LED照明设计基础

LED关键基础知识大全
LED作为新一代的绿色光源技术，其拥有白炽灯所不具备的高度节能性，同时LED产品在色彩及造型上也更丰富更具可塑造性。

目前LED灯具已广泛应用到室内照明、室外照明、景观工程等多个领域，其节能性得到了社会的一致好评。

LED取代白
炽灯，已经成为照明灯具产业不可逆转的潮流。

与普通白炽灯相比，同瓦数的LED灯具发光效率是白炽灯的8倍以上，因此虽然LED照明产品的功率都比较小，但是却能的
白炽灯一样，发出高亮度的光芒。

不过由于LED照明设计涉及光学、电学、热学以及工业美学知识，因此它是名副其实的跨学科多领域知识融合的新技术，本文介绍了LED照明的关键基础知识，可以帮助LED照明领域工程师打好设计基础，提升设计技巧。

LED照明设计基础知识-安森美培训资料
发光二极管(LED)继在中小尺寸屏幕的便携产品背光等应用获大量采用后，随着它发光性能的进一步提升及成本的优化，近年来已迈入通用照明领域，如建筑物照明、街道照明、景观照明、标识牌、信号灯、以及住宅内的照明等，应用可谓方兴未艾。

另一方面，LED照明设计也给包括中国工程师在内的工程社群带来了挑战，这不仅因为LED照明的应用范围非常广泛，应用的功率等级、可以采用的驱动电源种类及电源拓扑结构等，也各不相同。

工程师们迫切需要系统地学习及了解更多有关LED
照明设计的基础知识。

有鉴于此，安森美半导体的产品应用总监Bernie Weir先生近期专门撰写相关培训资料，为工程师们传授相关的设计基础知识，内容涉及LED驱动器的通用要求、电源拓扑结构、功率因数校正、电源转换能效和驱动器标准，以及可靠性和使用寿命等其它问题，方便他们更好地设计入门及提高，从而更好地服务于LED照明市场。

限于篇幅，本文是该培训资料的摘要介绍。

一、LED驱动器通用要求
驱动LED面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供应商的LED正向电压也会有差异；另外，LED的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。

另外，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED的排列方式问题。

各种排列方式中，首选驱动串联的单串LED，因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压(Vout)如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。

当然，用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向电压的应用，并获得其它优势。

如在交叉连接中，如果其中某个LED因故障开路，电路中仅有1个LED的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。

图1：常见的LED排列方式
LED的排列方式及LED光源的规范决定着基本的驱动器要求。

LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流，而无论输入及输出电压如何变化。

LED驱动器基本的工作电路示意图如图2所示，其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接，最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离”则没有采用高频变
压器来电气隔离。

图2：LED驱动器的基本工作电路示意图。

值得一提的是，在LED照明设计中，AC-DC电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置：1)整体式(integral)配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效及简化安装等；2)分布式(distributed)配置，即两者单独
存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。

LED驱动器根据不同的应用要求，可以采用恒定电压(CV)输出工作，即输出为一定电流范围下钳位的电压；也可以采用恒定电流(CC)输出工作，输出的设计能严格限定电流；也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作，即提供恒定输出功率，故作为负载
的LED的正向电压确定其电流。

总的来看，LED照明设计需要考虑以下几方面的因素：
λ输出功率：涉及LED正向电压范围、电流及LED排列方式等
λ电源：AC-DC电源、DC-DC电源、直接采用AC电源驱动
λ功能要求：调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制
λ其他要求：能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性等
λ更多考虑因素：机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等
二、LED驱动电源的拓扑结构
采用AC-DC电源的LED照明应用中，电源转换的构建模块包括二极管、开关(FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。

电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，参见图3，其中反激拓扑结构是功率小于30 W的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。

就隔离结构中的变压器而言，其尺寸的大小与开关频率有关，且多数隔离型LED驱动器基本上采用“电子”
变压器。

图3：常见的隔离型拓扑结构。

采用DC-DC电源的LED照明应用中，可以采用的LED驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，基本的应用示意图参见图4。

电阻型驱动方式中，调整与LED串联的电流检测电阻即可控制LED的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容(EMC)问题，劣势是依赖于电压、需要筛选(binning) LED，且能效较低。

