2.4 LED驱动电源的模块化设计

2.4.1 模块化设计方法简介

模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的现代设计方法^[9]，该方法于20世纪50年代由欧美学者正式提出，随后其理论和应用技术得到了进一步的发展和完善，模块化设计也成为一种普遍采用的设计方法，已广泛应用于机械、建筑、船舶、电子和家具等诸多行业中。

模块是模块化设计的基本单元，是指系统中结构独立、彼此之间存在定义好的标准接口，且具有特定功能的组件，模块可分为基本模块、辅助模块和可选模块。模块划分的原则如下：模块要具有功能独立性和结构完整性，以便对其进行单独设计、制造、调试、修改和存储；模块功能应尽量单一，以便灵活组合满足不同需求；模块与外部的接口要尽量简单和标准化，以便其组合、分离和互换；模块数量要适当，模块太多就失去了模块化设计的意义。模块化是指使用模块的概念对产品或系统进行规划设计和生产组织，产品模块化的主要目的就是以尽可能少种类和数量的模块组成尽可能多种类和规格的产品，即以最小的成本满足市场的各种需求。

模块化设计的方式主要包括以下几种：

1）横系列模块化设计：指不改变基型产品主参数，更换或添加新模块、增加新功能，形成新的变形产品。这种方式容易实现，应用最广。

2）纵系列模块化设计：指在基型产品基础上对相同类型不同规格的产品进行设计，一般体现为产品功能及原理方案相同而主参数不同，导致结构形式和尺寸不同，为了控制模块数量，往往合理划分主参数区段，在同一区段内模块通用；对于与主参数无关的模块，则可在更大范围内通用。

3）全系列模块化设计：指综合横系列设计和纵系列设计而形成全系列产品设计。

4）跨系列模块化设计：指在横系列产品基础上改变某些模块得到其他系列产品，或者在全系列产品基础上改变某些模块得到功能结构比较类似的其他系列产品。

模块化设计的主要流程如下：

1）市场分析：通过市场调查了解已有产品的功能优缺点，预测市场需求与产品方向。

2）模块化总体设计：根据市场调研结果，结合企业已有产品基础，进行产品横系列、纵系列、全系列、跨系列等模块化设计的总体方案规划。

3）模块划分与构建：面向规划的产品族进行功能分析，在此基础上通过自顶向下的方法划分出能够满足不同市场需求的功能模块体系；进一步完成各模块的具体实现，包括模块的方案设计、详细设计、接口设计以及模块组成信息的组织等。

4）模块选择与组合：通过把功能不同或者功能相同而性能不同的模块进行选择、组合，产生多元化的产品以满足客户个性化的需求，最终实现模块到产品的转换。

模块化设计方法的优点体现在以下几个方面：

1）提高产品设计效率：通过模块化实现了技术和资源的重用，减少了设计的工作量，大大缩短了产品的开发、制造及供货周期，产品更新换代快，有利于提高企业对市场的快速反应能力。

2）降低成本：模块化设计把产品的多变性与零部件的标准化有效结合起来，并充分利用了共用性和组合优化效应，通过模块的共用形成生产和管理的批量性，产品的标准化、系列化、通用化会大幅降低设计、生产和管理成本。

3）提高技术创新能力：一般企业70%以上的产品设计是适应性设计和变型设计，模块化设计可以充分利用已有模块，集中精力应用新技术进行关键模块创新，使得产品不断保持先进性^[10]。

4）提高产品的质量和可靠性：模块化产品中大部分模块为经过重复使用、技术成熟的已有模块，质量可靠性有保障，只需重点对新开发模块进行考核验证。

5）便于维护及维修：由于模块化产品各模块的功能独立性，在发生故障时可以相对容易地发现故障点，而且模块的互换性强，必要时可以只更新模块，故障诊断时间短，维修方便、速度快、费用低且维修质量高。

6）适应先进的生产模式：大规模定制是为了满足客户多样化需求出现的一种新型制造模式，将大批量生产和定制生产这两种不同的方式融合，模块化设计是实现大规模定制的基础技术，可以以大批量生产的成本实现产品的多品种、小批量和个性化生产。

2.4.2 LED驱动电源的模块化

电气电子行业是模块化设计方法最早的应用领域之一，早在1923年，为解决成套电子设备结构的通用互换问题，美国制定了机箱面板和机架尺寸系列标准，后升级为IEC标准，一直沿用至今；1964年，IBM360模块型计算机系统的诞生，导致硅谷计算机产业群的兴起；目前模块化设计方法在很多电气、电子系统中已经广泛应用，如抽屉式电气开关柜、PLC控制系统、PC（计算机）系统等。

