現(xiàn)階段節(jié)能已經(jīng)成為一種硬性的要求，不是一種選擇，而其中一部分需要采用環(huán)保綠色的方式去實現(xiàn)節(jié)能。對于照明來說，我們可以很容易的設(shè)想全球照明提高10%的效率后所帶來的影響，但是提高100%呢?
很多因素使得LED成為令人關(guān)注的高性能現(xiàn)代電子技術(shù)。例如，更高的輸出效率延長了電池壽命，這樣非常適合便攜產(chǎn)品的應(yīng)用。此外，LED快速的開關(guān)特性在機動車尾燈的應(yīng)用上可以得到完美的體現(xiàn)。尤其是剎車燈上的應(yīng)用，它可以給駕駛者提供更多的反映時間，提高駕車的安全性。由于LED不含有鉛和汞，在背光應(yīng)用上，紅綠藍(lán)三原色LED滿足了ROHS標(biāo)準(zhǔn)。由于具有較寬的色域，LED照明使全光譜光源變得容易。LED的獨特之處是它的壽命很長，這一特性使得它可以應(yīng)用到對長期的穩(wěn)定性能有較高要求的地方，例如交通燈。視覺處理系統(tǒng)需要聚焦，閃光，和單色光源——LED非常適合應(yīng)用這種場合。LED由于它簡單易實現(xiàn)，光動態(tài)調(diào)諧特性好，在臥室里，當(dāng)你要放松時，你可以將它設(shè)置成綠光，當(dāng)要看斗牛節(jié)目的時候，可以設(shè)置成紅光。
LED照明系統(tǒng)是一個電光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其電光轉(zhuǎn)換過程從供電部分開始，依次包括原始電源(“動力源泉”)、電源管理與變換、傳感與控制、驅(qū)動器、熱管理、LED及其混光、散射和光學(xué)提取等部分。其中，由原始電源(如電池)和控制與驅(qū)動電路組成的LED供電系統(tǒng)是LED工作的必要條件。LED的供電系統(tǒng)從廣義上講就是LED的“電源”。
本期LED電源設(shè)計大講臺，共5講，從最基本的LED基礎(chǔ)知識入手，依次介紹LED驅(qū)動電源設(shè)計基本原則及三種驅(qū)動方式;最后列舉設(shè)計實例技巧。
對于出入LED照明行業(yè)的年輕工程師而言，這一系列的文章能夠提供給他們系統(tǒng)的LED基礎(chǔ)知識及驅(qū)動電路架構(gòu)的設(shè)計知識。本次LED電源設(shè)計大講臺的內(nèi)容豐富，就像一本LED照明設(shè)計的教科書，深入淺出是這本書的特點。對于資深的LED照明電源設(shè)計工程師，同樣可以學(xué)習(xí)、參考、借鑒!
第一講《LED主要參數(shù)與特性》
LED本質(zhì)是電流驅(qū)動器件，也就是說，它的光強度隨著正向電流IF的變化而變化。光的顏色同樣也是由正向電流來決定，LED正向電壓VF，也會影響顏色的變化。于是，為了達(dá)到所需要光的顏色和亮度，有必要采用恒流驅(qū)動LED。一個簡單的LED驅(qū)動的框架可以由一個電壓源和一個限流電阻組成。這種方法最適合于窄輸入電源，小電流的應(yīng)用，這時候的LED的正向壓降略低于輸入電壓。但是當(dāng)輸入電壓變化或者LED的正向壓降升高時，電流就會變化，因此光的強度和顏色就會改變。
LED是利用化合物材料制成PN結(jié)的光電器件。它具備PN結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性：I-V特性、C-V特性和光學(xué)特性：光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學(xué)特性。第一講我們關(guān)注LED的物理結(jié)構(gòu)，發(fā)光范圍，效率，發(fā)光二極管驅(qū)動和應(yīng)用。
第二講《照明用LED驅(qū)動電源設(shè)計基礎(chǔ)》
驅(qū)動LED面臨著不少挑戰(zhàn)，如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化，而不同個體、不同批次、不同供應(yīng)商的LED正向電壓也會有差異;另外，LED的“色點”也會隨著電流及溫度的變化而漂移。
另外，應(yīng)用中通常會使用多顆LED，這就涉及到多顆LED的排列方式問題。各種排列方式中，首選驅(qū)動串聯(lián)的單串LED，因為這種方式不論正向電壓如何變化、輸出電壓(Vout)如何“漂移”，均提供極佳的電流匹配性能。當(dāng)然，用戶也可以采用并聯(lián)、串聯(lián)-并聯(lián)組合及交叉連接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向電壓的應(yīng)用，并獲得其它優(yōu)勢。如在交叉連接中，如果其中某個LED因故障開路，電路中僅有1個LED的驅(qū)動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。
LED的排列方式及LED光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動器要求。LED驅(qū)動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED的電流，而無論輸入及輸出電壓如何變化。最常用的是采用變壓器來進行電氣隔離。第二講論述了LED照明設(shè)計需要考慮的因素。
第三講《利用降壓結(jié)構(gòu)實現(xiàn)LED驅(qū)動》
