍵驅(qū)動力是可靠性和低功耗帶來的低擁有成本。例如,，其系統(tǒng)效率可與金屬鹵化物和低壓鈉燈相比,。初始成本比較可能在短期內(nèi)繼續(xù)是該市場進入門檻。

　　鄭宗前指出：“對于大于100W的LED應用,，我們將采用傳統(tǒng)的有源非連續(xù)模式功率因數(shù)校正電路和半橋諧振DC-DC 轉(zhuǎn)換電路,。我們推出了一種新型的集成控制器，它集成了有源非連續(xù)模式功率因數(shù)控制器和具有高壓驅(qū)動的半橋諧振控制器,。”

　　該半橋諧振控制器工作在固定的開關頻率和固定的占空比,，并且該電路不需要輸出側(cè)的反饋控制回路。這使得半橋諧振DC-DC 變換電路工作在效率最高的ZVS和ZCS狀態(tài),。直流輸出電壓將跟隨功率因數(shù)校正電路的輸出,。

　　Alexander Sommer強調(diào)：“對于100W以上的更高功率級LED照明應用，效率變得更加重要,，建議使用LLC諧振拓撲結(jié)構,，它可以實現(xiàn)90％以上的效率。我們建議你使用英飛凌新的8引腳器件ICE1HS01,。”

　　不管LED照明系統(tǒng)的輸出功率有多大,，LED驅(qū)動器電路的選擇都將在很大程度上取決于輸入電壓范圍、LED串本身的累積電壓降,、以及足以驅(qū)動LED所需的電流,。這導致了多種不同的可行LED驅(qū)動器拓撲結(jié)構，如降壓型,、升壓型,、降壓-升壓型和SEPIC型。 凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場總監(jiān)Tony Armstrong指出：“每種拓撲結(jié)構都有其優(yōu)點和缺點,，其中,，標準降壓型轉(zhuǎn)換器是最簡單和最容易實現(xiàn)的方案,，升壓型和降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器次之，而 SEPIC型轉(zhuǎn)換器則最難實現(xiàn),，這是因為它采用了復雜的磁性設計原理,，而且需要設計者擁有高超的開關模式電源設計專長,。”總而言之，終端產(chǎn)品的應用決定LED的拓撲結(jié)構,，然后再根據(jù)LED的拓撲結(jié)構和輸入電源再合理選擇Buck、 Boost,、SEPIC,、或Buck-Boost結(jié)構。“一般來說,，25W以下選用Buck的較多,。更大功率的則傾向于選擇Boost結(jié)構。效率的話兩者一般都可以做到85%以上,，LT3755可以做到高達97%的效率,。考慮驅(qū)動部分BOM成本的時候更應該考慮整體系統(tǒng)成本,。”徐瑞包說，“隨著競爭的加劇,，時時會有更低BOM成本的方案,，但不一定是最合適的。我們不建議按照這個標準設計產(chǎn)品,。PCB面積主要受主要元件的控制,，小功率的LED燈盡量采用集成度高的方案。大功率的方案要選用技術集成度高的產(chǎn)品,，外圍電路簡單,。此處討論的都是指DC-DC的解決方案。”

　　梁后權也指出：“為了達到高效率要求,，應當考慮采用開關模式LED驅(qū)動器,，大多數(shù)這類客戶更喜歡選擇降壓LED驅(qū)動器,，因為總的效率更高一些。如果從最低BOM成本角度來考慮,，開關型LED轉(zhuǎn)換器不是最便宜的,。此類客戶可能會試圖采用線性恒流LED驅(qū)動器,。這可以提供最低的BOM成本,，但效率可能就不會像開關模式LED驅(qū)動器那樣高,。如從最小PCB板面積的角度考慮,，通常將選用開關模式轉(zhuǎn)換器，因為它們產(chǎn)生更少的熱量,，甚至相關的元器件體積也將會更小。”

　　模擬,、PWM和TRIAC調(diào)光方案

　　LED調(diào)光解決方案及規(guī)范一直在不斷變化,，直到現(xiàn)在還未固定下來，所以現(xiàn)在市場上存在PWM,、模擬及可控硅（TRAIC）三種調(diào)光方案,。PWM和模擬方法是其中較簡單的,，但需要構建調(diào)光基礎架構和新的調(diào)光控制器,。

　　模擬調(diào)光方案的缺點是，LED電流的調(diào)節(jié)范圍局限在某個最大值至該最大值的約10%之間（10:1調(diào)光范圍）,。由于LED的色譜與電流有關,，因此這種方法并不適合于某些應用,。

　　PWM調(diào)光方案則是以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率（通常高于100MHz）在零電流和最大LED電流之間進行切換,。該占空比改變了有效平均電流,，從而可實現(xiàn)高達 3000:1的調(diào)光范圍（僅受限于最小占空比）,。由于LED電流要么處于最大值，要么被關斷,，所以該方法還具有能夠避免在電流變化時發(fā)生LED色偏的優(yōu)點，而在采用模擬調(diào)光時這種 LED 色偏現(xiàn)象是很常見的,。

　　SangCheol Her則看好TRIAC調(diào)光方案的市場前景，他表示：“可控硅（TRIAC,，2線調(diào)光）將成為非常流行的解決方案,，因為這種技術可以完全使用傳統(tǒng)的系統(tǒng)而不需任何改變,。而且，它還能夠擴展為3線調(diào)光,，以避免出現(xiàn)與低功率因數(shù)值相關的缺陷,。”