LED驱动电源的核心是驱动电路，电路的模块化设计与上述电气电子系统的不同点在于，它主要在电路设计阶段采用模块化方法，在最终的电路板上则各模块集成为一体，不像一般系统中的模块那样可以装配、拆卸，但模块化思想对于LED驱动电源的电路设计、分析解剖、故障查找等都是很有帮助的。下面重点介绍DC/DC、AC/DC两类LED驱动电源的模块化方法，其他分类方法的电源类型基本可以从这两类中通过相关模块组合得到。

1.DC/DC驱动电源的模块化

根据2.1节中LED驱动电源的功能要求，DC/DC驱动电源的功能分解及模块划分如图2-16所示，驱动电源的总功能首先分解为5个一级子功能，其中，DC/DC变换、恒压/恒流/保护为必选功能，以完成必需的电压转换、输出恒定及基本保护等功能；滤波、调光、单灯控制为可选功能，可根据具体应用需求适当选择。一级子功能又可进一步细化为相对简单独立的二级子功能，各二级子功能基本上均可由相应的电路模块实现。

图2-16 DC/DC驱动电源的功能分解及模块划分

基于上述电路模块，模块化DC/DC驱动电源的实现原理框图如图2-17所示，主电路中，外部供电的输入直流电压为U_IN，如果该直流电压波动较大，或叠加有较大环境干扰，此时可以在输入电压后加输入滤波模块进行处理，以吸收干扰噪声、稳定输入电压；其后接DC/DC拓扑电路，完成要求的输入U_IN到输出U_O的基本转换；由于DC/DC转换电路大多采用高频开关方式，其输出电压一般有纹波，有时还叠加有环境干扰，此时其后可以加输出滤波模块，以吸收干扰、稳定输出电压；然后该输出电压U_O为LED负载供电，提供要求的驱动电流I_O。控制回路中，对实际输出电压U_O/输出电流I_O进行采样，经过反馈模块送回控制芯片，控制芯片通过与输出电压设定值U_ONOM/输出电流设定值I_ONOM的比较，按照一定规律调整DC/DC主拓扑电路的控制量（一般开关变换电路为占空比），通过闭环反馈控制原理使输出电压/输出电流始终稳定在设定值U_ONOM/I_ONOM，实现恒压/恒流输出。如果LED灯具有调光要求，此时可根据控制芯片允许的调光方式，选择PWM调光模块或模拟调光模块，以实时改变输出设定值，从而实现调光功能。如果该灯具还需要复杂的控制功能，就需要增加单灯控制器，一般通过环境传感器监测环境的光照、人员等实时信息，经过I/O接口送回控制器，控制器根据各种设定工况的要求，按照相应的控制算法计算出此时理想的驱动电源输出，并经I/O接口修改控制芯片的输出设定值；如控制模式采用内设时间表控制，则无需外加环境传感器；此外，单灯控制器还可以通过通信接口与上位机或遥控器等进行交互，实现更加灵活的控制。单灯控制器可以实现复杂的照明控制，如自动调节LED亮度、色温、颜色、动态变化等，控制方式可以采用环境自适应、时间表、场景设定等多种形式，但其对驱动主电路的控制入口主要还是修改其输出设定值。

图2-17 模块化DC/DC驱动电源的实现原理框图

根据图2-17模块化DC/DC型驱动电源的实现原理，通过可选功能模块的选择，可以实现驱动电源的横系列模块化设计；在纵向，DC/DC主拓扑可以根据实际情况选择线性变换、电荷泵、开关变换等不同形式的模块，从而可设计出按主电路结构分类的不同类型的驱动电源；通过对输出采样模块的选择，可以设计出按照输出形式分类的恒压/恒流/复合等不同类型的驱动电源，从而实现纵系列模块化设计；在此基础上，还可进一步实现全系列或跨系列模块化设计。

2.AC/DC驱动电源的模块化

根据2.1节中LED驱动电源的功能要求，AC/DC驱动电源的功能分解及模块划分如图2-18所示，驱动电源的总功能首先分解为8个一级子功能，其中，AC/DC变换、恒压/恒流/保护为必选功能，以完成必需的电压转换、输出恒定及基本保护等功能；浪涌保护、滤波、EMC（电磁兼容）、PFC（功率因数校正）、调光、单灯控制为可选功能，可根据具体应用需求适当选择。一级子功能又可进一步分为相对简单独立的二级子功能，并由相应的电路模块实现。

