隨著能源成本的攀升、LED光效不斷增高、更為嚴(yán)格的全球能源法規(guī)出臺和實(shí)施以及高亮度LED發(fā)光效能（流明/瓦）的提高，LED照明日益成為白熾燈和熒光燈的理想替代產(chǎn)品。據(jù)估計(jì)，以通用照明市場（電燈泡和熒光燈管替代、嵌燈、街燈及停車燈、工作照明燈、景觀照明、廣告牌文字電路、建築物照明等）為例，2012年LED照明（或稱固態(tài)照明，簡稱SSL）市場規(guī)模將增長至13.08億美元，年複合增長率高達(dá)17.4%。因此，LED通用照明成為熱點(diǎn)市場。
由於LED照明系統(tǒng)較為複雜，涉及光學(xué)、電和熱等不同範(fàn)疇，雖然人人都知道LED節(jié)能環(huán)保壽命長，但在面臨大規(guī)模應(yīng)用時，卻無法回避電源壽命不匹配、可靠性不足等問題，使LED的優(yōu)勢發(fā)揮不出來，最終不得不推遲上市時間。在“油（LED）未盡，燈（驅(qū)動器）已熄”的尷尬局面下。
目前，愈來愈多的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)識到，LED大規(guī)模應(yīng)用的真正瓶頸在於照明驅(qū)動電源，其焦點(diǎn)則在於驅(qū)動電源中使用的電解電容器，因?yàn)樗萍s著整個LED燈具產(chǎn)品的可靠性。
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圖1,LED照明系統(tǒng)涉及光學(xué)，電和熱等不同範(fàn)疇
LED照明對驅(qū)動電源的要求
LED燈具是一個全新的照明體系，市場對LED照明電源的需求因應(yīng)用而異，消費(fèi)類燈泡的設(shè)計(jì)要求與路燈或工業(yè)熒光替代燈存在很大的不同。因此，LED驅(qū)動需要和LED及其模組協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作，因?yàn)長ED驅(qū)動不是一個簡單的電源問題，不僅要滿足LED PN結(jié)負(fù)載要求，也要系統(tǒng)考慮LED模組光、電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
LED照明電源發(fā)展的趨勢應(yīng)該是高效率、高可靠性，以及對調(diào)光與非調(diào)光廣泛的應(yīng)用兼容性。所有客戶都需要可靠、高效節(jié)能的LED驅(qū)動產(chǎn)品。當(dāng)然，還有其他一些要求存在，比如功率因數(shù)校正（PFC），無閃爍可控矽調(diào)光，在不同輸入電壓、溫度及燈泡間都具有高精度流驅(qū)動輸出，以及一致的導(dǎo)通和關(guān)斷性能。
目前，LED照明驅(qū)動電源的主要難題集中在可靠性、能效、成本和標(biāo)準(zhǔn)化等方面，這主要表現(xiàn)在：
第一，要具有高的可靠性，包括與LED光源相匹配的長壽命，寬的工作溫度適應(yīng)性（-40度至65度，甚至-55度至85度），以及寬的電網(wǎng)適應(yīng)及自我保護(hù)性能等。
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圖2,功率因數(shù)校正(PFC）的效果對比
第二，要高效節(jié)能。2009年12月3日，美國能源局（DOE）為一體化LED燈項(xiàng)目發(fā)佈了“能源之星”規(guī)格的最終版，規(guī)定在美國應(yīng)用的LED驅(qū)動器的功率因數(shù)必須優(yōu)於0.7，而工業(yè)應(yīng)用則預(yù)計(jì)要優(yōu)於0.9。目前，我國和歐盟的一級能效標(biāo)準(zhǔn)為91%。
第三，成本能夠讓大家所接受。產(chǎn)品的使用壽命是至關(guān)重要的，採用高質(zhì)量的元器件和生產(chǎn)質(zhì)量控制很關(guān)鍵，在保證高性能和可靠性的前提下必須盡可能地降低成本。近來有大量小型公司紛紛進(jìn)軍LED照明業(yè)務(wù)，市場價格因競爭而不斷下滑。如何在保證可靠性和品質(zhì)的同時，提供最低成本的LED照明解決方案，成為業(yè)者需要面對的新挑戰(zhàn)。其中，中國LED驅(qū)動電源製造商們可能面對的主要挑戰(zhàn)是找到低成本的AC/DC驅(qū)動器，從而滿足在低成本電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的功率因子和效率表現(xiàn)。
