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摘要：本文历数了LED照明电源技术的发展过程，介绍了LED驱动技术三个发展阶段的主流电路结构，以及这些电路的特点、固有缺陷和被淘汰的原因。然后展示了现在的电路设计者们为了改进LED驱动电源性能而提出的新电路方案，并提出了一种性价比更高的LED驱动电源拓补，说明了该结构的优势和实现的可能性。最后，总结LED驱动电源技术的发展趋势，得出了高品质的两级PFC技术将是未来市场主流的结论。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/271638.htm
关键词：LED照明；PFC；输出电流纹波；频闪；Buck
DOI：1 0.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.003
引言
2007年以后，由于白光LED的光效提高到了1301m/W， LED照明大规模商用成为可能，照明专用的LED驱动电源正式成为电源领域的新成员。
早期的LED电源并没有今天这样种类繁多、用途各异的驱动IC，最早的LED电源工程师们借用DC-DC的控制IC，以改变反馈采样点（电压采样变为电流采样）的方式将恒压输出改为恒流输出，制作出了最初的LED照明电源。由于LED驱动和传统DC-DC驱动性能要求（耐压、电流能力）的差异性，这些IC在许多性能上都是保守设计，而一些保护功能对LED却并不合适，因而形成了电路资源的浪费，性价比较低。
1 LED专用IC的出现
在这之后，一些IC设计公司发现了其中的商机，设计出了第一批LED专用的控制IC，其中最有名的就是HV99XX系列的LED开关电源IC。这些IC方案拥有更少的外围器件，更灵活，更易设计而且具有LED电源需要的各种保护电路（包括输出开、短路保护，过温保护和过流保护等），对LED照明具有很强的针对性和适用性。LED专用控制IC产品一经问世，就淘汰了绝大多数DC-DC控制IC。这些方案是现代LED驱动IC的蓝本，考虑到成本和性能，后来的设计者们在此基础上做了许多改进设计和折中设计。作为最早期的LED照明控制IC，这些方案活跃了3～5年，甚至现在，仍有一些LED电源采用这些IC方案。2低成本.低性能的恶性竞争阶段
随后几年，LED照明电源市场出现了低价、低性能的恶性竞争的局面。其中阻容降压方案（如图l-a）和恒流二极管方案（如图l-b），由于其极低的成本，被大部分厂商（包括一些上市公司）所采用。这两种方案均不含控制IC，而是由少量的分立器件构成，在电路原理上就存在可靠性风险，因此引发了业内巨大的争议和市场混乱。阻容降压方案在电解电容老化后存在母线电压过高的风险，长时间使用易烧灯。恒流二极管方案最大的风险是抗浪涌电压能力差，开关机的浪涌电压很容易击穿耐压小于500v的恒流二极管，而导致电源或LED灯烧毁。由于频繁出现炸机，并因此引发了多次重大的返修事件，加之其它开关电源方案成本的下降，这两种方案逐渐被弃用，LED照明电源由此才慢慢步入正轨。
3 LED driver IC的迅速发展
随着越来越多的人开始接触、熟悉LED照明以及LED产业链的成熟和行业规模扩大，LED照明产品的种类越来越多，应用场合也由室内照明扩展到了路灯照明、工矿灯照明以及景观照明等各种场合。这些应用的多样性，也带来了LED驱动电路的多样性。到现在，LED驱动IC的拓补种类基本覆盖了buck、buck-boost、flyback等中、小功率拓补；并衍生出了单级PFC、浮地等LED照明专用的电路处理技术：驱动方式包括了栅极驱动、源极驱动：工作模式也覆盖了DCM、CCM和BCM三种模式；功能上也越来越多样化，除了增加了基本的过温保护、输出开短路保护和过流保护等LED专有的保护功能外，还增加了Triac调光、模拟调光、PWM波调光和分段调光等多种调光功能。这使得LED照明的应用更加丰富。
