前言
1996年，日亞化學的中村氏發現藍光LED之后，白光LED就被視為照明光源最具發展潛力的組件，因此，有關白光LED性能的改善與商品化應用，立即成為各國研究的焦點。目前,白光LED已經分別應用于公共場所的步道燈、汽車照明、交通號志、可攜式電子產品、液晶顯示器等領域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發光效率的特性，一般認為非常適用于取代傳統照明。因此，各LED照明公司各陸續推出白光LED專用驅動電路與相關組件。鑒于此，本文就LED專用驅動電路的特性與今后的發展動向進行簡單闡述。
結合LED的工作特性，LED驅動電路的主要功能是將交流電壓轉換為恒流電源，同時按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配。通常情況下：LED驅動電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓直流、高壓直流、低壓 高頻交流(如電子變壓器的輸出)等。為保證能夠匹配不同批次LED燈的不同VF值，LED驅動電源的輸出大多數為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓 的恒定電流源。
LED 驅動電路 在滿足上述與LED燈的電壓和電流的匹配外，也要滿足安全要求，另外的基本功能應有兩個方面：
一是盡可能保持恒流特性，尤其是在其輸入電壓發生±15%的波動時，應仍然能夠保持輸出電流在±10%的范圍內不變。各種LED照明設備系統或背光源在采用LED作為其光源時，需要對其進行恒流驅動 ,主要原因是：
1、避免驅動電流超出最大額定值，影響其可靠性。
2、獲得預期的亮度要求，并保證各個LED亮度、色度的一致性。
二是驅動電路自身功耗要足夠低，這樣才能使LED整燈的系統效率保持在較高水準。無論在照明應用還是背光應用領域，產品設計者必須面對的問題就是提高驅動電路的轉換效率。提高轉換效率，不僅有利于可攜式產品延長待機時間，同時也是解決LED散熱問題的重要手段。在照明領域，提高轉換效率意味著更多的功耗轉移到LED發光上，而不是轉移到熱量上，這就解決了LED的散熱問題，從而提高了發光效率，因此提高轉換效率就顯得尤為重要。
伴隨著LED燈的發展，LED驅動電源發展至今，已經涌現出種種不同驅動方式、不同拓撲結構的LED驅動電路，其大致可分為一下幾種：
1、LED的電容降壓電路
通過利用兩只反向并聯的LED燈，在輸入交流端接上如下圖電路，在AC降壓后對交流整流，在每個交流輸入的半周期，D1/D2交替點亮，此電路在早期應用于夜光燈、按鈕指示燈等上，電路架構簡單明了，成本較低。缺點是可靠性較低，LED亮度隨輸入電壓波動而變化，影響其特性;
圖1 簡單LED電容降壓電路
2、阻容降壓式LED驅動電路
圖2 阻容降壓式LED驅動電路
如上圖所示，R1和C1組成降壓限流電路，D1-D4組成整流電路，將輸入交流轉換成直流,C2、C3對直流電進行濾波，其耐壓值為負載電壓的1.2倍以上。R2在電路中實際意義不大，只是按照一般降壓限流接入。因為在這種電路中，電容器與負載一定時，電流想大也大不起來，想小也小不下去。該電路具有恒流特性，但不恒壓。與變壓器恒壓不恒流相反。R3的作用是防止輸出端與LED燈之間發生開路現象。
整個電路開始工作時，在50HZ的市電頻率下，通過對大電容C1的充放電延遲來調整輸出電壓的，后面那個R2 是限流電阻，只要是這個電路輸出是恒壓的，而LED 需要恒流，就用個電阻做限流，這種電路很不可靠，輸出紋波較大，對負載有損傷。
3、可控硅的阻容降壓LED驅動電路
可控硅SCR和R2組成保護電路，當流過LED兩端的電流大于額定的設定值時，可控硅SCR導通一定角度，從而分流輸出端的電流，使LED工作于恒流狀態，從而避免LED兩端電流加大而導致瞬間高壓從而損壞。
圖3 可控硅的電容降壓LED驅動電路
4、非隔離LED驅動電路
在非隔離LED驅動電路中，非隔離開關變換器在工作期間交流輸入端和輸出負載共用一個共同的電流通路。
圖4 降壓式拓撲原理圖
當開關接通時，電流流過LED線圈并發光。為了控制電流值，一個傳感器電阻與地串聯。通過檢測該電阻上的電壓，當其達到過流保護(OCP)值時，開關會斷開。線圈中存儲的能量則通過續流二極管和LED釋放。
這種拓撲有兩大優點：
1、首先是效率非常高，特別是低功率應用時(小于10W)。使用這種拓撲的LED普通照明燈通常宣稱其效率高于90%。
