隨著能源成本的攀升、LED光效不斷增高、更為嚴格的全球能源法規出臺和實施以及高亮度LED發光效能（流明/瓦）的提高，LED照明日益成為白熾燈和熒光燈的理想替代產品。據估計，以通用照明市場（電燈泡和熒光燈管替代、嵌燈、街燈及停車燈、工作照明燈、景觀照明、廣告牌文字電路、建築物照明等）為例，2012年LED照明（或稱固態照明，簡稱SSL）市場規模將增長至13.08億美元，年複合增長率高達17.4%。因此，LED通用照明成為熱點市場。
由於LED照明系統較為複雜，涉及光學、電和熱等不同範疇，雖然人人都知道LED節能環保壽命長，但在面臨大規模應用時，卻無法回避電源壽命不匹配、可靠性不足等問題，使LED的優勢發揮不出來，最終不得不推遲上市時間。在“油（LED）未盡，燈（驅動器）已熄”的尷尬局面下。
目前，愈來愈多的業內人士認識到，LED大規模應用的真正瓶頸在於照明驅動電源，其焦點則在於驅動電源中使用的電解電容器，因為它制約著整個LED燈具產品的可靠性。
.jpg)
圖1,LED照明系統涉及光學，電和熱等不同範疇
LED照明對驅動電源的要求
LED燈具是一個全新的照明體系，市場對LED照明電源的需求因應用而異，消費類燈泡的設計要求與路燈或工業熒光替代燈存在很大的不同。因此，LED驅動需要和LED及其模組協調系統工作，因為LED驅動不是一個簡單的電源問題，不僅要滿足LED PN結負載要求，也要系統考慮LED模組光、電結構設計。
LED照明電源發展的趨勢應該是高效率、高可靠性，以及對調光與非調光廣泛的應用兼容性。所有客戶都需要可靠、高效節能的LED驅動產品。當然，還有其他一些要求存在，比如功率因數校正（PFC），無閃爍可控矽調光，在不同輸入電壓、溫度及燈泡間都具有高精度流驅動輸出，以及一致的導通和關斷性能。
目前，LED照明驅動電源的主要難題集中在可靠性、能效、成本和標準化等方面，這主要表現在：
第一，要具有高的可靠性，包括與LED光源相匹配的長壽命，寬的工作溫度適應性（-40度至65度，甚至-55度至85度），以及寬的電網適應及自我保護性能等。
.jpg)
圖2,功率因數校正(PFC）的效果對比
第二，要高效節能。2009年12月3日，美國能源局（DOE）為一體化LED燈項目發佈了“能源之星”規格的最終版，規定在美國應用的LED驅動器的功率因數必須優於0.7，而工業應用則預計要優於0.9。目前，我國和歐盟的一級能效標準為91%。
第三，成本能夠讓大家所接受。產品的使用壽命是至關重要的，採用高質量的元器件和生產質量控制很關鍵，在保證高性能和可靠性的前提下必須盡可能地降低成本。近來有大量小型公司紛紛進軍LED照明業務，市場價格因競爭而不斷下滑。如何在保證可靠性和品質的同時，提供最低成本的LED照明解決方案，成為業者需要面對的新挑戰。其中，中國LED驅動電源製造商們可能面對的主要挑戰是找到低成本的AC/DC驅動器，從而滿足在低成本電源系統中實現更嚴格的功率因子和效率表現。
.jpg)
圖3.大多數調光器都採用可控矽調光器
第四，在目前LED產品無全面標準情況下，LED必須滿足電氣強制標準，特別是EMC的GB17743對應IEC6100，電流諧波THD的GB17625.1-2003對應IEC61000-3-2:2001，這要求電源要有良好的EMC、PFC/THD。為了在美國和歐洲市場銷售LED驅動器，中國原始設備製造商們必須製造出設計精良的高可靠性產品，並且完全滿足UL和“能源之星計劃”的要求。
第五，工作頻率必須大於150Hz，因為“能源之星”要求LED的工作頻率必須大於150Hz，以消除出現可見閃爍的可能性。這就意味著給LED供電的輸出電流中不能帶有任何大量的頻率是線性頻率（50Hz或60Hz）兩倍的紋波。
值得注意的是，LED照明市場用於室內照明的燈泡型漸漸過渡到直管型，用於室外的街燈也有增加。隨著LED向高亮度化改善，LED驅動電路也逐漸開始向高輸出化發展。
LED照明電源的選擇
