摘 要：本文根據大功率L E D的工作特性，對市場上常見的大功率L E D驅動電源進行了分析，并提出了大功率白色LED在路燈照明應用中，其驅動電源需要滿足的多個設計要素。
關鍵詞：大功率LED 恒電壓控制 恒電流控制 路燈照明LED（Lighty Emitting Diode），又稱發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體發光器件。
近幾年，LED技術取得了突飛猛進的發展，在發光亮度和效率方面具有明顯的提高，尤其是大功率LED,更被寄以厚望，并逐步取代以往的光源，成為照明領域的新一代綠色光源。它具有光效高、低功耗、壽命長、穩定性高、光色純、安全性好、可控性強等優點。
然而大功率LED所需的驅動電源為直流的低電壓，所以傳統上用以驅動燈泡（鎢絲）、日光燈、節能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅動大功率LED;而普通的降壓、穩壓電源必須重新改良后，才能適用于驅動大功率LED.
本文根據大功率LED的工作特性，對市場上常見的驅動電源進行分析；提出了在路燈照明領域的應用中，為了能更好的發揮大功率LED的優點，驅動電源必須滿足恒流輸出、散熱、效率、功率因素、過壓過流過溫保護等多個設計要素。
一、大功率LED的工作特性下圖為正向導通壓降（VF）和正向電流的（IF）非線性關系曲線圖。由曲線可知，當正向電壓超過某個閾值，即通常所說的導通電壓之后，可近似認為，IF隨著VF的上升而急劇上升；由圖可知，大功率LED是低電壓、大電流的發光器件，當前大功率LED的最高IF可達1A,而VF一般為2~4V.
由于大功率LED的光特性通常都描述為電流（IF）的函數，而不是電壓（VF）的函數。加上LED生產工藝和溫度的不同，大功率LED的正向壓降（VF）變化范圍會出現比較大的波動（最大可達1V以上），而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的IF變化；其LED發光的強度由流過LED的電流決定，電流過強會引起LED的衰減，電流過弱會影響LED的發光強度。所以，采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性和壽命。因此，大功率的LED通常采用恒流源驅動，以保證大功率LED使用的安全性，同時達到理想的發光強度。
下圖是LED的光通量（φv/lm）和溫度（℃）與關系曲線，由下圖可知光通量與溫度成反比，溫度的變化對LED的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。
二、恒電壓源模式2.1、工頻變壓器線性穩壓源2.1.1、電路構成與工作原理如圖（三）所示，這類電源的共同特點是由工頻變壓器，整流濾波電路、恒壓電路組成；該類型電路工頻變壓器原、副線圈完全隔離，通過調整原副線圈的變比，就可以在副邊得到需要的交流電壓，該工頻變壓器起到了隔離、降壓的作用。通過后繼的整流和穩壓電路，就可以得到預期的直流電壓。
2.1.2、優點：電路簡單、成本很低2.1.3、缺點：損耗大，效率低，體積大，溫升高，亮度不穩定該類電路的工頻變壓器起到降壓的同時，自身的損耗也會隨負載的增大而明顯增加，導致嚴重的溫升現象；同時能量轉換的效率也會變低；另外由于該變壓器的物理結構，限制了該電源體積的變小化。
該類電路在驅動大功率白光LED時，必須串聯了一RES來限制和穩定流經大功率白光LED的電流，否則一旦工作電流過大，超過了大功率白光LED的最大工作電流，則會導致大功率白光LED的永久性損壞，然而增加限流電阻的方法，不但增加了能量的過多損耗，而且不能解決工頻電壓的波動而導致的發光亮度不穩定的問題；該類電路的工頻變壓器的線圈變比決定了大功率白光LED的串聯數量，一旦選定了工頻率變壓器，則就難以增加大功率白光LED的串聯數量。為了滿足不同的發光亮度需求，只能以并聯的方式來增加大功率白光LED的數量，但是因為大功率白光LED的屬性（導通電壓、溫度）不同，很難實現流經每個并聯LED分支有相同的電流，從而會出現各并聯的分支LED的發光亮度不一致的現象。
該類電路的電能轉換效率低，不能實現節能的目的；工頻電壓的波動和電路的溫升導致的大功率白光LED的發光亮度不穩定，使得該電路不適用于路燈照明領域。
2.2、高頻變壓器開關穩壓源2.2.1、電路構成與工作原理如圖（四）所示，這類電源的共同特點是具有高頻變壓器，直流電壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副線圈是隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。
