現(xiàn)在大街上隨處可見(jiàn)的LED顯示屏,，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見(jiàn)LED燈的身影,，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個(gè)角落,。凱恩斯主義著名的“消費(fèi)不足危機(jī)論”大大促進(jìn)了全球范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,，然而也造成了資源消耗的呈級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，持續(xù)性發(fā)展?jié)u漸難以為繼,，綠色環(huán)保理念開始深入人心,。LED 固態(tài)光源照明、太陽(yáng)能發(fā)電等技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成為各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的“弄潮兒”,。

    1962 年,，紅光的半導(dǎo)體化合物 GaAsP 器件在美國(guó) GE、Monsanto,、IBM 的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成功,，標(biāo)志著 LED 技術(shù)的誕生。從小小的發(fā)光體開始,，LED 照明經(jīng)過(guò)六十年的發(fā)展,，逐漸進(jìn)化為將要一統(tǒng)“照明”領(lǐng)域天下的“霸主”，然而,，“陽(yáng)光普照”的 LED 照明世界仍然存在著“一朵”小小的烏云 LED 驅(qū)動(dòng),。

    要想了解 LED 驅(qū)動(dòng)，首先要看看 LED 燈的組成,，典型的 LED 射燈由 LED 光源,、鋁基板、LED 驅(qū)動(dòng) / 電源,、透鏡,、散熱器 / 熱沉、燈頭等組成,，如圖 1 所示[1]。LED 光源當(dāng)然是整個(gè)燈具的中心,，然而 LED 驅(qū)動(dòng)也發(fā)揮著非同小可的作用,。如果把 LED 燈看做機(jī)體，驅(qū)動(dòng)可以比為它的“心臟”,，提供必需的“血液”和“營(yíng)養(yǎng)”,。

    一、前世篇直流開關(guān)電源的分類

    LED 驅(qū)動(dòng)或 LED 電源本身是開關(guān)電源的一種應(yīng)用類型,，開關(guān)電源可稱之為 LED 驅(qū)動(dòng)的“前世”,。開關(guān)電源的一般定義為：利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制 IC 和 MOSFET 構(gòu)成,。開關(guān)電源與另一類電源線性電源相比，具有小型,、輕量和高效率的特點(diǎn)?，F(xiàn)代開關(guān)電源有兩種：一種是直流開關(guān)電源;另一種是交流開關(guān)電源。直流開關(guān)電源將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源(粗電),，如市電電源或蓄電池電源,，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓(精電)。直流開關(guān)電源的核心是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器,。

    直流 DC/DC 轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器;另一類是沒(méi)有隔離的稱為非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器,。隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個(gè)數(shù)來(lái)分類。單管的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種,。雙管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有雙管正激式(DoubleTransistor Forward Converter),、雙管反激式(Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter)和半橋式(Half-Bridge Converter)四種,。四管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器就是全橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(Full-Bridge Converter),。

    非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，按有源功率器件的個(gè)數(shù),，可以分為單管,、雙管和四管三類。單管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器共有六種,，即降壓式(Buck)DC/DC 轉(zhuǎn)換器,、升壓式(Boost)DC/DC 轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式(Buck Boost)DC/DC 轉(zhuǎn)換器,、Cuk DC/DC 轉(zhuǎn)換器,、Zeta DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 SEPIC DC/DC 轉(zhuǎn)換器。雙管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有雙管串接的升壓降壓式(Buck-Boost)DC/DC 轉(zhuǎn)換器,。四管 DC/DC 轉(zhuǎn)換器常用的是全橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(Full-Bridge Converter),。隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在實(shí)現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離時(shí)，通常采用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn),，由于變壓器具有變壓的功能,，所以有利于擴(kuò)大轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)用范圍，也便于實(shí)現(xiàn)不同電壓的多路輸出,，或相同電壓的多種輸出[2],。以上種種繁瑣的分類可以用表 1 給出。

