根據具體應用的不同,LED可能會采用不同的電源來供電,如交流線路、太陽能板、12 V汽車電池、直流電源或低壓交流系統,甚至是基于堿和鎳的電池或鋰離子電池等。

　　1)采用交流離線電源為LED供電

　　在采用交流離線電源為LED供電的應用中,涉及到眾多不同的應用場合,如電子鎮流器、熒光燈替代、交通信號燈、LED燈 泡、街道和停車照明、建筑物照明、障礙燈和標志等。在這些從交流主電源驅動大功率LED 的應用中,有兩種常見的電源轉換技術,即在需要電流隔離(galvanic isolation)時使用反激轉換器,或在不需要隔離時使用較為簡單的降壓拓撲結構。

　　在反激轉換器方面,根據輸出功率的不同,可以采用安森美半導體的不同反激轉換器。例如,安森美半導體的NCP1013適合于功率高達5 W(電流為350 mA、700 mA或1 A)的緊湊型設計應用,NCP1014/1028可以提供高達8 W的連續輸出功率,而NCP1351則適合于大于15 W的較大功率通用應用。

　　以NCP1014/1028為例,這是安森美半導體推出的離線式PWM開關穩壓器,具有集成的700 V高壓MOSFET,均采用350 mA/22 Vdc變壓器設計及700 mA/17 Vdc配置,輸入電壓范圍為90至265 Vac,具有輸出開路電壓鉗位、采用頻率抖動減少電磁干擾(EMI)信號以及內置熱關閉保護等特性,適合于LED鎮流器、建筑物照明、顯示器背光、標志和通道照明及作業燈等應用。NCP1014/1028的應用設計示意圖如下面的圖1所示。值得一提的是,這設計具有開路輸出保護功能,會在開路時將輸出鉗位至24 V電壓。在這設計中,電流和開路電壓能夠通過簡單地改變電阻/齊納二極管組合來調整。值得一提的是,如果針對230 Vac交流線路使用另一種可選變壓器,則NCP1014能夠提供高達19 W的功率,NCP1028能夠提供高達25 W的功率。

　　圖1：安森美半導體離線式第二代LED驅動器NCP1014/1028的應用示意圖。

　　在照明應用中,如果輸出功率要求高于25 W,LED驅動器則面臨著功率因數校正(PFC)的問題。例如,歐盟的國際電工委員會(IEC)針對照明(功率大于25 W)的要求中具有針對總諧波失真(THD)的規定。而在美國,能源部能源之星項目固態照明標準中對PFC帶有強制性要求(而無論是何種功率等級),即針對住宅應用部分要求功率因數高于0.7,而針對商業應用部分要求功率因數高于0.9。這標準屬于自愿遵守的標準,并非強制性要求,但有些應用可能需要良好的功率因數。例如,公營事業機構將推動LED的大規模應用,應用在公用設施級別的LED可望擁有較高功率因數;而且公營事業機構擁有或提供LED街燈服務時,LED是否具有較高功率因數(通常大于0.95)取決于公營事業機構的意愿,如果他們愿意,則相應的LED驅動解決方案必須滿足這方面的要求。

　　圖2：需要PFC的LED驅動應用中不同架構對比。

　　在這類可能需要采用PFC控制器的應用中,傳統的解決方案是PFC控制器+PWM控制器的兩段式方案。這種方案支持模塊化,且認證簡單,但在總體能效方面會有折衷,如假設交流-直流(AC-DC)段的能效為87%至90%,直流-直流(DC-DC)段能效為85%至90%,則總能效僅為74%至81%。隨著LED技術的持續改進,這種架構預計將轉化為更加優化、更高能效的方案。根據要求的不同,有多種可供選擇的方案,如：PFC+非隔離降壓、PFC+非隔離反激或半橋LLC、NCP1651/NCP1652單段式PFC方案。

　　另一方面,如上所述,在不需要隔離的應用中,可以采用較為簡單的降壓拓撲結構,這種結構所使用的電感比變壓器小得多,而且只需要很少的元件來實現這種解決方案。這種架構采用的是峰值電流控制(PCC)模式,工作在深度連續導電模式(CCM)。這種架構具有多種優勢,如可以消除使用大電解輸出電容、具有良好穩流的簡單控制原理,以及能夠充分利用安森美半導體的動態自供電(DSS)技術能力來直接從交流線路為驅動器供電。圖3顯示的是安森美半導體NCP1216 PWM電流模式控制器的應用設計示意圖。