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圖3.大多數(shù)調(diào)光器都採用可控矽調(diào)光器
第四，在目前LED產(chǎn)品無全面標(biāo)準(zhǔn)情況下，LED必須滿足電氣強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，特別是EMC的GB17743對應(yīng)IEC6100，電流諧波THD的GB17625.1-2003對應(yīng)IEC61000-3-2:2001，這要求電源要有良好的EMC、PFC/THD。為了在美國和歐洲市場銷售LED驅(qū)動器，中國原始設(shè)備製造商們必須製造出設(shè)計(jì)精良的高可靠性產(chǎn)品，並且完全滿足UL和“能源之星計(jì)劃”的要求。
第五，工作頻率必須大於150Hz，因?yàn)?ldquo;能源之星”要求LED的工作頻率必須大於150Hz，以消除出現(xiàn)可見閃爍的可能性。這就意味著給LED供電的輸出電流中不能帶有任何大量的頻率是線性頻率（50Hz或60Hz）兩倍的紋波。
值得注意的是，LED照明市場用於室內(nèi)照明的燈泡型漸漸過渡到直管型，用於室外的街燈也有增加。隨著LED向高亮度化改善，LED驅(qū)動電路也逐漸開始向高輸出化發(fā)展。
LED照明電源的選擇
目前，LED取代型燈泡及其他新型LED照明的發(fā)展十分迅速，主體市場則趨向離線型LED照明電源。在安規(guī)要求方面，隔離驅(qū)動市場前景看漲，絕緣變壓器與防護(hù)燈罩外殼設(shè)計(jì)將長期並存。
（1）離線型是主流
離線型LED電源市場主要分為高功率和低功率兩個部分，大概以50W為分界線，不包括手持設(shè)備等低壓應(yīng)用。
其中，基於集成型LED的燈泡替代產(chǎn)品大多採用簡單的、非絕緣型降壓穩(wěn)壓器LED驅(qū)動電路。這些產(chǎn)品都是採用了最少的元器件數(shù)量和最低的成本，但又必須同時提供足夠的流明/瓦數(shù)，以及高於0.7的功率因數(shù)，並具有標(biāo)準(zhǔn)的雙向可控矽調(diào)光器調(diào)光的能力。目前，市場上不能滿足這些性能要求的產(chǎn)品正逐漸被取代，而美國能源部“能源之星計(jì)劃（Energy Star Program）”的要求也是促成這一變化的原因之一。
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圖4.隔離驅(qū)動電源將成為主流
高功率LED驅(qū)動器通常需要絕緣隔離，以達(dá)到UL標(biāo)準(zhǔn)。這往往需要其功率因數(shù)大於0.9，並具備調(diào)光能力，而這種調(diào)光能力可能是通過基礎(chǔ)調(diào)光器之外的其他方法實(shí)現(xiàn)的。另外還需要產(chǎn)生至少與熒光燈相等的流明/瓦，並具有更長的使用壽命。
離線型LED照明電源的發(fā)展將改變LED的銷售角度，從銷售大批量DC/DC電源的低電流、高亮度LED（用於手機(jī)、標(biāo)識及筆記本電腦），到銷售AC/DC電源的更高電流LED（一般是照明應(yīng)用）。這將提升整個普通照明AC/DC LED驅(qū)動器市場，並增加對更低BOM成本的電源組件的需求。
（2）非隔離和隔離方案的比較
目前在一般的LED照明市場上，存在非隔離設(shè)計(jì)和隔離型驅(qū)動電源之分。但是隨著人們對安規(guī)的重視越來越強(qiáng)，隔離驅(qū)動市場前景看漲。
非隔離設(shè)計(jì)僅限於雙絕緣產(chǎn)品，例如燈泡的替代產(chǎn)品，其中LED和整個產(chǎn)品都集成並密封在非導(dǎo)電塑料中，因此，最終用戶並沒有任何觸電的危險(xiǎn)。二級產(chǎn)品都是隔離型的，價格相對比較昂貴，但在用戶可以接觸到LED和輸出接線的地方（通常在LED照明和路燈照明應(yīng)用的情況下），這種產(chǎn)品必不可少。
帶隔離變壓器或者電氣隔離的LED驅(qū)動電源意味著LED可以直接用手接觸而不會觸電。而無隔離變壓器的LED驅(qū)動電源雖仍可以借助防護(hù)外殼實(shí)現(xiàn)部分機(jī)械絕緣，但此時的LED在工作時並不能直接接觸。
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圖5.在大多數(shù)LED方案中，最刺眼的就是去耦電容器