目前，LED取代型燈泡及其他新型LED照明的發展十分迅速，主體市場則趨向離線型LED照明電源。在安規要求方面，隔離驅動市場前景看漲，絕緣變壓器與防護燈罩外殼設計將長期並存。
（1）離線型是主流
離線型LED電源市場主要分為高功率和低功率兩個部分，大概以50W為分界線，不包括手持設備等低壓應用。
其中，基於集成型LED的燈泡替代產品大多採用簡單的、非絕緣型降壓穩壓器LED驅動電路。這些產品都是採用了最少的元器件數量和最低的成本，但又必須同時提供足夠的流明/瓦數，以及高於0.7的功率因數，並具有標準的雙向可控矽調光器調光的能力。目前，市場上不能滿足這些性能要求的產品正逐漸被取代，而美國能源部“能源之星計劃（Energy Star Program）”的要求也是促成這一變化的原因之一。
.jpg)
圖4.隔離驅動電源將成為主流
高功率LED驅動器通常需要絕緣隔離，以達到UL標準。這往往需要其功率因數大於0.9，並具備調光能力，而這種調光能力可能是通過基礎調光器之外的其他方法實現的。另外還需要產生至少與熒光燈相等的流明/瓦，並具有更長的使用壽命。
離線型LED照明電源的發展將改變LED的銷售角度，從銷售大批量DC/DC電源的低電流、高亮度LED（用於手機、標識及筆記本電腦），到銷售AC/DC電源的更高電流LED（一般是照明應用）。這將提升整個普通照明AC/DC LED驅動器市場，並增加對更低BOM成本的電源組件的需求。
（2）非隔離和隔離方案的比較
目前在一般的LED照明市場上，存在非隔離設計和隔離型驅動電源之分。但是隨著人們對安規的重視越來越強，隔離驅動市場前景看漲。
非隔離設計僅限於雙絕緣產品，例如燈泡的替代產品，其中LED和整個產品都集成並密封在非導電塑料中，因此，最終用戶並沒有任何觸電的危險。二級產品都是隔離型的，價格相對比較昂貴，但在用戶可以接觸到LED和輸出接線的地方（通常在LED照明和路燈照明應用的情況下），這種產品必不可少。
帶隔離變壓器或者電氣隔離的LED驅動電源意味著LED可以直接用手接觸而不會觸電。而無隔離變壓器的LED驅動電源雖仍可以借助防護外殼實現部分機械絕緣，但此時的LED在工作時並不能直接接觸。
.jpg)
圖5.在大多數LED方案中，最刺眼的就是去耦電容器
究竟選擇隔離型和非隔離型的照明驅動電源，主要在於安全和尺寸大小的關係，要看市場需要，因為隔離式電源通常要比同等功率水平的非隔離式電源大一些，照明燈設計師必須在他們所設計的每款產品中進行大量的成本及設計優化工作。
首先，隔離型將成為市場的主流，如果採用隔離驅動，在電源初級側有問題時次級側的光源不會受到傷害，也就是說光源不會被破壞。
其次，也有部分業者認為，兩級架構適用於必須使用第二個流驅動電路才能使PFC驅動LED流的舊式驅動器，但是這些設計已經過時，不再具有成本效益，因此在大多數情況下都最好採用單級設計。
另外，物理設計決定著驅動器是隔離式還是非隔離式。安全規則通常要求使用兩個獨立的隔離層。設計師可以選擇兩種物理隔離層，即塑料散光罩和玻璃護罩，並使用非隔離式電源。如果物理隔離成本太高、存在機械困難或者吸收太多光，就必須在電源中解決電氣隔離問題。
（3）絕緣變壓器與防護燈罩外殼的比較
對於製造商來說，越簡單的方案越具有競爭優勢，所以單級框架一直是業界追求的方向。由於適用于不同的應用，採用隔離的絕緣變壓器還是採用隔離的防護燈罩外殼，通常需要從多方面去分析，例如成本與製造工藝、效率和體積、絕緣可靠性和安全規範的要求等。業界認為，這兩種架構將來都會得到普及，採用了這兩種類型的設計都將會繼續使用，因為每個設計分別滿足了不同的市場需求。
.jpg)
圖6.Power Interations的5W離線式LED燈參考設計應用
帶變壓器的驅動成本較高，但也相應讓LED燈具變得更加實用，避免了終端用戶偶然接觸LED的危險。當白熾燈玻璃外殼很容易被損壞時，一個E27型號的普通燈 泡可被替換成為LED燈。此外，在工業區或者是辦公設備應用中的燈具並不需要接觸到終端用戶，如路燈和商場照明，這時的LED燈也確實需要隔離變壓器。