    直流開關(guān)電源的典型構(gòu)造圖如圖 2 所示,，市電交流輸入進(jìn)入 EMI 濾波器進(jìn)行初級(jí)濾波,，使本地電源和電網(wǎng)上千家萬(wàn)戶的負(fù)載進(jìn)行一定程度的隔離,，整流即將交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電，再次濾波后進(jìn)入變換電路變?yōu)榻涣麟娏魅敫哳l變壓器的初級(jí)線圈,，次級(jí)線圈就產(chǎn)生了低壓交流電,，再次整流和濾波后得到了適合我們需要的低壓直流電，開關(guān)電源同時(shí)采用反饋控制,，不斷比較輸入和輸出,，可以取得更干凈輸出的效果。別看開關(guān)電源的原理貌似非常簡(jiǎn)單,，但其對(duì)器件如開關(guān)管的開關(guān)速度,、導(dǎo)通電阻等有著很高的要求。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向,，高頻化使開關(guān)電源更加小型化,，并使開關(guān)電源進(jìn)入愈加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域 [2]。

    開關(guān)電源的發(fā)明是工業(yè)界的一件大事,，直接催生了個(gè)人 PC 機(jī)走入千家萬(wàn)戶,。關(guān)于蘋果公司“喬幫主”的《喬布斯傳》中生動(dòng)的寫道：“喬布斯專門去了雅達(dá)利公司咨詢他曾經(jīng)的上司奧爾康，看有什么辦法能夠令電腦在不采用風(fēng)扇的情況下供電,。奧爾康向喬布斯介紹了羅德·霍爾特,，一個(gè)聰明的家伙?；魻柼卦O(shè)計(jì)了 Apple II 的電源部分,，他并沒(méi)有使用傳統(tǒng)的線性電源，而是制造了一個(gè)示波器等儀器上使用的開關(guān)電源,。這種電源通斷電的次數(shù)能夠從 60 次提高到上千次,，從而降低了 Apple II 電源的發(fā)熱量。喬布斯認(rèn)為,，羅德應(yīng)該名垂青史,，這種電源設(shè)計(jì)是革命性的發(fā)明?！盵3]開關(guān)電源的出現(xiàn)不僅使個(gè)人 PC 大大減小了體積,，也使成千上萬(wàn)種電子產(chǎn)品變得相當(dāng)“迷你”，帶動(dòng)了個(gè)人消費(fèi)電子產(chǎn)品的大發(fā)展,，才有了今天我們方便快捷的生活,。開關(guān)電源產(chǎn)品目前已“膨脹”為一個(gè)龐大的家族，“子女們”廣泛“服役”于工業(yè)自動(dòng)化控制,、軍工設(shè)備、LED 照明,、通訊設(shè)備,、電力設(shè)備,、醫(yī)療設(shè)備、液晶顯示器,、LED 燈具,、通訊設(shè)備、電腦機(jī)箱,、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域,。

    二、LED 驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)及未來(lái)發(fā)展方向

    LED 驅(qū)動(dòng)作為開關(guān)電源家族中的成員,，根據(jù)其負(fù)載特性和應(yīng)用場(chǎng)景,，有著與眾不同的特點(diǎn)。筆者將對(duì)其的要求總結(jié)為“八高二低”,。

    1. 體積小(低)：LED 燈頭要適應(yīng)傳統(tǒng)燈具的安裝空間,，LED 驅(qū)動(dòng)一般安裝在燈頭里，因此體積要小;

    2. 可靠性高：驅(qū)動(dòng)是 LED 燈的源頭活水,，可靠性要求高是一定的;

    3. 成本低：LED 照明普及的一大障礙是成本,，在 LED 芯片成本還未降到人們心理預(yù)期前，LED 驅(qū)動(dòng)的成本要經(jīng)受層層的精打細(xì)算和“盤剝”;

    4. 效率高：高光效的 LED 燈怎么也得找個(gè)“門當(dāng)戶對(duì)”的驅(qū)動(dòng);

    5. 防水性好(高)：戶外的 LED 照明應(yīng)用如路燈要經(jīng)受雨雪的考驗(yàn);

    6. 振動(dòng)特性好(高)：戶外的 LED 照明應(yīng)用如路燈要經(jīng)受大風(fēng)惡劣天氣的考驗(yàn);

    7. 壽命長(zhǎng)(高)：號(hào)稱壽命達(dá) 10 萬(wàn)小時(shí)的 LED 燈不能有壽命短板;

    8. 溫度特性好(高)：高功率密度以及冬夏環(huán)境溫度的影響不能讓驅(qū)動(dòng)工作異常;

    9. 濕度特性好(高)：要經(jīng)受桑拿天等高濕天氣的考驗(yàn);