值得一提的是，对于LED照明是否要支持Triac调光曾引发了很大争论，就当前的市场需求（特别是欧美市场）而言，Triac调光无疑是LED驱动电源必须支持的功能；而从技术实现复杂度（有人认为LED负载与Triac的特性是矛盾的）和调光技术发展的方向而言，Triac调光终将被淘汰。因此，并不是所有LED控制IC都支持该功能，这也是当前LED控制IC多样性的原因之一。
上述所有的LED驱动电路技术，每一个都需要一篇完整的论文才能论述清楚，本文后半部分主要论述PFC技术的要点、现阶段存在的问题和未来的发展方向。
4 PFC技术介绍
PFC技术，作为LED照明的关键技术，其演进过程能够充分反映LED照明电源技术发展的特点。作为一种交流取电的电源，PFC功能是中、大功率LED驱动电源的必然要求：最早的PFC电路是无源的填谷式PFC（图2-a为填谷式PFC电路：图2-b为填谷式FPC电路的母线波形），其功率因数可提高至0.85。该电路的缺陷是牺牲输入谐波参数换得PF值。其后出现了单级buck& flyback PFC技术，该技术较填谷式电路有了很大改善，也是一种主动的PFC处理技术（APFC），其主要缺陷是输出电流纹波大，有100Hz的工频频闪。在借鉴了传统AC-DC电源的boost PFC+第二级电路的基础上，部分高品质LED电源采用了两级PFC技术，即第一级采用专用的boost PFC控制IC（与传统AC-DC完全相同），第二级采用buck&flyback恒流电路。这种技术具有优异的电路性能，唯一的缺陷是成本压力较大，较单级PFC电路增加了一个变压器和一颗功率MOS。
LED照明现在最普遍的方案是单级PFC，这种拓补结构能提供高的PF值，并且电路简单，方便设计。但是，研究发现100Hz的工频频闪对人的视力特别是儿童的视力，有很大损害，单级PFC的100Hz输出电流纹波成为该结构的最大缺陷。
为了解决该问题，集成电路工程师和电源工程师们想到了一种“纹波约束电路”（图3-a为纹波约束电路原理图：图3-b为增加纹波约束电路后的LED电流波形，纹波由50%以上减小至4%），该电路在2014年初开始正式进入量产，目前该电路有两个主要缺陷：一是降低了系统效率（约1%～8%）；一是提高了系统成本，增加了一个控制IC和一颗功率MOS且纹波很难降到3%以下。5新的系统拓补
笔者在研究以上PFC电路结构的基础上，结合自己的分析，提出了一种PFC+线性恒流级的拓补结构（如图4）。该结构的输出电流纹波可降到1%以内。目前的问题是专用PFC控制IC -般为boost拓补，想要适合LED driver（第二级采用简单的线性恒流IC）必须采用buck拓补作为PFC控制级，以获得更低的输出电压。该新结构的缺陷是输入电流谐波无法做到boost PFC的水平，仅与单级PFC相当。由于成本和性能上的优势，该结构在未来可能有发展空间。
6 总结
由于篇幅有限，部分拓补结构和电路的说明未能展开。另外，本文未就国内、国外市场分开叙述LED驱动电源技术的发展，请见谅。在国际化程度越来越深的现在，不同市场的技术方向，区别并不明显。
笔者认为，随着LED照明电源的品质要求越来越高，LED照明电源的拓补还将重新回到两级PFC（第一级boost PFC，第二级flyback&buck恒流）的结构，不过随着产业规模的扩大和成熟，两级PFC（第一级boostPFC，第二级flyback & buck恒流）的成本将会被接受。
出于安全性和可靠性的考虑，驱动电路的许多细节设计都要考虑非理想因素和极限情况。电源工程师和集成电路工程师们需要根据不用的应用背景选择合适的拓补结构和具体实现电路。在这基础上，越来越多的功能需求被提出和实现。其中最典型的例子就是调光和智能控制功能的设计， 电路上最大的风险是干扰和闪烁，看似简单的调光功能，背后凝聚了工程师们的智慧和辛苦。也正是在一批又一批工程师的努力下，LED驱动电源电路一步步发展、成熟。