　　圖3：采用峰值電流控制的NCP1216非隔離型離線式LED驅動應用。

　　它充分利用高壓工藝技術的優勢,從交流主電源直接為控制器供電,進一步簡化了電路。這設計適合120 Vac條件,若要用于230 Vac條件,則需要變更少許元件,如功率FET和電容。由于這是一種非隔離型AC-DC設計,所以存在高壓。而且這是一項浮動設計,IC和LED并非對地參考。在對器件進行供電之前,LED必須連接至電路板。

　　對于這類降壓控制方式而言,當控制的LED數量減少時,它的一項局限就會出現,因為這時占空比會變得極窄。而且開關控制器在電流被感測到之前會有200至400 ns的前沿消隱電路。在這種情況下,必須降低開關頻率來適應正常操作,并通過半波整流輸入電路將電壓保持在最低值。在這種方法中,基本架構能夠通過元件修改來輕易擴展,從而也能驅動更長的LED串。

　　2)采用寬輸入范圍的直流-直流(DC-DC)電源為LED供電

　　有一系列高亮度LED應用工作在8至40 VDC范圍的電源,這些電源包括鉛酸電池、12-36 VDC適配器、太陽能電池以及低壓的12 和24 VAC交流系統。這類的照明應用眾多,如活動式照明、景觀和道路照明、汽車和交通照明、太陽能供電照明,以及陳列柜照明等。

　　表1：寬輸入范圍的DC-DC LED應用。

　　即使目標是采用恒定電流驅動LED,首先要理解的事件就是應用的輸入和輸出電壓變化。LED的正向電壓由材料特性、結溫度范圍、驅動電流和制造容限決定。憑借這些信息,就可以選擇恰當的線性或開關電源拓撲結構,如線性、降壓、升壓或降壓-升壓等。而安森美半導體的NCP3065/3066是一種多模式LED控制器,它集成1.5 A開關,可以設置成降壓、升壓、反轉(降壓-升壓)/單端初級電感轉換器(SEPIC)等多種拓撲結構。NCP3065/3066的輸入電壓范圍為3.0至40 V,具有235 mV的低反饋電壓,工作頻率可調節,最高250 kHz。其它特性包括：能進行逐周期電流限制、不需要控制環路補償、可采用所有陶瓷輸出電容工作、具有模擬和數字PWM調光能力、發生磁滯時內部熱關閉等。

　　圖4：安森美半導體NCP3065在LED恒流降壓控制應用中的示意圖。

　　為LED提供保護

　　如前所述,LED是一種使用壽命極長的光源(可長達5萬小時)。除了需要針對具體的LED應用選擇適合的LED驅動解決方案,還需要為LED提供適當的保護,因為偶爾LED也會失效。其原因多種多樣,可能是因為LED早期失效,也可能是因為局部的組裝缺陷或是因瞬態現象導致失效。必須對這些可能的失效提供預防措施,特別是因為某些應用屬于關鍵應用(故障停機成本高),或是安全攸關的應用(如頭燈、燈塔、橋梁、飛行器、飛機跑道等),或是在地理上難于接近的應用(維護困難)等。

　　在這方面,可以采用安森美半導體的NUD4700 LED分流保護解決方案。圖5是這種分流保護解決方案的應用及原理示意圖。

　　圖5：安森美半導體NUD4700 LED開路分流保護器的應用示意圖。

　　在LED正常工作時,泄漏電流僅為近100 μA;而在遭遇瞬態或浪涌條件時,LED就會開路,這時NUD4700分流保護器所在的分流通道激活,所帶來的壓降僅為1.0 V,將帶給電路的影響盡可能地減校這器件采用節省空間的小型封裝,設計用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V),如果散熱處理恰當,也支持大于1 A電流的操作。

　　總結

　　相較于白熾燈等傳統光源,LED具有能效高、壽命長、指向性好等眾多優勢,越來越受業界青睞用于通用照明市常而LED在通用照明市場的應用涉及多方面的要求,需要從系統的角度去考慮,如光源、電源轉換、LED控制和驅動、散熱和光學等。