隨著LED的廣泛應(yīng)用，在很多地方線性電源這種簡單的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足需求。一般情況下，當(dāng)用電阻的方式設(shè)定LED所需的正向電流的時候，這種簡單的驅(qū)動方式可以連續(xù)的由電源向負(fù)載提供能量。由于LED的電流與電阻上的相同，所以電阻上產(chǎn)生的功耗會隨輸入電壓的增加而增加。例如，一個用線性電源驅(qū)動的LED，效率為70%，用5V線性電源提供1A電流給一個典型的白光InGaNLED(VF=3.5V)。在相同的工作條件下，當(dāng)輸入電壓上升到12V時，它的效率將會降到30%。在如此低效率的情況下是無法應(yīng)用的。
而基于降壓的結(jié)構(gòu)可以與很多環(huán)路控制結(jié)構(gòu)很好的匹配，而且不用考慮穩(wěn)定性的限制，滯回控制適合在開關(guān)頻率變化比較快和輸入范圍比較小的情況下應(yīng)用。這種特性剛好滿足LED對電源的要求。
降壓LED驅(qū)動的很多特點使其變得很有吸引力。它可以很容易設(shè)置成電流源，也可以實現(xiàn)最少的外圍元器件，器件少可以使得設(shè)計變得簡單，提高驅(qū)動的穩(wěn)定性，也可以減少成本。降壓結(jié)構(gòu)的LED適合很多種控制方式使其應(yīng)用的靈活性比較高。它輸出可以省略輸出電容，也可以與其他不同的調(diào)光方式進行很好的匹配，這些特點可以允許它在高速調(diào)光和寬范圍調(diào)光的情況下應(yīng)用。在應(yīng)用允許的情況下，所有的這些特點使得降壓LED驅(qū)動的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有了很多的選擇。
什么樣的應(yīng)用條件不允許使用這種結(jié)構(gòu)呢?例如家用或商用的照明需要上千流明，設(shè)計一種方法來驅(qū)動一個LED串。LED串上的總的正向壓降等于其中每個LED正向壓降之和。在一些情況下，系統(tǒng)的輸入電壓范圍可能比一串LED的正向壓降低，或者有的時候高有的時候低。這些情況下有可能會需要升壓結(jié)構(gòu)，也有可能會需要降-升壓開關(guān)調(diào)整器。
第四講《利用Boost和Buck-Boost實現(xiàn)LED驅(qū)動》
LED光源生產(chǎn)商和設(shè)計者經(jīng)常會提到固態(tài)發(fā)光的應(yīng)用最明顯的優(yōu)勢就像是“樹上掛得很低的水果”。例如花園路徑照明或者MR16杯燈常常只需要一些甚至只要一個LED。對于低壓來說，最通用的電壓是12VDC、24VDC和12VAC。這些應(yīng)用常常要用到一個Buck調(diào)節(jié)器。雖然如前所述，Buck是首選，但是在LED照明應(yīng)用中，隨著LED數(shù)量的增加，Boost調(diào)節(jié)器也得到了越來越多的應(yīng)用。設(shè)計者們不再滿足于手電筒或者單個杯燈應(yīng)用，而把目光投到大尺寸通用照明和達(dá)到幾千流明的照明系統(tǒng)。例如街燈、公寓和商業(yè)照明、體育場照明和建筑內(nèi)外裝飾照明。
由于Boost和Buck-boost調(diào)節(jié)器的高度復(fù)雜性及其外圍電路、低效(特別是Buck-boost)和控制拓?fù)涞倪x擇不足，致使它們都不是轉(zhuǎn)換LED驅(qū)動的首選。但是它們都是LED越來越多的照明應(yīng)用必不可少的。某些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以用buck或者甚至是線性以調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)的LED驅(qū)動來替代。比如類似于街燈的大型光源需要一百甚至更多的1W+LED。一般來說，針對通用照明的LED從低功耗走向高功耗，并且在其中間舞臺，比如汽車前燈和小型光部件，boost和buck-boost調(diào)節(jié)器代表了常電流驅(qū)動的最佳選擇。
第五講《使用PWM調(diào)光》
不管你用Buck,Boost,Buck-Boost還是線性調(diào)節(jié)器來驅(qū)動LED，它們的共同思路都是用驅(qū)動電路來控制光的輸出。一些應(yīng)用只是簡單地來實現(xiàn)“開”和“關(guān)”地功能，但是更多地應(yīng)用需求是要從0到100%調(diào)節(jié)光的亮度，而且經(jīng)常要有很高的精度。設(shè)計者主要有兩個選擇：線性調(diào)節(jié)LED電流(模擬調(diào)光)，或者使用開關(guān)電路以相對于人眼識別力來說足夠高的頻率工作來改變光輸出的平均值(數(shù)字調(diào)光)。使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來設(shè)置周期和占空度可能是最簡單的實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的方法，并且Buck調(diào)節(jié)器拓?fù)渫軌蛱峁┮粋€最好的性能。
LED光源的單純控制需要設(shè)計的初始階段就要非常小心。光源越復(fù)雜，就越要用PWM調(diào)光。這就需要系統(tǒng)設(shè)計者謹(jǐn)慎思考LED驅(qū)動拓?fù)洹uck調(diào)節(jié)器為PWM調(diào)光提供了很多優(yōu)勢。如果調(diào)光頻率必須很高或者信號轉(zhuǎn)換率必須很快，或者二者都需要，那么Buck調(diào)節(jié)器就是最好的選擇。