线性稳压器同样易于设计且没有EM C问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，且提供外部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。

开关稳压器通过PWM控制模块不断控制开关(FET)的开和关，进而控制电流的流动。

图4：常见的DC-DC LED驱动方式。

开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰(EMI)问题。

LED DC-DC开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SE PIC)等不同类型。

其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED串最大电压时采用降压结构，如采用24 Vdc驱动6颗串联的LED；与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12 Vdc驱动6颗串联的LED；而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC结构，如采用12 Vdc或12 Vac驱动4颗串联的LED，但这
种结构的成本及能效最不理想。

采用交流电源直接驱动LED的方式近年来也获得了一定的发展，其应用示意图参见图5。

这种结构中，LED串以相反方向排列，工作在半周期，且LED在线路电压大于正向电压时才导通。

这种结构具有其优势，如避免AC-DC转换所带来的功率损耗等。

但是，这种结构中LED在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。

此外，在这种设计中还需要加入LED保护措施，使
其免受线路浪涌或瞬态的影响。

图5：直接采用交流驱动LED的示意图。

三、功率因数校正
美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR™)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。

这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9；但是，这标准属于自愿性标准。

欧盟的IEC61000-3-2谐波含量标准中则规定了功率大于25 W的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真(THD)< 35%，而功率因数(PF)>0.94。

虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常>0.95+)。

图6：有源PFC的应用电路示意图
PFC技术包括无源PFC及有源PFC两种。

无源PFC方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8或更高的功率因数。

其中，在小于5 W至40 W的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7的功率因数。

有源PFC(见图6)通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变
输入电流波形。

有源PFC通常提供升压，交流100至277 Vac的宽输入范围下，PFC输出电压范围达直流450至480 Vdc。

如果恰当地设计PFC段，可以提供91%到95%的高能效。

但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC转换来提供电流稳流。

四、能效问题
LED照明应用的能效需要结合功率输出来考虑。

美国“能源之星”固态照明规范规定了照明器具级的能效，但并不涉及单独LE D驱动器的能效要求。

如前所述，采用AC-DC电源的LED应用可以采用两段式分布拓扑结构，故可能采用外部AC-DC适配器供电。

而“能源之星”的确包含有关单输出外部电源的规范，其2.0版外部电源规范于2008年11月开始生效，要求标准工作模式下最低能效达87%，而低压工作模式下最低能效达86%；在此规范中，功率大于100 W时才要求PFC。

图7：美国能源部2008年秋季提出的LED照明灯具能效研发目标。

而在采用AC-DC电源的LED应用中，要提供更高的AC-DC转换能效，就涉及到成本、尺寸、性能规范及能效等因素之间的折衷问题。

例如，若使用更高质量的元件、更低导通阻抗(RDSon)，就可降低损耗及改善能效；降低开关频率一般会改善能效，但却会增加系统尺寸。

诸如谐振这样新的拓扑结构提供更高能效，却也增加设计及元件的复杂度。

如果我们将设计限定在较窄
的功率及电压范围，则可以帮助优化能效。

五、驱动器标准
LED驱动器本身也在不断演进，着重于进一步提高能效、增加功能及功率密度。

美国“能源之星”的固态照明规范提出的是照明器具级的能效限制，涉及包括功率因数在内的特定产品要求。

而欧盟的IEC 61347-2-13 (5/2006)标准针对采用直流或交流供电
的LED模块的要求包括：
(35.3 Vdc)λ最大安全特低电压(SELV)工作输出电压≤25 Vrms
λ不同故障条件下“恰当”/安全的工作
故障时不冒烟或易燃
此外，ANSI C82.xxx LED驱动器规范仍在制定之中。

而在安全性方面，需要遵从UL、CSA等标准，如UL1310 (Class 2)、
UL 60950、UL1012。

此外，LED照明设计还涉及到产品寿命周期及可靠性问题。

总结：
本文分享了安森美半导体产品应用专家Bernie Weir先生的一些重要的LED照明设计基础知识，如驱动器的通用要求、驱动器电源的拓扑结构、功率因数校正、电源转换能效及驱动器需要遵从的标准等问题，帮助工程师更好地从事LED照明设计。

