LED照明驱动电源模块化设计技术
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2.2 LED驱动电源的分类

LED驱动电源可以采用多种分类方法，主要是按照输出、输入形式分类及按主电路结构分类。

2.2.1 按输出形式分类

1.恒流型

该类电源的输出为恒定电流，相当于恒流源，当输入电压波动、驱动电路有扰动、环境有干扰、LED光源负载有波动时，输出电流的稳定性均不受影响；但当LED负载等效电阻变化时，电源输出电压会随之在一定范围内变化。

恒流型驱动是一般LED光源最理想的驱动形式，发展初期技术较复杂、成本较高，目前驱动技术和驱动芯片已有快速发展，恒流型输出已经成为LED驱动电源的主流形式。此外，普通的恒流电路允许负载短路，不允许完全开路，但目前一般的LED驱动电源都有开路、过电压等保护功能，因此负载开路对驱动电源也不会有损害。

2.恒压型

该类电源的输出为恒定电压，相当于恒压源，当输入电压波动、驱动电路有扰动、环境有干扰、LED光源负载有波动时，输出电压的稳定性均不受影响；但当LED负载等效电阻变化时，电源输出电流会随之在一定范围内变化。

恒压型驱动在LED照明发展初期应用较多，可以套用许多已有的恒压源技术，适用于恒流要求不是很高或LED光源连接形式需要恒压的场合。此外，普通的恒压电路允许负载开路，不允许完全短路，但目前一般的LED驱动电源都有短路、过电流等保护功能，因此负载短路对驱动电源也不会有损害。

3.复合型

该类电源集成了多种输出控制模式，如恒流型、恒压型、恒功率型，通过一定的策略在不同情况下分别启用不同的输出形式，可以适应复杂工况，如输出电流较小时启用恒压型，输出电流较大时启用恒流型，或者输出功率较小时采用恒流/恒压型，输出功率较大时采用恒功率型。

2.2.2 按输入形式分类

1.直流输入型

该类电源的输入为直流电，根据前端供电设备特点有不同的形式：可为基本稳定的直流电压，如供电端为恒压源、电池、直流母线、总线等；也可为波动的直流电压，如供电端为太阳能电池板等；还可为低压或高压直流。直流输入型驱动电源主要通过DC/DC变换将输入的直流电转换为要求的直流电压或直流电流。

2.交流输入型

该类电源的输入为标准交流电，主要供电端为公共电网，也可为其他交流发电设备；根据国家或地区的不同，交流电也有不同形式，如220V/50Hz，110V/60Hz等。交流输入型驱动电源主要通过AC/DC变换将输入的交流电转换为要求的直流电压或直流电流，驱动电源的输入与输出不仅电压等级不同，且电压性质也不同，因此转换电路一般要比直流输入型复杂。

3.特殊输入型

该类电源的输入为特殊波形电压，其供电线路前端一般接有特殊功能模块，该模块因其功能要求而输出不同形式的电压波形，如LED灯具前端接有电子变压器时，输入波形为高频交流电压；前端接有晶闸管调光器时，输入波形为斩波后的工频交流电压。特殊输入型驱动电源主要通过AC/DC变换将输入的特殊电压转换为要求的直流电压或直流电流，此外还需要针对前端特殊功能模块进行负载匹配等专门处理。该类驱动电源主要用于替换型应用等特种场合。

2.2.3 按主电路结构分类

1.DC/DC转换电路

（1）电阻镇流电路

这种形式主要采用镇流电阻来减少输入电压波动引起的输出电压和电流的波动，等效电路如图2-5所示[1]。图中，UIN为电路的直流输入电压，R为镇流电阻，RS为单个LED的线性化等效串联电阻，n为每串LED的数目，m为并联LED的串数。

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图2-5 电阻镇流等效电路

设UF为LED的正向电压，IF为正向电流，UON为导通电压，则镇流电阻的设计值为

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式中，UF=UON+RSIF。

当镇流电阻选定后，每串LED上的驱动电流IF为

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由式（2-11）可知，当输入电压UIN有波动时，驱动电流和驱动电压都会随之波动，但波动量会比未加镇流电阻时减小很多，因此其可在一定程度上稳定输出电流及输出电压。但电阻R上会消耗功率R（mIF）2，因此降低了电路的效率。这种形式的驱动电路结构简单、成本低，但输出电流稳定度不高，调节能力差，效率低，仅适用于小功率LED应用场合。

