LED灯的基本组成以及驱动特点解析

凯恩斯主义著名的“消费不足危机论”大大促进了全球范围内的经济发展，然而也造成了资源消耗的呈级数增长，持续性发展渐渐难以为继，绿色环保理念开始深入人心。LED固态光源照明、太阳能发电等技术和产业成为各国争相发展的“弄潮儿”。1962年，红光的半导体化合物GaAsP器件在美国GE、Monsanto、IBM的联合实验室研发成功，标志着LED技术的诞生。从小小的发光体开始，LED照明经过六十年的发展，逐渐进化为将要一统“照明”领域天下的“霸主”，然而，“阳光普照”的LED照明世界仍然存在着“一朵”小小的乌云LED驱动。

要想了解LED驱动，首先要看看LED灯的组成，典型的LED射灯由LED光源、铝基板、LED驱动/电源、透镜、散热器/热沉、灯头等组成，如图1所示[1]。LED光源当然是整个灯具的中心，然而LED驱动也发挥着非同小可的作用。如果把LED灯看做机体，驱动可以比为它的“心脏”，提供必需的“血液”和“营养”。

一、前世篇直流开关电源的分类

LED驱动或LED电源本身是开关电源的一种应用类型，开关电源可称之为LED驱动的“前世”。开关电源的一般定义为：利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源与另一类电源线性电源相比，具有小型、轻量和高效率的特点。现代开关电源有两种：一种是直流开关电源;另一种是交流开关电源。直流开关电源将电能质量较差的原生态电源(粗电)，如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压(精电)。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。

直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器;另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)两种。双管DC/DC转换器有双管正激式(DoubleTransistor Forward Converter)、双管反激式(Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter)和半桥式(Half-Bridge Converter)四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter)。

非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式(Buck)DC/DC转换器、升压式(Boost)DC/DC转换器、升压降压式(Buck Boost)DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。双管DC/DC转换器有双管串接的升压降压式(Buck-Boost)DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter)。隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出[2]。以上种种繁琐的分类可以用表1给出。

直流开关电源的典型构造图如图2所示，市电交流输入进入EMI滤波器进行初级滤波，使本地电源和电网上千家万户的负载进行一定程度的隔离，整流即将交流电转化为高压直流电，再次滤波后进入变换电路变为交流电流入高频变压器的初级线圈，次级线圈就产生了低压交流电，再次整流和滤波后得到了适合我们需要的低压直流电，开关电源同时采用反馈控制，不断比较输入和输出，可以取得更干净输出的效果。别看开关电源的原理貌似非常简单，但其对器件如开关管的开关速度、导通电阻等有着很高的要求。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源更加小型化，并使开关电源进入愈加广阔的应用领域 [2]。

开关电源的发明是工业界的一件大事，直接催生了个人PC机走入千家万户。关于苹果公司“乔帮主”的《乔布斯传》中生动的写道：“乔布斯专门去了雅达利公司咨询他曾经的上司奥尔康，看有什么办法能够令电脑在不采用风扇的情况下供电。奥尔康向乔布斯介绍了罗德·霍尔特，一个聪明的家伙。霍尔特设计了Apple II的电源部分，他并没有使用传统的线性电源，而是制造了一个示波器等仪器上使用的开关电源。这种电源通断电的次数能够从60次提高到上千次，从而降低了Apple II电源的发热量。乔布斯认为，罗德应该名垂青史，这种电源设计是革命性的发明。”[3]开关电源的出现不仅使个人PC大大减小了体积，也使成千上万种电子产品变得相当“迷你”，带动了个人消费电子产品的大发展，才有了今天我们方便快捷的生活。开关电源产品目前已“膨胀”为一个庞大的家族，“子女们”广泛“服役”于工业自动化控制、军工设备、LED照明、通讯设备、电力设备、医疗设备、液晶显示器、LED灯具、通讯设备、电脑机箱、数码产品等领域。

二、LED驱动的特点及未来发展方向

LED驱动作为开关电源家族中的成员，根据其负载特性和应用场景，有着与众不同的特点。笔者将对其的要求总结为“八高二低”。

1.体积小(低)：LED灯头要适应传统灯具的安装空间，LED驱动一般安装在灯头里，因此体积要小;

2.可靠性高：驱动是LED灯的源头活水，可靠性要求高是一定的;

3.成本低：LED照明普及的一大障碍是成本，在LED芯片成本还未降到人们心理预期前，LED驱动的成本要经受层层的精打细算和“盘剥”;

4.效率高：高光效的LED灯怎么也得找个“门当户对”的驱动;

5.防水性好(高)：户外的LED照明应用如路灯要经受雨雪的考验;

6.振动特性好(高)：户外的LED照明应用如路灯要经受大风恶劣天气的考验;

7.寿命长(高)：号称寿命达10万小时的LED灯不能有寿命短板;

8.温度特性好(高)：高功率密度以及冬夏环境温度的影响不能让驱动工作异常;

9.湿度特性好(高)：要经受桑拿天等高湿天气的考验;

10.抗干扰性好(高)：雷击、过压过流等电网波动不能损伤驱动分毫。

由此看来，高品质的LED驱动具有很高的要求，但在成本、设计周期、激烈竞争等种种压力下，很多LED驱动“堕落”了，简单的电容降压取代了规范的开关电源出现在人头攒动的各种LED交易市场上。被认为是导致LED灯寿命无法达到预期的重要原因。实际上，LED驱动面临的“八高二低”的要求可以通过技术和环境的途径共同解决，去电解电容、数字监控等技术的发展可以提高驱动的原生寿命;电网质量的改善、人们对驱动成本构成的逐渐宽容等环境的变化也能大大改善LED驱动的命运。但更重要的是看待驱动的理念。

其实，一直与LED驱动紧密绑定在一起的LED光源身上有着种种潜力，LED光源不止是照明，决定了LED驱动也不仅仅是个电源。都说“LED高科技”，高科技体现在哪里呢?仅仅是光效吗?不全是。高科技体现在研发、生产、工艺等方面。还有它与传统照明光源最大的不同，那就是它的出身其实是一个半导体芯片，这一点决定了LED光源可以像其他的半导体芯片，如CPU、GPU、FPGA、ARM等一样，具有“潘多拉魔盒”的魔力，具有“芥子能纳须弥”的神奇，魔力和神奇离不开驱动的提携(当然是带有半导体智能控制芯片的驱动)，这也就是智能照明(smart lighting)概念的源头所在。有了智能照明，我们可以实时监控照明的能耗、照明的状态，更加突出节能的概念。不仅仅如此，照明能够根据环境光的强弱和场景自动调节。设想一下，静静的夜晚，路灯们自动调节为低功率输出，有汽车和人出现时调高输出功率，离开时再调回原状;夏天时，屋内自动调为冷色调……家庭中智能照明的一种应用场景如图3所示[4]，通过智能手机，我们可以控制客厅、卧室、书房等空间LED照明的亮度、色温、分布，监控照明的耗电状态并带有用户随意定制的功能。

所有这些不是天方夜谭。LED驱动在作为LED灯“心脏”的同时，再次勇于承担“大脑”的责任，为灯具赋予了种种神奇的功能，未来，在智能LED驱动的协助下，LED灯可以实现人类梦想中的功能，成为“感知中国”物联网中的重要一环。
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