安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅解决方案供应商，针对不同LED照明应用，不论其采用何种电源供电，均提供应用所需的高性能电源转换、功率因数校正及驱动解决方案，辅以高质量的服务及支援，帮助客户在市场竞争中占据先机。

自恢复保险丝在LED产品中的应用电路
一、刚刚开始起步成本高
照明成本不仅涉及灯具的初始成本，还涉及灯具所消耗的能源成本，灯具无法正常工作时更换灯具所需的劳动成本，以及所需灯具更换的平均频率。

从这一概念出发就很容易理解，为什么LED光源是白炽灯光源价格的50倍左右时，LED交通信号灯的市场就开始启动，而当达到28倍时，就已形成新兴产业。

目前半导体照明主要以光色照明和特殊照明为主，以后将向普通照明扩展。

具体来讲，近几年内，半导体照明市场将广泛应用在各种信号灯、景观照明、橱窗照明、建筑照明、广场和街道的美化、家庭装饰照明、公共娱乐场所美化和舞台效果照明等领域。

事实上，我们身边已经随处可见它的身影：电脑显示灯、手机按键和屏幕的背光源、汽车尾灯、建筑物灯光、交通信号灯……等等。

二、不一致性带来的问题：
理论上LED都一样，都是能发光的二极管，而实际上所有LED的电性能都是有差异的，众多的厂家都在抢生产进度、抓数量；每个厂家的生产工艺是不一致的，甚至相差很大，就是同一厂家的不同时间的工艺都是有差异的；生产发光二极管的半导体材料的纯度要求非常高，不同厂家使用的半导体原材料的纯度是有差异的，这就使LED的发光强度与驱动电流是不完全相同的，或者相差很大，而且耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了；由于封装工艺和封装材料的不同，使得整体的散热能力是不一样的，所有的厂家都在研究和开发新材料，以求解决组合材料的热彭胀与散热的问题。

由此不难看出,LED发光二极管在短期内仍存在个体之间的很大的差异，如果每个灯只用一个LED，那是很好控制的，而且是真正的长寿命，例如电视机、DVD上的电源指示灯就是如此；而当我们用LED制作照明灯具时，就不是用单个的LED，而是用多个，或上百上千个LED 排成阵列接入电路，再者，需要的亮度就不是指示灯所能做到的，而电流大了、小了亮度都要减弱，且会使寿命大打折扣，甚而致于未出厂就坏掉了；因LED的差异性总是存在的，在多个LED组成的连路中，当有几个坏掉时(通常是短路)，会使电流增大而损坏其他的LED。

这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。

三、驱动电路复杂成本高、故障率高
a.在电压匹配方面，LED不象普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。

LED是2--3.伏的低电压驱动，必须要设计复
杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。

b.在电流供应方面，LED的正常工作电流在15mA-18mA，供电电流小于15mA时LED的发光强度不够，而大于20mA时，发光了强度也会减弱，同时发热大增，老化加快、寿命缩短，当超过40mA时会很快损坏。

为了延长LED照明灯的使用寿命，简易电源是不能使用的，而常用集成电路电源、电子变压器、分离元件电源等，但都要设计恒流源电路和恒压源电路供电的方式，大电流驱动时，要配大功率管或可控硅器件，另加保护电路，这样就使LED的电源供应器电路很复杂，故障率增加。

元件成本、生产成本、服务成本都将升高。

而目前LED本身的成本就高，加上电源的成本，这就大大地限制了市场的竞争力与购买群体，LED照明灯的优势大打折扣，这也是制约其发展与普及的又一关键问题。

四、解决问题的方法与可行性分析：
解决问题的方法可用自复位过流保护器WHPTC元件
如果用WHPTC过流保护器作保护，将是另外一种结果，从原理可知，当电路的电流超过规定值时会讯速的自动保护，在排除故障后又自动复位，无需人工更换。

对LED而言，电压的变化不是LED损坏的直接原因，而电流的增大才是LED的真正杀手。

显而易见，利用WHPTC的这个特性，在LED的电路保护上具有绝对的优势，让简易电源供电变为现实。

实践证明，在LED
电路出现故障以前就有效保护了。

在简易电源上，这个优势特别突出。

对如下3图分析可见，因有了WHPTC后可省去恒流、恒压电路，LED的质量也提高了。

器件成本、生产成本、故障率、服务成本等，都大大降低。

也大大增加了产品的市场竞争
力。

所以谁先使用WHPTC，谁先占领市场。

使用WHPTC前后的拓扑结构比较图
浅谈LED产品老化我们在应用LED时经常会出现这样种问题，LED焊在产品上刚开始的时候是正常工作的，但点亮一段时间以后就会出现暗光、闪动、故障、间断亮等现象，给产品带来严重的损害。