究竟選擇隔離型和非隔離型的照明驅(qū)動電源，主要在於安全和尺寸大小的關(guān)係，要看市場需要，因?yàn)楦綦x式電源通常要比同等功率水平的非隔離式電源大一些，照明燈設(shè)計(jì)師必須在他們所設(shè)計(jì)的每款產(chǎn)品中進(jìn)行大量的成本及設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。
首先，隔離型將成為市場的主流，如果採用隔離驅(qū)動，在電源初級側(cè)有問題時次級側(cè)的光源不會受到傷害，也就是說光源不會被破壞。
其次，也有部分業(yè)者認(rèn)為，兩級架構(gòu)適用於必須使用第二個流驅(qū)動電路才能使PFC驅(qū)動LED流的舊式驅(qū)動器，但是這些設(shè)計(jì)已經(jīng)過時，不再具有成本效益，因此在大多數(shù)情況下都最好採用單級設(shè)計(jì)。
另外，物理設(shè)計(jì)決定著驅(qū)動器是隔離式還是非隔離式。安全規(guī)則通常要求使用兩個獨(dú)立的隔離層。設(shè)計(jì)師可以選擇兩種物理隔離層，即塑料散光罩和玻璃護(hù)罩，並使用非隔離式電源。如果物理隔離成本太高、存在機(jī)械困難或者吸收太多光，就必須在電源中解決電氣隔離問題。
（3）絕緣變壓器與防護(hù)燈罩外殼的比較
對於製造商來說，越簡單的方案越具有競爭優(yōu)勢，所以單級框架一直是業(yè)界追求的方向。由於適用于不同的應(yīng)用，採用隔離的絕緣變壓器還是採用隔離的防護(hù)燈罩外殼，通常需要從多方面去分析，例如成本與製造工藝、效率和體積、絕緣可靠性和安全規(guī)範(fàn)的要求等。業(yè)界認(rèn)為，這兩種架構(gòu)將來都會得到普及，採用了這兩種類型的設(shè)計(jì)都將會繼續(xù)使用，因?yàn)槊總�設(shè)計(jì)分別滿足了不同的市場需求。
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圖6.Power Interations的5W離線式LED燈參考設(shè)計(jì)應(yīng)用
帶變壓器的驅(qū)動成本較高，但也相應(yīng)讓LED燈具變得更加實(shí)用，避免了終端用戶偶然接觸LED的危險(xiǎn)。當(dāng)白熾燈玻璃外殼很容易被損壞時，一個E27型號的普通燈 泡可被替換成為LED燈。此外，在工業(yè)區(qū)或者是辦公設(shè)備應(yīng)用中的燈具並不需要接觸到終端用戶，如路燈和商場照明，這時的LED燈也確實(shí)需要隔離變壓器。
作為一個讓最終用戶能安全使用的產(chǎn)品，一定會考慮絕緣與隔離的可靠性。作為完整的產(chǎn)品，產(chǎn)品表面使用者能接觸到的部分一定要經(jīng)過隔離，不能讓人觸電。而從產(chǎn)品整個系統(tǒng)而言，隔離是不可避免的，區(qū)別只是設(shè)置隔離的位置不同。有些設(shè)計(jì)者採用隔離的變壓器設(shè)計(jì)，因此他們可以簡化散熱和燈罩的設(shè)計(jì)。如果用非隔離的驅(qū)動設(shè)計(jì)，在燈殼等結(jié)構(gòu)上就必須考慮可靠的絕緣要求。因此作為電源驅(qū)動，隔離與非隔離的方案一直都同時存在。
（4）去耦電容器的取與捨
雖然LED是個節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，目前商用80-120lm/w光效已是所有照明產(chǎn)品中最高水平，但仍有60%左右的電能不能轉(zhuǎn)換為光能而轉(zhuǎn)換為熱能。這些LED燈具工作時是一個加熱體，使燈具局部形成50-70度甚至85度的高溫區(qū)，會很快將電解電容的電解液烤蒸發(fā)，1000到3000小時時就很快失效。
因此，在大多數(shù)LED應(yīng)用中，對LED燈的使用壽命影響最大的就是去耦電容器。高溫、高可靠性的電容器雖然可以滿足LED燈的壽命要求，但是卻顯著增加了BOM成本，因此權(quán)衡電容容量的大小是增加電燈壽命及控制BOM成本的一個重要趨勢。
（a）無電解電容的LED照明方案受青睞
由於隨著時間的推移，一些帶有電解電容的驅(qū)動電源會相繼失效，無電解電容的驅(qū)動方案是一個必然的發(fā)展趨勢。實(shí)際上，傳統(tǒng)日光燈、節(jié)能燈驅(qū)動中電解電容也存在同樣問題，只是電源壽命與燈管壽命相當(dāng)而沒使矛盾特別突出。無論可靠性還是成本，抑或是可實(shí)現(xiàn)性考量，無電解電容將是LED照明驅(qū)動電源的必然選擇。
