LED照明電源電路拓補結構的演進過程

摘要：本文歷數了LED照明電源技術的發展過程，介紹了LED驅動技術三個發展階段的主流電路結構，以及這些電路的特點、固有缺陷和被淘汰的原因。然后展示了現在的電路設計者們為了改進LED驅動電源性能而提出的新電路方案，并提出了一種性價比更高的LED驅動電源拓補，說明了該結構的優勢和實現的可能性。最后，總結LED驅動電源技術的發展趨勢，得出了高品質的兩級PFC技術將是未來市場主流的結論。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/271638.htm

關鍵詞：LED照明；PFC；輸出電流紋波；頻閃；Buck

DOI：1 0.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.003

引言

2007年以后，由于白光LED的光效提高到了1301m/W， LED照明大規模商用成為可能，照明專用的LED驅動電源正式成為電源領域的新成員。

早期的LED電源并沒有今天這樣種類繁多、用途各異的驅動IC，最早的LED電源工程師們借用DC-DC的控制IC，以改變反饋采樣點（電壓采樣變為電流采樣）的方式將恒壓輸出改為恒流輸出，制作出了最初的LED照明電源。由于LED驅動和傳統DC-DC驅動性能要求（耐壓、電流能力）的差異性，這些IC在許多性能上都是保守設計，而一些保護功能對LED卻并不合適，因而形成了電路資源的浪費，性價比較低。

1 LED專用IC的出現

在這之后，一些IC設計公司發現了其中的商機，設計出了第一批LED專用的控制IC，其中最有名的就是HV99XX系列的LED開關電源IC。這些IC方案擁有更少的外圍器件，更靈活，更易設計而且具有LED電源需要的各種保護電路（包括輸出開、短路保護，過溫保護和過流保護等），對LED照明具有很強的針對性和適用性。LED專用控制IC產品一經問世，就淘汰了絕大多數DC-DC控制IC。這些方案是現代LED驅動IC的藍本，考慮到成本和性能，后來的設計者們在此基礎上做了許多改進設計和折中設計。作為最早期的LED照明控制IC，這些方案活躍了3～5年，甚至現在，仍有一些LED電源采用這些IC方案。2低成本.低性能的惡性競爭階段

隨后幾年，LED照明電源市場出現了低價、低性能的惡性競爭的局面。其中阻容降壓方案（如圖l-a）和恒流二極管方案（如圖l-b），由于其極低的成本，被大部分廠商（包括一些上市公司）所采用。這兩種方案均不含控制IC，而是由少量的分立器件構成，在電路原理上就存在可靠性風險，因此引發了業內巨大的爭議和市場混亂。阻容降壓方案在電解電容老化后存在母線電壓過高的風險，長時間使用易燒燈。恒流二極管方案最大的風險是抗浪涌電壓能力差，開關機的浪涌電壓很容易擊穿耐壓小于500v的恒流二極管，而導致電源或LED燈燒毀。由于頻繁出現炸機，并因此引發了多次重大的返修事件，加之其它開關電源方案成本的下降，這兩種方案逐漸被棄用，LED照明電源由此才慢慢步入正軌。

3 LED driver IC的迅速發展

隨著越來越多的人開始接觸、熟悉LED照明以及LED產業鏈的成熟和行業規模擴大，LED照明產品的種類越來越多，應用場合也由室內照明擴展到了路燈照明、工礦燈照明以及景觀照明等各種場合。這些應用的多樣性，也帶來了LED驅動電路的多樣性。到現在，LED驅動IC的拓補種類基本覆蓋了buck、buck-boost、flyback等中、小功率拓補；并衍生出了單級PFC、浮地等LED照明專用的電路處理技術：驅動方式包括了柵極驅動、源極驅動：工作模式也覆蓋了DCM、CCM和BCM三種模式；功能上也越來越多樣化，除了增加了基本的過溫保護、輸出開短路保護和過流保護等LED專有的保護功能外，還增加了Triac調光、模擬調光、PWM波調光和分段調光等多種調光功能。這使得LED照明的應用更加豐富。