引起这种现象的原因大致有：
1．应用产品时，焊接制程有问题，例如焊接温度过高焊接时间过长，没有做好防静电工作等，这些问题95％以上是封装过程
造成。

2．LED本身质量或生产制程造成。

预防方法有：
1.做好焊接制程的控制。

2.对产品进行老化测试。

老化是电子产品可靠性的重要保证，是产品生产的最后必不可少的一步。

LED产品在老化后可以提升效能，并有助于后期使用的效能稳定。

LED老化测试在产品质量控制是一个非常重要的环节，但在很多时候往往被忽视，无法进行正确有效的老化。

L ED老化测试是根据产品的故障率曲线即浴盆曲线的特征而采取的对策，以此来提高产品的可靠性，但这种方法并不是必需的，
毕竟老化测试是以牺牲单颗LED产品的寿命为代价的。

LED老化方式包括恒流老化及恒压老化。

恒流源是指电流在任何时间都恒定不变的。

有频率的问题，就不是恒流了。

那是交流或脉动电流。

交流或脉动电流源可以设计成有效值恒定不变，但这种电源无法称做「恒流源」。

恒流老化是最符合LED电流工作特征，是最科学的LED老化方式；过电流冲击老化也是厂家最新采用的一种老化手段，通过使用频率可调，电流可调的恒流源进行此类老化，以期在短时间内判断LED的质量预期寿命，并且可挑出很多常规老化无法挑出的隐患LED。

有效防止高温失灵-PTC热敏电阻用作LED限流器近年来，发光二极管(简称LED)的发展已取得巨大进步：已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率LED。

不久之后，LED照明的成本将降至与传统冷阴极荧光灯(简称CCFL)类似的水平。

这使得人们对LED的下述应用兴趣日浓：汽车照明灯、建筑物内外的LED光源、以及笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。

大功率LED技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。

就像所有其它半导体一样，LED不能过热，以免加速输出的减弱，或者导致最坏状况：完全失效。

与白炽灯相比，虽然大功率LED具有更高效率，但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。

因而，可靠的运作就需要良好的散热，并要求在设计阶段就考虑高温环境。

设计LED驱动电路尺寸时，也必须考虑温度因素：必须选择其正向电流，以确保即使环境温度达到最高值，LED芯片也不会过热。

随着温度的升高，就需要通过降低最高容许电流，即降低额定值，来实现降温。

LED制造商把降额曲线纳入其产品规格中。

有关此类曲线，参见图1。

图1 LED降频曲线
利用无温度依赖性的电源运行LED存在弊端：在高温区域内，LED则超出规格范围运行。

此外，当处于低温区域时，照明源就由明显低于最大容许电流(参见图1红色曲线)的电流供电。

如图1的绿色曲线所示，通过LED驱动电路中的正温度系数热敏电阻(简称PTC热敏电阻)来控制LED电流是一个重大改进。

这至少可以带来下列好处：
*在室温下增加正向电流，从而增加光输出
*因为可以减少LED使用量，所以可以使用价格较低的驱动集成电路(简称IC)乃至一个不带温度管理的驱动电路来节约成本
*实现无需IC控制的驱动电路设计，此电路亦可使LED电流随温度改变
*能够使用较便宜减额值较高安全裕量较小的LED
*过热保护功能提高了可靠性
*带散热片的热机械设计更为简单
大多数LED用驱动电路形式具有一个共同点：即流经LED的正向电流是通过固定电阻进行设置(参见图2)。