（2）线性变换电路

线性变换电路主要利用工作于线性区的功率晶体管作为动态可调电阻来抑制输入电压波动引起的电流波动，进而实现恒流，具体又可以分为并联型电路和串联型电路，并联型电路如图2-6a所示，当输入电压UIN增大时，流经LED的电流也将增大，通过反馈，使得功率晶体管Q的电流减小，进而其两端的电压也将减小，从而减小LED两端的电压，使得流经LED的电流大小维持不变。串联型电路如图2-6b所示，当输入电压UIN增大时，流经LED的电流也将增大，通过反馈，使得功率晶体管Q的电流减小，从而减小LED两端的电压，使得流经LED的电流大小维持不变[6]。

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图2-6 线性变换电路

a）并联型电路 b）串联型电路

与电阻镇流电路相比，线性变换电路在控制精度上有较大的提高，而且成本较低，在低功率场合应用较多。但是因为功率晶体管工作在线性区，功率消耗较大，系统效率不高，当输出电流超过5A时，线性变换电路的功耗就成为很大问题[7]。

（3）电荷泵电路

电荷泵是采用泵式电容器来实现DC/DC转换功能的电压转换器。电荷泵电路的本质就是在时钟周期的一部分时间内为电容充电，通过电容对电荷的积累效应储存电能；在该时钟周期的剩余时间内，利用电容的不同连接方法释放能量得到不同的输出电压。电荷泵的电路结构中，一般都需有三个基本要素：时钟、电容和开关，种类主要有升压型和降压型。基本的升压型电荷泵原理如图2-7所示[1]。

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图2-7 升压型电荷泵原理

图2-7中，时钟信号Φ和978-7-111-60312-2-Chapter02-17.jpg相反，在开关时钟Φ时，开关S1和S3闭合，S2和S4断开，输入电压UIN给电容C充电；在时钟相位978-7-111-60312-2-Chapter02-18.jpg，S2和S4闭合，S1和S3断开，电容C的下极板被接到UIN，上极板电势UO作为输出，根据电容存储电荷不能突变的原理，电容C在时钟相位Φ内存储的电荷量为UINC，所以在978-7-111-60312-2-Chapter02-19.jpg时刻有

（UO-UIN）C+UOCOUT=UINC （2-12）

经过等式变换得

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当输入UIN端也接一个和电容COUT同样大小的电容CIN时，式（2-13）变为

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电荷泵驱动电路根据输出方式的不同有电压输出型和电流输出型两种，分别输出恒定电压和恒定电流。电荷泵电路的最大优势是无需使用电感元件，具有尺寸小、成本低、噪声低、辐射EMI低以及控制能力强等特点。当输出电压与输入电压成一定倍数关系时，电荷泵电压转换效率效率可达90%以上，但是效率会随着两者之间的比例关系而变化，有时效率也低至70%以下。因此，电荷泵驱动电路在大功率LED的照明驱动应用中受到了限制。

（4）开关变换电路

开关变换电路主要通过开关的开通或关断，把一个等级的电压变换成负载端另一个等级的电压。它兴起于20世纪70年代，在过去几十年中，提出了数十种电路拓扑结构，应用于各种开关电源系统。开关变换电路的能量损耗主要是在开关管上，能量变换效率非常高，可以达到90%以上。与线性变换电路相比，开关变换电路具有较高的效率和功率密度；与电荷泵电路相比，开关变换电路的电压变换形式更灵活范围更大。因此，开关变换电路目前已经成为LED驱动电源的主流形式。开关变换电路主要分为非隔离型拓扑和隔离型拓扑两大类，前者主要包括降压式（Buck）、升压式（Boost）、降压-升压式（Buck-Boost）、Cuk变换、Zeta变换和SEPIC变换等；后者主要包括正激（Forward）、反激（Flyback）、推挽（Push-pull）、半桥（Half-bridge）、全桥（Full-bridge）等结构，开关变换电路在第3章将详细介绍。

2.AC/DC转换电路

该类电路的一般结构是在其交流输入端加整流滤波环节，先实现交流电压向直流电压的转换，然后再套用DC/DC转换电路，实现各种灵活的直流电压、直流电流变换。

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