值得一提的是，對于LED照明是否要支持Triac調光曾引發了很大爭論，就當前的市場需求（特別是歐美市場）而言，Triac調光無疑是LED驅動電源必須支持的功能；而從技術實現復雜度（有人認為LED負載與Triac的特性是矛盾的）和調光技術發展的方向而言，Triac調光終將被淘汰。因此，并不是所有LED控制IC都支持該功能，這也是當前LED控制IC多樣性的原因之一。

上述所有的LED驅動電路技術，每一個都需要一篇完整的論文才能論述清楚，本文后半部分主要論述PFC技術的要點、現階段存在的問題和未來的發展方向。

4 PFC技術介紹

PFC技術，作為LED照明的關鍵技術，其演進過程能夠充分反映LED照明電源技術發展的特點。作為一種交流取電的電源，PFC功能是中、大功率LED驅動電源的必然要求：最早的PFC電路是無源的填谷式PFC（圖2-a為填谷式PFC電路：圖2-b為填谷式FPC電路的母線波形），其功率因數可提高至0.85。該電路的缺陷是犧牲輸入諧波參數換得PF值。其后出現了單級buck flyback PFC技術，該技術較填谷式電路有了很大改善，也是一種主動的PFC處理技術（APFC），其主要缺陷是輸出電流紋波大，有100Hz的工頻頻閃。在借鑒了傳統AC-DC電源的boost PFC+第二級電路的基礎上，部分高品質LED電源采用了兩級PFC技術，即第一級采用專用的boost PFC控制IC（與傳統AC-DC完全相同），第二級采用buckflyback恒流電路。這種技術具有優異的電路性能，唯一的缺陷是成本壓力較大，較單級PFC電路增加了一個變壓器和一顆功率MOS。

LED照明現在最普遍的方案是單級PFC，這種拓補結構能提供高的PF值，并且電路簡單，方便設計。但是，研究發現100Hz的工頻頻閃對人的視力特別是兒童的視力，有很大損害，單級PFC的100Hz輸出電流紋波成為該結構的最大缺陷。

為了解決該問題，集成電路工程師和電源工程師們想到了一種“紋波約束電路”（圖3-a為紋波約束電路原理圖：圖3-b為增加紋波約束電路后的LED電流波形，紋波由50%以上減小至4%），該電路在2014年初開始正式進入量產，目前該電路有兩個主要缺陷：一是降低了系統效率（約1%～8%）；一是提高了系統成本，增加了一個控制IC和一顆功率MOS且紋波很難降到3%以下。5新的系統拓補

筆者在研究以上PFC電路結構的基礎上，結合自己的分析，提出了一種PFC+線性恒流級的拓補結構（如圖4）。該結構的輸出電流紋波可降到1%以內。目前的問題是專用PFC控制IC -般為boost拓補，想要適合LED driver（第二級采用簡單的線性恒流IC）必須采用buck拓補作為PFC控制級，以獲得更低的輸出電壓。該新結構的缺陷是輸入電流諧波無法做到boost PFC的水平，僅與單級PFC相當。由于成本和性能上的優勢，該結構在未來可能有發展空間。

6 總結

由于篇幅有限，部分拓補結構和電路的說明未能展開。另外，本文未就國內、國外市場分開敘述LED驅動電源技術的發展，請見諒。在國際化程度越來越深的現在，不同市場的技術方向，區別并不明顯。

筆者認為，隨著LED照明電源的品質要求越來越高，LED照明電源的拓補還將重新回到兩級PFC（第一級boost PFC，第二級flybackbuck恒流）的結構，不過隨著產業規模的擴大和成熟，兩級PFC（第一級boostPFC，第二級flyback buck恒流）的成本將會被接受。

出于安全性和可靠性的考慮，驅動電路的許多細節設計都要考慮非理想因素和極限情況。電源工程師和集成電路工程師們需要根據不用的應用背景選擇合適的拓補結構和具體實現電路。在這基礎上，越來越多的功能需求被提出和實現。其中最典型的例子就是調光和智能控制功能的設計， 電路上最大的風險是干擾和閃爍，看似簡單的調光功能，背后凝聚了工程師們的智慧和辛苦。也正是在一批又一批工程師的努力下，LED驅動電源電路一步步發展、成熟。

可以展望，未來的室內照明將會有功能越來越強、越來越智能的LED電源方案出現，未來高品質的LED照明產品值得期待。