2.2.2、優點：功耗小，效率高，體積小，重量輕，穩壓范圍寬2.2.3、缺點：控制電路比較復雜，對元器件要求高，亮度不穩定該類電路使用了大功率開關晶體管、快速恢復二極管以及高頻變壓器，開關轉換速度很快，這使得大功率開關晶體管的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高；由于沒有采用笨重的工頻變壓器，大功率開關晶體管的功耗又很小，省去了較大的散熱片，所以電源的體積小，重量輕；關鍵在于該類電路的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節的，工頻輸入信號電壓的變化可以通過脈沖調制來進行補償，在出現電網電壓變化較大時，仍能保證有較穩定的輸出電壓。
該類電路在驅動大功率白光LED的原理上和工頻變壓器線性穩壓源一樣，采用的是恒壓限流的方法，沒有符合大功率白光LED的非線性V-I曲線特性，所以在性能方面，仍存在串并連發光亮度不穩定和發光亮度不一致的問題；該類電路較之工頻變壓器線性穩壓源，在效率、體積、穩壓范圍方面有顯著的改善，所以在其他一些照明場合使用比較多，但該類電路仍不適合于路燈照明領域。
三、恒電流源模式3.1、電路構成與工作原理如圖（五）所示，這類電源的與高頻變壓器開關穩壓源具有共同特點：都具有高頻變壓器，直流電壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副線圈是隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。
但該類電路關注的是恒電流輸出，而不在是高頻變壓器開關穩壓源所關注的恒電壓輸出。
3.2、優點：功耗小，效率高，體積小，重量輕，恒電流輸出，LED亮度穩定3.3、缺點：控制電路比較復雜，對元器件要求高，LED并聯亮度不一致該類電路在驅動大功率白光LED的原理上，采用了恒電流控制的方法， 具有自動限流作用，比之采用電阻的恒壓限流驅動的方法，更易于實現限流和過流保護；同時沒有額外的限流電阻，減小了電路損耗，提高了能量轉換效率。
該類電路驅動方法符合大功率白光LED的非線性V-I曲線特性，避免了電壓輕微波動而造成的電流變動，從根本上解決了大功率LED串聯亮度不穩定的問題，保證了大功率LED的發光亮度恒定。
在大功率白光LED的串聯數量方面，流經的大功率LED的電流不再受大功率白光LED串聯數量的限制；為了滿足不同的發光亮度需求，通過靈活的驅動多個大功率白光LED就可以實現。
對于大功率白光LED的并聯使用，該類電路仍無法保證并聯分支LED的發光亮度一致性。但可以使用多個恒電流電源，分別驅動不同的并聯分支LED,同時保證并聯分支LED屬性一致性，從而可以解決發光亮度一致性的問題；相對比較下，恒電流輸出模式比恒電壓模式更為適合在照明領域中使用，該類電路無論在能量轉換效率、發光亮度穩定性方面都更勝一籌。
四、可靠性設計要在照明領域中大量使用大功率白光LED,保證大功率白光LED驅動電源的安全可靠工作，才能保證大功率白光LED的長壽命和發光亮度穩定。
4.1、過壓過流保護在實際使用中，會出現負載短路或者空載的情況，會造成整個驅動電源的破壞，所以在驅動電源設計的時候，需要增加過壓與過流保護。
4.2、隔離保護LED是低電壓的產品，當驅動電源的開關損壞時，也不能有危及負載的高電壓出現。所以要求電路的負載電路做到隔離保護。
4.3、浪涌保護在實際應用中，電網很是不穩定，尤其是雷雨季節，會有浪涌電壓存在，所以在驅動電源設計時，要考慮在整個產品的防雷，盡量避免在異常時造成永久性的破壞。
4.4、散熱設計在大功率LED應用中，LED能承受的電流與溫度有一定的關系，所以在驅動電源設計時，需要考慮大功率白光LED的散熱問題和驅動電源本身的散熱問題。
4.5、諧波小開關穩壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重地影響整機的正常工作。此外由于開關穩壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重的干擾。
隨著節能理念的深入人心，大功率LED的發展日趨成熟，“功率因素”的指標也被LED電源驅動行業提上議題，所以驅動電壓的設計一定要考慮該參數。
我們相信，隨著大功率白光LED的發展，成本也會降低，其驅動電源的設計也將隨之推動得到發展，大功率LED應用在路燈領域中，將很快成為現實。
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