    10. 抗干擾性好(高)：雷擊,、過(guò)壓過(guò)流等電網(wǎng)波動(dòng)不能損傷驅(qū)動(dòng)分毫,。

    由此看來(lái)，高品質(zhì)的 LED 驅(qū)動(dòng)具有很高的要求,，但在成本,、設(shè)計(jì)周期、激烈競(jìng)爭(zhēng)等種種壓力下,，很多 LED 驅(qū)動(dòng)“墮落”了,，簡(jiǎn)單的電容降壓取代了規(guī)范的開關(guān)電源出現(xiàn)在人頭攢動(dòng)的各種 LED 交易市場(chǎng)上。被認(rèn)為是導(dǎo)致 LED 燈壽命無(wú)法達(dá)到預(yù)期的重要原因,。實(shí)際上,，LED 驅(qū)動(dòng)面臨的“八高二低”的要求可以通過(guò)技術(shù)和環(huán)境的途徑共同解決，去電解電容,、數(shù)字監(jiān)控等技術(shù)的發(fā)展可以提高驅(qū)動(dòng)的原生壽命;電網(wǎng)質(zhì)量的改善,、人們對(duì)驅(qū)動(dòng)成本構(gòu)成的逐漸寬容等環(huán)境的變化也能大大改善 LED 驅(qū)動(dòng)的命運(yùn)。但更重要的是看待驅(qū)動(dòng)的理念,。

    其實(shí),，一直與 LED 驅(qū)動(dòng)緊密綁定在一起的 LED 光源身上有著種種潛力，LED 光源不止是照明,，決定了 LED 驅(qū)動(dòng)也不僅僅是個(gè)電源,。都說(shuō)“LED 高科技”，高科技體現(xiàn)在哪里呢?僅僅是光效嗎?不全是。高科技體現(xiàn)在研發(fā),、生產(chǎn),、工藝等方面。還有它與傳統(tǒng)照明光源最大的不同,，那就是它的出身其實(shí)是一個(gè)半導(dǎo)體芯片,，這一點(diǎn)決定了 LED 光源可以像其他的半導(dǎo)體芯片，如 CPU,、GPU,、FPGA、ARM 等一樣,，具有“潘多拉魔盒”的魔力,，具有“芥子能納須彌”的神奇，魔力和神奇離不開驅(qū)動(dòng)的提攜(當(dāng)然是帶有半導(dǎo)體智能控制芯片的驅(qū)動(dòng)),，這也就是智能照明(smart lighting)概念的源頭所在,。有了智能照明，我們可以實(shí)時(shí)監(jiān)控照明的能耗,、照明的狀態(tài),，更加突出節(jié)能的概念。

    不僅僅如此,，照明能夠根據(jù)環(huán)境光的強(qiáng)弱和場(chǎng)景自動(dòng)調(diào)節(jié),。設(shè)想一下，靜靜的夜晚,，路燈們自動(dòng)調(diào)節(jié)為低功率輸出,，有汽車和人出現(xiàn)時(shí)調(diào)高輸出功率，離開時(shí)再調(diào)回原狀;夏天時(shí),，屋內(nèi)自動(dòng)調(diào)為冷色調(diào)……家庭中智能照明的一種應(yīng)用場(chǎng)景如圖 3 所示[4],，通過(guò)智能手機(jī)，我們可以控制客廳,、臥室,、書房等空間 LED 照明的亮度、色溫,、分布,，監(jiān)控照明的耗電狀態(tài)并帶有用戶隨意定制的功能。

    所有這些不是天方夜譚,。LED 驅(qū)動(dòng)在作為 LED 燈“心臟”的同時(shí),，再次勇于承擔(dān)“大腦”的責(zé)任，為燈具賦予了種種神奇的功能,，未來(lái),，在智能 LED 驅(qū)動(dòng)的協(xié)助下,，LED 燈可以實(shí)現(xiàn)人類夢(mèng)想中的功能，成為“感知中國(guó)”物聯(lián)網(wǎng)中的重要一環(huán)?，F(xiàn)在的LED燈或許會(huì)有一些問(wèn)題,，但是我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,，在我們科研人員的努力下,，這些問(wèn)題終將唄解決，未來(lái)的LED一定是高效率,，高質(zhì)量的,。