可以展望，未来的室内照明将会有功能越来越强、越来越智能的LED电源方案出现，未来高品质的LED照明产品值得期待。
关键词：LED照明；PFC；输出电流纹波；频闪；Buck
DOI：1 0.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.003
引言
2007年以后，由于白光LED的光效提高到了1301m/W， LED照明大规模商用成为可能，照明专用的LED驱动电源正式成为电源领域的新成员。
早期的LED电源并没有今天这样种类繁多、用途各异的驱动IC，最早的LED电源工程师们借用DC-DC的控制IC，以改变反馈采样点（电压采样变为电流采样）的方式将恒压输出改为恒流输出，制作出了最初的LED照明电源。由于LED驱动和传统DC-DC驱动性能要求（耐压、电流能力）的差异性，这些IC在许多性能上都是保守设计，而一些保护功能对LED却并不合适，因而形成了电路资源的浪费，性价比较低。
1 LED专用IC的出现
在这之后，一些IC设计公司发现了其中的商机，设计出了第一批LED专用的控制IC，其中最有名的就是HV99XX系列的LED开关电源IC。这些IC方案拥有更少的外围器件，更灵活，更易设计而且具有LED电源需要的各种保护电路（包括输出开、短路保护，过温保护和过流保护等），对LED照明具有很强的针对性和适用性。LED专用控制IC产品一经问世，就淘汰了绝大多数DC-DC控制IC。这些方案是现代LED驱动IC的蓝本，考虑到成本和性能，后来的设计者们在此基础上做了许多改进设计和折中设计。作为最早期的LED照明控制IC，这些方案活跃了3～5年，甚至现在，仍有一些LED电源采用这些IC方案。2低成本.低性能的恶性竞争阶段
随后几年，LED照明电源市场出现了低价、低性能的恶性竞争的局面。其中阻容降压方案（如图l-a）和恒流二极管方案（如图l-b），由于其极低的成本，被大部分厂商（包括一些上市公司）所采用。这两种方案均不含控制IC，而是由少量的分立器件构成，在电路原理上就存在可靠性风险，因此引发了业内巨大的争议和市场混乱。阻容降压方案在电解电容老化后存在母线电压过高的风险，长时间使用易烧灯。恒流二极管方案最大的风险是抗浪涌电压能力差，开关机的浪涌电压很容易击穿耐压小于500v的恒流二极管，而导致电源或LED灯烧毁。由于频繁出现炸机，并因此引发了多次重大的返修事件，加之其它开关电源方案成本的下降，这两种方案逐渐被弃用，LED照明电源由此才慢慢步入正轨。
3 LED driver IC的迅速发展
随着越来越多的人开始接触、熟悉LED照明以及LED产业链的成熟和行业规模扩大，LED照明产品的种类越来越多，应用场合也由室内照明扩展到了路灯照明、工矿灯照明以及景观照明等各种场合。这些应用的多样性，也带来了LED驱动电路的多样性。到现在，LED驱动IC的拓补种类基本覆盖了buck、buck-boost、flyback等中、小功率拓补；并衍生出了单级PFC、浮地等LED照明专用的电路处理技术：驱动方式包括了栅极驱动、源极驱动：工作模式也覆盖了DCM、CCM和BCM三种模式；功能上也越来越多样化，除了增加了基本的过温保护、输出开短路保护和过流保护等LED专有的保护功能外，还增加了Triac调光、模拟调光、PWM波调光和分段调光等多种调光功能。这使得LED照明的应用更加丰富。
值得一提的是，对于LED照明是否要支持Triac调光曾引发了很大争论，就当前的市场需求（特别是欧美市场）而言，Triac调光无疑是LED驱动电源必须支持的功能；而从技术实现复杂度（有人认为LED负载与Triac的特性是矛盾的）和调光技术发展的方向而言，Triac调光终将被淘汰。因此，并不是所有LED控制IC都支持该功能，这也是当前LED控制IC多样性的原因之一。
