LED燈的基本組成以及驅(qū)動特點解析

凱恩斯主義著名的“消費不足危機(jī)論”大大促進(jìn)了全球范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，然而也造成了資源消耗的呈級數(shù)增長，持續(xù)性發(fā)展?jié)u漸難以為繼，綠色環(huán)保理念開始深入人心。LED固態(tài)光源照明、太陽能發(fā)電等技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成為各國爭相發(fā)展的“弄潮兒”。1962年，紅光的半導(dǎo)體化合物GaAsP器件在美國GE、Monsanto、IBM的聯(lián)合實驗室研發(fā)成功，標(biāo)志著LED技術(shù)的誕生。從小小的發(fā)光體開始，LED照明經(jīng)過六十年的發(fā)展，逐漸進(jìn)化為將要一統(tǒng)“照明”領(lǐng)域天下的“霸主”，然而，“陽光普照”的LED照明世界仍然存在著“一朵”小小的烏云LED驅(qū)動。

要想了解LED驅(qū)動，首先要看看LED燈的組成，典型的LED射燈由LED光源、鋁基板、LED驅(qū)動/電源、透鏡、散熱器/熱沉、燈頭等組成，如圖1所示[1]。LED光源當(dāng)然是整個燈具的中心，然而LED驅(qū)動也發(fā)揮著非同小可的作用。如果把LED燈看做機(jī)體，驅(qū)動可以比為它的“心臟”，提供必需的“血液”和“營養(yǎng)”。

一、前世篇直流開關(guān)電源的分類

LED驅(qū)動或LED電源本身是開關(guān)電源的一種應(yīng)用類型，開關(guān)電源可稱之為LED驅(qū)動的“前世”。開關(guān)電源的一般定義為：利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源與另一類電源線性電源相比，具有小型、輕量和高效率的特點?，F(xiàn)代開關(guān)電源有兩種：一種是直流開關(guān)電源;另一種是交流開關(guān)電源。直流開關(guān)電源將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源(粗電)，如市電電源或蓄電池電源，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓(精電)。直流開關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。

直流DC/DC轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類：一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器;另一類是沒有隔離的稱為非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個數(shù)來分類。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管正激式(DoubleTransistor Forward Converter)、雙管反激式(Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter)和半橋式(Half-Bridge Converter)四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-Bridge Converter)。

非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，按有源功率器件的個數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類。單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有六種，即降壓式(Buck)DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓式(Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式(Buck Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPIC DC/DC轉(zhuǎn)換器。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管串接的升壓降壓式(Buck-Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-Bridge Converter)。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器在實現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離時，通常采用變壓器來實現(xiàn)，由于變壓器具有變壓的功能，所以有利于擴(kuò)大轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)用范圍，也便于實現(xiàn)不同電壓的多路輸出，或相同電壓的多種輸出[2]。以上種種繁瑣的分類可以用表1給出。

直流開關(guān)電源的典型構(gòu)造圖如圖2所示，市電交流輸入進(jìn)入EMI濾波器進(jìn)行初級濾波，使本地電源和電網(wǎng)上千家萬戶的負(fù)載進(jìn)行一定程度的隔離，整流即將交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電，再次濾波后進(jìn)入變換電路變?yōu)榻涣?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流入高頻變壓器的初級線圈，次級線圈就產(chǎn)生了低壓交流電，再次整流和濾波后得到了適合我們需要的低壓直流電，開關(guān)電源同時采用反饋控制，不斷比較輸入和輸出，可以取得更干凈輸出的效果。別看開關(guān)電源的原理貌似非常簡單，但其對器件如開關(guān)管的開關(guān)速度、導(dǎo)通電阻等有著很高的要求。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源更加小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入愈加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域 [2]。

開關(guān)電源的發(fā)明是工業(yè)界的一件大事，直接催生了個人PC機(jī)走入千家萬戶。關(guān)于蘋果公司“喬幫主”的《喬布斯傳》中生動的寫道：“喬布斯專門去了雅達(dá)利公司咨詢他曾經(jīng)的上司奧爾康，看有什么辦法能夠令電腦在不采用風(fēng)扇的情況下供電。奧爾康向喬布斯介紹了羅德·霍爾特，一個聰明的家伙?；魻柼卦O(shè)計了Apple II的電源部分，他并沒有使用傳統(tǒng)的線性電源，而是制造了一個示波器等儀器上使用的開關(guān)電源。這種電源通斷電的次數(shù)能夠從60次提高到上千次，從而降低了Apple II電源的發(fā)熱量。喬布斯認(rèn)為，羅德應(yīng)該名垂青史，這種電源設(shè)計是革命性的發(fā)明?！盵3]開關(guān)電源的出現(xiàn)不僅使個人PC大大減小了體積，也使成千上萬種電子產(chǎn)品變得相當(dāng)“迷你”，帶動了個人消費電子產(chǎn)品的大發(fā)展，才有了今天我們方便快捷的生活。開關(guān)電源產(chǎn)品目前已“膨脹”為一個龐大的家族，“子女們”廣泛“服役”于工業(yè)自動化控制、軍工設(shè)備、LED照明、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、液晶顯示器、LED燈具、通訊設(shè)備、電腦機(jī)箱、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域。