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圖7.創(chuàng)意點(diǎn)子提供的高能效LED路燈照明電源方案
（b）針對電解電容的權(quán)宜之計(jì)
針對無電解電容方案，業(yè)界有很多不同的聲音，因?yàn)槟壳凹夹g(shù)方面需要克服的問題很多。
（1）需要全面地評估產(chǎn)品的可靠性：對於LED電源，業(yè)界擔(dān)心最多的就是某些元件的自然老化，例如電解電容，因?yàn)樗墓ぷ鳒囟群芨�。其次是�?qū)動電源對於電網(wǎng)波動的適應(yīng)性及可靠性，例如雷擊，因?yàn)楹芏喟雽?dǎo)體元件會因?yàn)镺ver Stress而失效。電解電容會存在電解液乾涸的可靠性問題，但是如果簡單地去除電解電容就會降低電源對電網(wǎng)波動的抗干擾能力，也會帶來因雷擊失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要全面地評估產(chǎn)品的可靠性。
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圖8.iw3610典型應(yīng)用電路圖
（2）電解電容器技術(shù)也在進(jìn)步：隨著電源需求的增加，如果不採用電解電容，LED驅(qū)動器的設(shè)計(jì)會變得非常昂貴，何況電解電容器技術(shù)也在發(fā)展和進(jìn)步。
事實(shí)上，如果電解電容質(zhì)量很好，可以達(dá)到105攝氏度的工作溫度和10000小時額定工作時間，就沒有必要將電解電容從LED驅(qū)動設(shè)計(jì)中去除。如果在低溫條件下，這些元件的使用壽命可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10000小時，例如在85度下，一個額定壽命為10000小時的元件可以運(yùn)行40000小時。
（3）高品質(zhì)光源燈具上的電解電容難以去除：在低功率水平上，通過用陶瓷電容取代電解電容可以解決這一問題，而在高品質(zhì)光源燈具上，電解電容是難以去除的。目前，由無電解電容帶來的高紋波電流而導(dǎo)致的低頻閃爍開始越來越被人注意。資料顯示，低於165Hz的頻閃即便是人眼不易覺察，但這已經(jīng)對某些人眼造成生理上的不適，幅度大的低頻紋波也會導(dǎo)致一些數(shù)碼相機(jī)設(shè)備出現(xiàn)差頻閃爍的亮暗柵格。雖然市場很渴望能有既能解決電容壽命又能保持穩(wěn)定性及可靠性的新方案，但現(xiàn)階段在高品質(zhì)光源燈具上是難以去除電解電容的。
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LED照明驅(qū)動電源方案供應(yīng)商
隨著高亮度LED效率的不斷改善，以及各種高效率、高可靠性流LED驅(qū)動電源的不斷湧現(xiàn)，LED照明產(chǎn)業(yè)已經(jīng)啟動。在中國，LED驅(qū)動電源製造商面臨的主要挑戰(zhàn)是遵守政府和行業(yè)能源標(biāo)準(zhǔn)，如效率、功率因子和與TRIAC調(diào)光器的兼容。以下介紹一些領(lǐng)先業(yè)者的創(chuàng)新LED照明驅(qū)動方案。
（1）Power Integrations
Power Integrations提供了一系列針對LED照明應(yīng)用的高度集成高壓IC，在這些應(yīng)用中設(shè)計(jì)師要求寬電壓輸入（85VAC至265VAC）的離線式電源。
對於不需要調(diào)光的應(yīng)用，使用LinkSwitch-PH就可以省去電解電容。其單級PFC/流設(shè)計(jì)可以讓設(shè)計(jì)師省去大容量電容，這在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常需要在PFC級和流級之間使用。對電容剩下的唯一要求是，在輸出中通過AC波形的低點(diǎn)（此時，電壓接近於零）對LED供電。這可以用足夠容量的陶瓷電容、鉭電容來替代電解電容，從而消除100Hz或120Hz的閃爍。對於不太關(guān)注調(diào)光的高溫、高可靠性工業(yè)應(yīng)用來說，可以不採用電解電容進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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圖9.IRS2548D可調(diào)光的多段式LED驅(qū)動器