上述所有的LED驱动电路技术，每一个都需要一篇完整的论文才能论述清楚，本文后半部分主要论述PFC技术的要点、现阶段存在的问题和未来的发展方向。
4 PFC技术介绍
PFC技术，作为LED照明的关键技术，其演进过程能够充分反映LED照明电源技术发展的特点。作为一种交流取电的电源，PFC功能是中、大功率LED驱动电源的必然要求：最早的PFC电路是无源的填谷式PFC（图2-a为填谷式PFC电路：图2-b为填谷式FPC电路的母线波形），其功率因数可提高至0.85。该电路的缺陷是牺牲输入谐波参数换得PF值。其后出现了单级buck& flyback PFC技术，该技术较填谷式电路有了很大改善，也是一种主动的PFC处理技术（APFC），其主要缺陷是输出电流纹波大，有100Hz的工频频闪。在借鉴了传统AC-DC电源的boost PFC+第二级电路的基础上，部分高品质LED电源采用了两级PFC技术，即第一级采用专用的boost PFC控制IC（与传统AC-DC完全相同），第二级采用buck&flyback恒流电路。这种技术具有优异的电路性能，唯一的缺陷是成本压力较大，较单级PFC电路增加了一个变压器和一颗功率MOS。
LED照明现在最普遍的方案是单级PFC，这种拓补结构能提供高的PF值，并且电路简单，方便设计。但是，研究发现100Hz的工频频闪对人的视力特别是儿童的视力，有很大损害，单级PFC的100Hz输出电流纹波成为该结构的最大缺陷。
为了解决该问题，集成电路工程师和电源工程师们想到了一种“纹波约束电路”（图3-a为纹波约束电路原理图：图3-b为增加纹波约束电路后的LED电流波形，纹波由50%以上减小至4%），该电路在2014年初开始正式进入量产，目前该电路有两个主要缺陷：一是降低了系统效率（约1%～8%）；一是提高了系统成本，增加了一个控制IC和一颗功率MOS且纹波很难降到3%以下。5新的系统拓补
笔者在研究以上PFC电路结构的基础上，结合自己的分析，提出了一种PFC+线性恒流级的拓补结构（如图4）。该结构的输出电流纹波可降到1%以内。目前的问题是专用PFC控制IC -般为boost拓补，想要适合LED driver（第二级采用简单的线性恒流IC）必须采用buck拓补作为PFC控制级，以获得更低的输出电压。该新结构的缺陷是输入电流谐波无法做到boost PFC的水平，仅与单级PFC相当。由于成本和性能上的优势，该结构在未来可能有发展空间。
6 总结
由于篇幅有限，部分拓补结构和电路的说明未能展开。另外，本文未就国内、国外市场分开叙述LED驱动电源技术的发展，请见谅。在国际化程度越来越深的现在，不同市场的技术方向，区别并不明显。
笔者认为，随着LED照明电源的品质要求越来越高，LED照明电源的拓补还将重新回到两级PFC（第一级boost PFC，第二级flyback&buck恒流）的结构，不过随着产业规模的扩大和成熟，两级PFC（第一级boostPFC，第二级flyback & buck恒流）的成本将会被接受。
出于安全性和可靠性的考虑，驱动电路的许多细节设计都要考虑非理想因素和极限情况。电源工程师和集成电路工程师们需要根据不用的应用背景选择合适的拓补结构和具体实现电路。在这基础上，越来越多的功能需求被提出和实现。其中最典型的例子就是调光和智能控制功能的设计， 电路上最大的风险是干扰和闪烁，看似简单的调光功能，背后凝聚了工程师们的智慧和辛苦。也正是在一批又一批工程师的努力下，LED驱动电源电路一步步发展、成熟。
可以展望，未来的室内照明将会有功能越来越强、越来越智能的LED电源方案出现，未来高品质的LED照明产品值得期待。