二、LED驅(qū)動的特點及未來發(fā)展方向

LED驅(qū)動作為開關(guān)電源家族中的成員，根據(jù)其負(fù)載特性和應(yīng)用場景，有著與眾不同的特點。筆者將對其的要求總結(jié)為“八高二低”。

1.體積小(低)：LED燈頭要適應(yīng)傳統(tǒng)燈具的安裝空間，LED驅(qū)動一般安裝在燈頭里，因此體積要小;

2.可靠性高：驅(qū)動是LED燈的源頭活水，可靠性要求高是一定的;

3.成本低：LED照明普及的一大障礙是成本，在LED芯片成本還未降到人們心理預(yù)期前，LED驅(qū)動的成本要經(jīng)受層層的精打細(xì)算和“盤剝”;

4.效率高：高光效的LED燈怎么也得找個“門當(dāng)戶對”的驅(qū)動;

5.防水性好(高)：戶外的LED照明應(yīng)用如路燈要經(jīng)受雨雪的考驗;

6.振動特性好(高)：戶外的LED照明應(yīng)用如路燈要經(jīng)受大風(fēng)惡劣天氣的考驗;

7.壽命長(高)：號稱壽命達(dá)10萬小時的LED燈不能有壽命短板;

8.溫度特性好(高)：高功率密度以及冬夏環(huán)境溫度的影響不能讓驅(qū)動工作異常;

9.濕度特性好(高)：要經(jīng)受桑拿天等高濕天氣的考驗;

10.抗干擾性好(高)：雷擊、過壓過流等電網(wǎng)波動不能損傷驅(qū)動分毫。

由此看來，高品質(zhì)的LED驅(qū)動具有很高的要求，但在成本、設(shè)計周期、激烈競爭等種種壓力下，很多LED驅(qū)動“墮落”了，簡單的電容降壓取代了規(guī)范的開關(guān)電源出現(xiàn)在人頭攢動的各種LED交易市場上。被認(rèn)為是導(dǎo)致LED燈壽命無法達(dá)到預(yù)期的重要原因。實際上，LED驅(qū)動面臨的“八高二低”的要求可以通過技術(shù)和環(huán)境的途徑共同解決，去電解電容、數(shù)字監(jiān)控等技術(shù)的發(fā)展可以提高驅(qū)動的原生壽命;電網(wǎng)質(zhì)量的改善、人們對驅(qū)動成本構(gòu)成的逐漸寬容等環(huán)境的變化也能大大改善LED驅(qū)動的命運。但更重要的是看待驅(qū)動的理念。

其實，一直與LED驅(qū)動緊密綁定在一起的LED光源身上有著種種潛力，LED光源不止是照明，決定了LED驅(qū)動也不僅僅是個電源。都說“LED高科技”，高科技體現(xiàn)在哪里呢?僅僅是光效嗎?不全是。高科技體現(xiàn)在研發(fā)、生產(chǎn)、工藝等方面。還有它與傳統(tǒng)照明光源最大的不同，那就是它的出身其實是一個半導(dǎo)體芯片，這一點決定了LED光源可以像其他的半導(dǎo)體芯片，如CPU、GPU、FPGA、ARM等一樣，具有“潘多拉魔盒”的魔力，具有“芥子能納須彌”的神奇，魔力和神奇離不開驅(qū)動的提攜(當(dāng)然是帶有半導(dǎo)體智能控制芯片的驅(qū)動)，這也就是智能照明(smart lighting)概念的源頭所在。有了智能照明，我們可以實時監(jiān)控照明的能耗、照明的狀態(tài)，更加突出節(jié)能的概念。不僅僅如此，照明能夠根據(jù)環(huán)境光的強(qiáng)弱和場景自動調(diào)節(jié)。設(shè)想一下，靜靜的夜晚，路燈們自動調(diào)節(jié)為低功率輸出，有汽車和人出現(xiàn)時調(diào)高輸出功率，離開時再調(diào)回原狀;夏天時，屋內(nèi)自動調(diào)為冷色調(diào)……家庭中智能照明的一種應(yīng)用場景如圖3所示[4]，通過智能手機(jī)，我們可以控制客廳、臥室、書房等空間LED照明的亮度、色溫、分布，監(jiān)控照明的耗電狀態(tài)并帶有用戶隨意定制的功能。

所有這些不是天方夜譚。LED驅(qū)動在作為LED燈“心臟”的同時，再次勇于承擔(dān)“大腦”的責(zé)任，為燈具賦予了種種神奇的功能，未來，在智能LED驅(qū)動的協(xié)助下，LED燈可以實現(xiàn)人類夢想中的功能，成為“感知中國”物聯(lián)網(wǎng)中的重要一環(huán)。
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