2、第二個優點是外形尺寸。總體外形尺寸對于燈具改良市場非常重要，因為最終的產品外形必須與傳統白熾燈或鹵素燈產品相近。降壓式拓撲不使用變壓器或光耦器件，因此線圈相對較小，特別在開關頻率相對較高時尤其如此。
這種拓撲也有兩個主要缺點
1、這種拓撲的主要缺點是不提供任何電氣隔離。考慮到散熱因素，LED通常安裝在金屬散熱器上。這樣，出于安全原因，會強制要求電氣隔離。
2、第二個缺點是LED與線圈串聯。這樣就需要在二極管的總正向電壓與轉換器的最大損耗之間進行權衡。如果輸入和輸出之間壓差過大，就會降低效率
5、隔離式LED驅動電路
5.1、傳統次級反饋LED驅動電路
圖5 次級反饋LED驅動電路
LED驅動電路主體結構采用Flyback拓撲結構，MOSFET的通斷由控制IC控制，在向負載提供直流電壓的同時，也完成負載與電網的隔離。通過電壓和電流反饋，電路將一個基準電壓或電流信號Sref與LED負載電壓或電流信號Shoad送入信號控制器與之進行比較，誤差信號經過處理后送回初級IC中進行處理，當負載電流因各種因素而產生變化時，初級控制IC可以通過控制開關使負載電流回到初始設計值。
此方案可提供精確的電壓、電流控制，但缺點是：
(1)組件數目較多，電路板空間較大，成本比較高，可靠性低;(2)采樣電阻Ro增加功耗 ，效率降低; (3)光耦合器不能工作于高溫環境下;(4)光耦合器存在一個低頻極點(20-30kHz);
5.2、PSR原邊反饋LED驅動電路
圖6 原邊反饋LED驅動電路
Np*Ipk=Ns*Ipks
Ipks=Np*Ipk/Ns,
將Ipks=Np*Ipk/Ns代入Io=(Td/T)*Ipsk/2，
得到Io=(Td/T)*(Np*Ipk/Ns)/2。
由上式可以得知：NP、NS為常數，只要固定Ipk、Td/T就可以得到固定的輸出電流。固定Ipk的方式是限制初級MOS取樣電阻上的峰值電壓，同時為了避免寄生電容在導通時產生的電流尖峰，會加入一段消隱時間。Td/T是有IC內部固定的，為常量，因此輸出為恒流。
與次級反饋電路相比，PSR原邊反饋電路在變壓器原邊檢測輸出信息，消除了次級的采樣電路，無須使用TL431和光耦合器，減少組件數目，降低了整體電路的復雜性，整體電路更為高效和優化。
在LED照明市場發展如火如荼的趨勢下，隨著技術創新越來越先進、開發人員技術水平、實踐經驗越來越成熟的情況下，LED驅動電源未來所面臨的挑戰越來越嚴峻。
1、成本壓力：目前在小功率LED照明產品應用場合，小功率LED驅動電源(1-5W)成本所占的比重已經接近整體照明產品的三分之一，已經接近了光源的成本，這也在一定程度上影響了照明產品的市場推廣。
2、效率追求：大功率LED驅動電源因其功率較大，系統損耗占其總功率比重不是很大，因而可以輕而易取的做到高效率。小功率LED驅動電源在效率上往往很難做到像大功率LED驅動電源一樣。從而導致小功率LED照明產品因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散，電源轉換效率的過低，影響了LED節能效果的發揮。
3、調光性：在對LED照明產品進行調光時，不僅要保證LED照明產品調光的平滑性，同時能夠保證在高和低亮度時顏色特性恒定。
4、壽命追求：LED照明產品號稱有5萬小時的壽命，在保證散熱良好的前提下，LED燈的確可以維持長壽命。然后LED照明產品的壽命瓶頸在于LED驅動電路的整體壽命，尤其是關鍵器件，比如電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命。
LED照明行業發展至今，困難重重，然而隨著市場需求的加快，LED照明前景遠大。LED照明產業市場的火熱必將帶來相關配套產業的火熱，LED驅動電源作為其心臟一般重要的配件，必將得到越來越多的重視和關注。
【廈門大學物理與機電學院周珍富、廈門大學物理與機電學院王亞軍副教授、陳艷玲 、賈迎春、郭捷、倪斌等人對本文均有貢獻】
基金項目：1.福建省產學合作重大項目(2011H6025)、2.福建省科技重點項目(2012H0039)、3.福建省產學合作重大項目(2013H6024).
導師簡介：王亞軍(1969-)，男，浙江慈溪人，副教授，碩士研究生導師，主要從事新能源、半導體照明方面的研究.
作者簡介：周珍富(1987-)，男，福建莆田人，碩士研究生，主要從事半導體照明、LED驅動模塊方面的研究.