一般说来，流经L ED ILED的电流取决于Rout，即ILED ~ 1/Rout。

由于Rout不随温度而变，因此LED电流也不受温度影响。

将固定电阻换成随温度变化的电路，即可实现对LED电流的温度管理。

下列图表阐明了如何使用PTC热敏电阻来改善标准电
路。

示例1：有反馈回路的恒流源
图2中电路1为常用的驱动电路。

其恒流源包括一条反馈回路。

当调节电阻两端的反馈电压达到因IC而异的VFB时，LED电
流就不变了。

LED电流因而被稳定在ILED=VFB/Rout。

图2 LED的传统驱动方式
图3所示为上一电路改良型：此电路借由PTC热敏电阻，生成随温度变化的LED电流。

通过正确选择PTC热敏电阻、Rseries 以及Rparallel，此电路与专用驱动IC和LED组合相匹配。

其中，LED电流可经由下列方程式计算得出：
图3所示电路阐明了LED电流(参见图3)的温度依赖性。

与针对最高运行温度为60度的恒流源相比较，使用PTC热敏电阻后LED电流可在0度和40度之间提升达40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。

图3 采用PTC热敏电阻的温度监测和电流降频
示例2：调节电阻与LED无串联的恒流源
图2所示电路2为另一常见的恒流源电路：电流通过连接驱动IC的电阻得以确定。

然而在这种情况下，调节电阻并未与LED 串联。

Rset和ILED之间的比率由IC规格明确。

因此，运用20KΩ的串联电阻和TLE4241G型驱动IC，最终产生的LED电流为30mA。

图4所示为标准电路改良型，其中也含有一个PTC热敏电阻，尽管此处采用WHPTC热敏电阻。

在感测温度，元件电阻可达4.7KΩ，且容许误差值为±5℃(标准系列)或±3℃(容许误差值精确系列)。

图4所示为随外界温度而变化的LED电流。

固定电阻Rseries容许误差范围小，在低温时支配总电阻。

只有在低于PTC热敏电阻的感测温度大约15 K时，由于PTC热敏电阻的阻值开始增加，电流才会开始下降。

在感测温度(总电阻=Rseries+RPTC=19. 5KΩ+4.7KΩ=24.2KΩ)时的电流大约为23mA。

PTC电阻在温度更高时急剧上升，迅速引发断路，从而避免因温度过高出现故障。

图4 无分流测量之温度记录
示例3：无IC简单驱动电路
如图2所示电路3，LED也可在无驱动IC的情况下工作。

图示电路是通过车用电池驱动单一200mA LED。

稳压器生成5 V 的稳定电源电压Vstab，以避免电源电压出现波动。

LED在Vstab处运作，电流则通过与LED串联的电阻元件Rout决定。

在这类电路中，通过下一则等式可算出独立于温度的正向电流，在此等式中，VDiode是一个LED的正向电压：
另一做法是将WHPTC的径向引线式PTC热敏电阻以及两个固定电阻相组合后，替代上述固定电阻，如图所示。

由于LED电流的绝大部分流经PTC热敏电阻本身，因此需要选择一个较大的径向引线式元件。

PTC将因为流经电阻本身的电流而导致发热，因此会一直减少电流，无论环境温度为何(如图5所示)。

并联两个或更多片式PTC热敏电阻会将电流分流，但
此方案仍存在局限性。

图5 无需IC的温度补偿驱动电路
电流值主要是通过适当选择两个固定电阻来设置的。

这两个电阻也在改进电路方面也起到重要作用，因为它们将产生的LED 正向电流的允差保持在较低水平。

这在正常工作温度范围内尤其重要，因为此时PTC热敏电阻本身的阻值允差仍较高。

第二个并联固定电阻也能确保PTC不会在极端高温情况下彻底关闭LED，因此，电流不会降至低于下列等式计算的所得值：
这项性能在例如汽车电子这样的应用中极其重要，因为安全要求不允许照明灯彻底关闭。

背景资料：LED的温度依赖性
像所有半导体一样，LED的最高容许结点温度不能超过，以免导致过早老化或者完全失效。

如果结点温度要保持在临界值以下，那么外界温度升高时，最高容许正向电流则必须下降。

不过，如果运用散热器，在特定的外界温度时正向电流可以增加。

LED 的光输出随着芯片结点温度的升高而下降。

上述情况主要发生在红色和黄色LED，白色LED则与温度关系较小。

光照效率和正向电流保持同步增长，不过，安装在结层和环境之间的LED所具备的高热阻率可以降低乃至逆转这种作用，这是因为随着
结点温度的上升，发射光会降低。