图2-18 AC/DC驱动电源的功能分解及模块划分

基于上述电路模块，模块化AC/DC驱动电源的实现原理框图如图2-19所示，主电路中，外部供电的输入交流电压为U_AC，如果该灯具采用晶闸管调光方式，则一般晶闸管调光器串入主电路输入端，主电路的真正输入为经调光器斩波后的畸变交流电压；如果输入端存在雷击、浪涌、冲击等可能，需要限制瞬时过电压或泄放浪涌电流时，可以接入浪涌保护模块；为了减小交流输入端引入的电磁干扰、保证驱动电源正常工作，同时减小驱动电源因高频开关模式引起的电磁干扰对电网或其他设备的影响，需要接入输入EMC模块；经过上述输入处理后，相对纯净的交流电压必须经过输入整流模块实现基本的AC/DC转换，得到脉动直流电压；为了减小直流电压脉动程度及环境干扰，可以在整流后加输入滤波模块；为了满足驱动电源的功率因数指标要求，可以在其后接入PFC（功率因数校正）模块；此时，输出的电压基本上为波动较小的直流电压，其后就可直接连接DC/DC主拓扑电路和输出滤波模块，输出U_O为LED负载供电，提供要求的驱动电流I_O。此外，为了满足更为严格的EMC要求，有时还需在开关管、输出二极管、接地等一些关键环节进行其他EMC处理。控制回路与前述DC/DC驱动电源基本相同，只是当采用晶闸管调光时，主电路中DC/DC主拓扑模块前的直流电压要经过一定的变换电路形成相应的设定值给控制芯片。如果该灯具还需要复杂的控制功能，也需要增加单灯控制器，原理与前述DC/DC驱动电源相同。在上述模块化AC/DC驱动电源实现原理基础上，同样可以实现横系列、纵系列、全系列、跨系列的模块化设计。

图2-19 模块化AC/DC驱动电源的实现原理框图

2.4.3 LED驱动电源的模块化设计流程

在前面LED驱动电源模块化的基础上，整个电源的设计流程如下。

1.明确LED驱动电源的技术要求

首先，根据LED灯具应用场合确定需要哪些功能，如输出恒压/恒流/复合控制、保护、EMC、安全防护、调光、自动控制等；其次，根据应用情况确定性能指标：根据应用场所供电条件，确定电源输入条件，包括交流还是直流，输入电压额定值及其范围，输入电流限制，输入电压的频率及其范围，输入纹波，要求的功率因数限值等；根据灯具LED负载的串并联情况，确定输出技术指标，包括输出电压、输出电流及其精度要求，输出纹波，效率等；根据使用国家及地区确定安规要求和EMC要求；还需根据使用环境确定工作温度及其他要求；最终形成完整的电源设计技术要求。

2.总体方案设计

首先，根据驱动电源的功能要求和技术指标，确定驱动电路的总体架构，如是AC/DC还是DC/DC型主电路、电路采用单级还是多级变换、单路还是多路输出、恒压还是恒流输出；然后，综合考虑多个技术指标，选择主拓扑电路；基于主拓扑电路选择适用的电源控制芯片；最后，在上述电路框架下，根据功能要求补充其他必选功能模块和可选功能模块，形成完整的驱动电源方案。

3.电路原理设计及参数设计

根据驱动电源总体方案，各功能模块选择合适的电路实现形式，并相互连接起来，即可设计出基本的原理电路；根据主要技术要求的设计参数，详细计算电路中各元器件的工作参数，据此确定各元器件的选型参数，如工作电压、电流、耐压值等，选择合适的元器件型号，最后设计出驱动电路原理图。

4.电路仿真

在电路仿真软件中输入原理图及元器件参数，按照额定工况及异常工况进行电路仿真，验证电路的正确性、合理性。如发现问题，返回步骤3进行参数修改，甚至返回步骤2进行总体方案修改。如果缺乏电源控制芯片的仿真模型，可以将其适当简化后自行搭建其电路模型。

5.PCB（印制电路板）设计

根据修正后的驱动电路原理图，进行PCB设计，设计时应注意布局、布线、接地、干扰等因素。

6.电路板制作及调试

根据设计的PCB图，制作电路板，采购元器件，完成电路板焊接。焊接好后，进行上电调试，按照先主要功能、后辅助功能的次序检验各功能是否正常。如部分功能不能正常工作，先检查电路供电、连接是否正常，其次重点检查该功能模块。

7.电路板测试与优化

电路板经功能检查正常后，进一步针对设计要求进行各性能指标的测试。如有的指标未达到设计要求，则需进行设计参数优化甚至总体方案优化。各项指标自测合格后，有时还需送第三方检测机构测试。

8.装配完成

测试合格后的电路板就可装入驱动电源壳体内或灯具壳体内，完成装配。如果装配有问题，则需进行电路板面积、体积的调整。

9.设计总结

最后要进行设计总结与文件归档，包括设计原理图、PCB图、BOM表、设计说明书、外部接线图、实验测试数据、第三方测试认证报告等。