作為一個讓最終用戶能安全使用的產品，一定會考慮絕緣與隔離的可靠性。作為完整的產品，產品表面使用者能接觸到的部分一定要經過隔離，不能讓人觸電。而從產品整個系統而言，隔離是不可避免的，區別只是設置隔離的位置不同。有些設計者採用隔離的變壓器設計，因此他們可以簡化散熱和燈罩的設計。如果用非隔離的驅動設計，在燈殼等結構上就必須考慮可靠的絕緣要求。因此作為電源驅動，隔離與非隔離的方案一直都同時存在。
（4）去耦電容器的取與捨
雖然LED是個節能環保產品，目前商用80-120lm/w光效已是所有照明產品中最高水平，但仍有60%左右的電能不能轉換為光能而轉換為熱能。這些LED燈具工作時是一個加熱體，使燈具局部形成50-70度甚至85度的高溫區，會很快將電解電容的電解液烤蒸發，1000到3000小時時就很快失效。
因此，在大多數LED應用中，對LED燈的使用壽命影響最大的就是去耦電容器。高溫、高可靠性的電容器雖然可以滿足LED燈的壽命要求，但是卻顯著增加了BOM成本，因此權衡電容容量的大小是增加電燈壽命及控制BOM成本的一個重要趨勢。
（a）無電解電容的LED照明方案受青睞
由於隨著時間的推移，一些帶有電解電容的驅動電源會相繼失效，無電解電容的驅動方案是一個必然的發展趨勢。實際上，傳統日光燈、節能燈驅動中電解電容也存在同樣問題，只是電源壽命與燈管壽命相當而沒使矛盾特別突出。無論可靠性還是成本，抑或是可實現性考量，無電解電容將是LED照明驅動電源的必然選擇。
.png)
圖7.創意點子提供的高能效LED路燈照明電源方案
（b）針對電解電容的權宜之計
針對無電解電容方案，業界有很多不同的聲音，因為目前技術方面需要克服的問題很多。
（1）需要全面地評估產品的可靠性：對於LED電源，業界擔心最多的就是某些元件的自然老化，例如電解電容，因為它的工作溫度很高。其次是驅動電源對於電網波動的適應性及可靠性，例如雷擊，因為很多半導體元件會因為Over Stress而失效。電解電容會存在電解液乾涸的可靠性問題，但是如果簡單地去除電解電容就會降低電源對電網波動的抗干擾能力，也會帶來因雷擊失效的風險，因此需要全面地評估產品的可靠性。
.jpg)
圖8.iw3610典型應用電路圖
（2）電解電容器技術也在進步：隨著電源需求的增加，如果不採用電解電容，LED驅動器的設計會變得非常昂貴，何況電解電容器技術也在發展和進步。
事實上，如果電解電容質量很好，可以達到105攝氏度的工作溫度和10000小時額定工作時間，就沒有必要將電解電容從LED驅動設計中去除。如果在低溫條件下，這些元件的使用壽命可以遠遠超過10000小時，例如在85度下，一個額定壽命為10000小時的元件可以運行40000小時。
（3）高品質光源燈具上的電解電容難以去除：在低功率水平上，通過用陶瓷電容取代電解電容可以解決這一問題，而在高品質光源燈具上，電解電容是難以去除的。目前，由無電解電容帶來的高紋波電流而導致的低頻閃爍開始越來越被人注意。資料顯示，低於165Hz的頻閃即便是人眼不易覺察，但這已經對某些人眼造成生理上的不適，幅度大的低頻紋波也會導致一些數碼相機設備出現差頻閃爍的亮暗柵格。雖然市場很渴望能有既能解決電容壽命又能保持穩定性及可靠性的新方案，但現階段在高品質光源燈具上是難以去除電解電容的。
.png)
LED照明驅動電源方案供應商
隨著高亮度LED效率的不斷改善，以及各種高效率、高可靠性流LED驅動電源的不斷湧現，LED照明產業已經啟動。在中國，LED驅動電源製造商面臨的主要挑戰是遵守政府和行業能源標準，如效率、功率因子和與TRIAC調光器的兼容。以下介紹一些領先業者的創新LED照明驅動方案。
（1）Power Integrations