　　TRIAC調(diào)光今天是業(yè)內(nèi)非常熱的一個話題,，最初,，TRIAC調(diào)光器是為白熾燈而設計的,，但大多數(shù)用戶希望相同的 TRIAC調(diào)光器也能對替代的LED燈進行調(diào)光,。梁后權表示：“Diodes Zetex目前可為客戶提供全部的調(diào)光解決方案（包括PWM,、模擬和TRIAC）,。例如,，ZXLD1362 LED驅(qū)動器用一個ADJ引腳來實現(xiàn)模擬和PWM調(diào)光,，這就為客戶帶來了很大的設計靈活性。”

　　不過,，鄭宗前認為，市場上TRIAC調(diào)光器的應用方案應該只是過渡性的,，長遠來說,，應該會用PWM調(diào)光,。他說：“主要的三點決定性因素為：1）用PWM 調(diào)光從零到最光,，都不會有閃爍的現(xiàn)象,。2）性能會更好,。因為調(diào)光輸出功率采用了功率因數(shù)校正電路,，這是配合全球?qū)艄獠捎霉β室驍?shù)有強制性的要求,，雖然一般從25 W開始有這要求,，但美國要求燈光從零瓦起已需強制性功率因數(shù)校正電路,。如采用TRAIC調(diào)光將犧牲功率因數(shù)和增加了電路的復雜性,。因此,，采用PWM調(diào)光可以提供最好性能的選擇,，也是未來的趨勢,。3）成本會更好,。用PWM調(diào)整占空比,，不需要太多額外的控制電路成本,。”

　　Alexander Sommer也看好PWM調(diào)光方案前景,，他說：“與模擬調(diào)光方法相比,，LED的PWM調(diào)光方法有以下優(yōu)點：1）效率更高,；2）不管調(diào)光程度有多大,，允許 LED一直在優(yōu)化的和恒定的電流下工組,；3）在整個調(diào)光范圍內(nèi)LED顏色色調(diào)保持一致（顏色色調(diào)像流明輸出一樣隨LED工作電流而變化）。”

　　徐瑞包也坦率地說：“個人覺得,，調(diào)制方式的選擇不應該決定于LED的功率,。而應決定于終端產(chǎn)品的應用要求。比如,，顯示背光或者LED裝飾燈可能會選用PWM的調(diào)光方式,，顏色一致性好,，亮度級別高,。但是對于一般的家用照明或者商業(yè)照明,，模擬調(diào)光或者TRIAC也可以選擇,，不過會產(chǎn)生色偏,，并且調(diào)光的級別會很低,。”

　　梁后權也表示：“為了在連續(xù)調(diào)光時實現(xiàn)無閃爍,，大多數(shù)客戶喜歡選擇PWM調(diào)光,，因為它可提供更大的調(diào)光范圍和更好的線性度。取決于你正在使用的調(diào)光頻率,，閃爍現(xiàn)象可以降到最小,。模擬調(diào)光更容易實現(xiàn)，因為它只需要一個DC電壓就可以無閃爍地對LED進行調(diào)光,。但通常來說,，調(diào)光范圍要窄一些。”

　　對于由多個LED構成的大功率照明應用,，確保每個LED具有均勻的亮度且不產(chǎn)生任何閃爍也成為了主要的設計障礙,，但 PWM方法很容易解決調(diào)光時的閃爍問題,。“若PWM調(diào)制器的占空比能保持恒定,，就便應該不會存在有燈光亮度不均勻的問題,。”吳志民表示,，“美國國家半導體的LED驅(qū)動器不但能確保輸出的電流大小均勻，而且也確保畫面有極高的光暗對比度,。從以這幾方面來說,，我們的LED驅(qū)動器都比市場上的同級產(chǎn)品更出色優(yōu)勝。”

　　Tony Armstrong指出，總之,，最終用戶所采用的調(diào)光方法在很大程度上將由LED本身的最終用途來決定。例如,，在LED用于給顯示器提供背面照明的汽車信息娛樂系統(tǒng)中,，環(huán)境照明的亮度變化范圍是非常寬的,，既有陽光充足時的無比明亮，也有無月之夜的漆黑一片,，可謂千差萬別,。由于人眼對于環(huán)境照明條件的輕微變化極其敏感，因此需要3000:1的寬調(diào)光范圍,。這將要求LED驅(qū)動器電路采用PWM調(diào)光方法。

　　不過,，他補充道：“在LED街燈中,，由于這種燈常常要么處于接通狀態(tài)要么處于關斷狀態(tài),，因而只需要一個有限的調(diào)光范圍即可,。在這種場合中,，僅需采用一種簡單的模擬調(diào)光法便能滿足要求。”

　　如前所述,，小于25W的LED照明應用主要是替換標準白熾燈和鹵素燈。在這一功率范圍上,，最可能的一個應用就是替代由基于TRIAC（雙向可控硅）的逐步削減入墻式調(diào)光器控制的白熾燈或節(jié)能燈,。目前市場上有前沿和后沿削減調(diào)光器，這為整體兼容性帶來了挑戰(zhàn),，因為從EMI的角度來看TRIAC調(diào)光是很差的,。

　　“對于要求最佳性價比的非調(diào)光應用，使用像英飛凌TDA4863G這樣的DCM PFC的單級PFC反激拓撲是一個合適的選擇,。”Alexander Sommer認為,，“25W及以上功率范圍LED照明應用面向更多的專業(yè)市場。調(diào)光控制方法的選擇將取決于它是替代型還是新安裝型,。數(shù)字照明控制（如 DALI或無線解決方案）允許對調(diào)光水平進行更精確的控制,、以及更多的功能，如日光下調(diào)光和占空比感應,。替代型安裝可能要求兼容舊的模擬1-10V調(diào)光控制器,。”