Power Integrations的5W離線式LED驅(qū)動器參考設(shè)計(jì)（RDK-251）具備無閃爍可控矽調(diào)光和單級功率因數(shù)校正（PFC）。該參考設(shè)計(jì)基於LNK457DG，可在15V額定LED燈串電壓下提供350mA單路流輸出。使用標(biāo)準(zhǔn)的AC市電可控矽調(diào)光器可將輸出電流降低至1%（3mA），這不會造成LED陣列性能不穩(wěn)或發(fā)生閃爍。該電源可同時兼容低成本的新形調(diào)光器和更複雜的笨重調(diào)光器，其AC耐壓範(fàn)圍為0VAC至300VAC，能增強(qiáng)現(xiàn)場應(yīng)用的可靠性，延長在線電壓驟降和驟升條件下的使用壽命。
（2）西安明泰半導(dǎo)體
西安明泰半導(dǎo)體科技有限公司為專業(yè)的功率器件（Power Device）和功率管理（Power Management）IC集成製造商，其芯片級LED驅(qū)動電源解決方案從1W、5W到10W、20W以及80W以上至300W大功率、帶主動PFC和EMC方案的全系LED照明驅(qū)動電源產(chǎn)品，效率達(dá)95%，PFC達(dá)0.98，電流THD總量小於15%。
西安明泰20W和120W無電解電容的LED照明驅(qū)動電源採用自己開發(fā)的LED驅(qū)動器、MOSFET和肖特基二極管實(shí)現(xiàn)，效率高達(dá)95%，其中120W LED照明驅(qū)動電源還配有完備的短路、開路保護(hù)功能，並通過EMC認(rèn)證測試。
（3）創(chuàng)意電子有限公司
創(chuàng)意電子的無電解電容的驅(qū)動方案採用富士電機(jī)公司（Fuji Electric）的FA5501功率因素校正IC，外圍元件少，具有價格低、高功率、低損耗、低噪音、低輸入電壓保護(hù)、反饋開路保護(hù)等特點(diǎn)，且節(jié)約空間。該方案輸入電壓為85-264Vac，輸出電壓24V，輸出電流為2500mA，功率因素高達(dá)0.95，效率為0.88。
（4）iWatt公司
iWatt將傳統(tǒng)的兩級控制（PFC+PWM）整合在一個SO8的封裝內(nèi)，推出了iW3610和iW3612系列IC，這些方案既能提供流控制，也能兼容切相式調(diào)光器（phase cut dimming），還能改善功率因素，這種設(shè)計(jì)符合LED市場的主流要求。
其中，iW3610是用於可調(diào)光LED驅(qū)動器的AC/DC數(shù)字電源控制器，輸入電壓100Vac/230Vac，頻率從47Hz到64Hz，調(diào)光範(fàn)圍從2-100%，LED電流調(diào)整幅度±5%，起動電流10uA，輸出功率高達(dá)45W，具有多種LED保護(hù)特性。該方案具有快速起動，LED沒有可見的閃爍等特點(diǎn)。
（5）國際整流器公司
國際整流器公司（International Rectifier）為用戶提供最廣泛的照明鎮(zhèn)流器控制集成電路產(chǎn)品選擇，幫助用戶實(shí)現(xiàn)向高性價比、更加可靠以及更高效的電子鎮(zhèn)流器的轉(zhuǎn)型。產(chǎn)品系列中最新的成員包括單芯片鎮(zhèn)流器解決方案和自帶PFC的鎮(zhèn)流器控制IC，主要應(yīng)用包括室內(nèi)和室外標(biāo)牌，以及建築、娛樂、設(shè)計(jì)和裝飾照明。
IRS2548D可調(diào)光的多段式LED驅(qū)動器外圍電路簡單，只需加入簡單的電荷泵，在低調(diào)光水平下，只要支持可控矽調(diào)光器的維持電流就能夠進(jìn)行可控矽調(diào)光。
LED照明系統(tǒng)具有超凡的優(yōu)勢，包括相位控制可控矽調(diào)光、單級功率因數(shù)校正（PFC）及精確流（CC）輸出、能耗低、體積小、元件數(shù)量少、使用壽命長、快速啟動時間、維護(hù)少、抗振防震、能夠生成純淨(jìng)的彩色光、集成度高等。只要不斷改進(jìn)驅(qū)動電源，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路，就可以將固態(tài)照明的優(yōu)勢發(fā)揮出來。
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