Power Integrations提供了一系列針對LED照明應用的高度集成高壓IC，在這些應用中設計師要求寬電壓輸入（85VAC至265VAC）的離線式電源。
對於不需要調光的應用，使用LinkSwitch-PH就可以省去電解電容。其單級PFC/流設計可以讓設計師省去大容量電容，這在傳統設計中通常需要在PFC級和流級之間使用。對電容剩下的唯一要求是，在輸出中通過AC波形的低點（此時，電壓接近於零）對LED供電。這可以用足夠容量的陶瓷電容、鉭電容來替代電解電容，從而消除100Hz或120Hz的閃爍。對於不太關注調光的高溫、高可靠性工業應用來說，可以不採用電解電容進行設計。
.jpg)
圖9.IRS2548D可調光的多段式LED驅動器
Power Integrations的5W離線式LED驅動器參考設計（RDK-251）具備無閃爍可控矽調光和單級功率因數校正（PFC）。該參考設計基於LNK457DG，可在15V額定LED燈串電壓下提供350mA單路流輸出。使用標準的AC市電可控矽調光器可將輸出電流降低至1%（3mA），這不會造成LED陣列性能不穩或發生閃爍。該電源可同時兼容低成本的新形調光器和更複雜的笨重調光器，其AC耐壓範圍為0VAC至300VAC，能增強現場應用的可靠性，延長在線電壓驟降和驟升條件下的使用壽命。
（2）西安明泰半導體
西安明泰半導體科技有限公司為專業的功率器件（Power Device）和功率管理（Power Management）IC集成製造商，其芯片級LED驅動電源解決方案從1W、5W到10W、20W以及80W以上至300W大功率、帶主動PFC和EMC方案的全系LED照明驅動電源產品，效率達95%，PFC達0.98，電流THD總量小於15%。
西安明泰20W和120W無電解電容的LED照明驅動電源採用自己開發的LED驅動器、MOSFET和肖特基二極管實現，效率高達95%，其中120W LED照明驅動電源還配有完備的短路、開路保護功能，並通過EMC認證測試。
（3）創意電子有限公司
創意電子的無電解電容的驅動方案採用富士電機公司（Fuji Electric）的FA5501功率因素校正IC，外圍元件少，具有價格低、高功率、低損耗、低噪音、低輸入電壓保護、反饋開路保護等特點，且節約空間。該方案輸入電壓為85-264Vac，輸出電壓24V，輸出電流為2500mA，功率因素高達0.95，效率為0.88。
（4）iWatt公司
iWatt將傳統的兩級控制（PFC+PWM）整合在一個SO8的封裝內，推出了iW3610和iW3612系列IC，這些方案既能提供流控制，也能兼容切相式調光器（phase cut dimming），還能改善功率因素，這種設計符合LED市場的主流要求。
其中，iW3610是用於可調光LED驅動器的AC/DC數字電源控制器，輸入電壓100Vac/230Vac，頻率從47Hz到64Hz，調光範圍從2-100%，LED電流調整幅度±5%，起動電流10uA，輸出功率高達45W，具有多種LED保護特性。該方案具有快速起動，LED沒有可見的閃爍等特點。
（5）國際整流器公司
國際整流器公司（International Rectifier）為用戶提供最廣泛的照明鎮流器控制集成電路產品選擇，幫助用戶實現向高性價比、更加可靠以及更高效的電子鎮流器的轉型。產品系列中最新的成員包括單芯片鎮流器解決方案和自帶PFC的鎮流器控制IC，主要應用包括室內和室外標牌，以及建築、娛樂、設計和裝飾照明。
IRS2548D可調光的多段式LED驅動器外圍電路簡單，只需加入簡單的電荷泵，在低調光水平下，只要支持可控矽調光器的維持電流就能夠進行可控矽調光。
LED照明系統具有超凡的優勢，包括相位控制可控矽調光、單級功率因數校正（PFC）及精確流（CC）輸出、能耗低、體積小、元件數量少、使用壽命長、快速啟動時間、維護少、抗振防震、能夠生成純淨的彩色光、集成度高等。只要不斷改進驅動電源，選擇適當的驅動電路，就可以將固態照明的優勢發揮出來。
|
