LED电源基础知识解析

LED电源是电源中的一种，是向电子设备提供功率的装置，也是电源供应器。是通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置，这个装置就叫做整流电源，也叫驱动电源。把能提供信号的电子设备叫做信号源。锂电池、干电池、整流电源、信号源有时也叫做电源。电池分±级。

把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。

发电机能把机械能、化学能等转换成电能，干电池能把化学能转换成电能。

电池本身并不带电，它的两极分别有正负电荷，由正负电荷产生电压（电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的），电荷是广泛存在于导体中的导电的离子，要产生电流只需要加上电压即可。

当电池两极接上导体时为了产生电流而把电荷释放出去，当电荷散尽时干电池等叫做电源；通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。

LED电源是恒流源，一般开关电源是恒压源。

工作原理：LED对电源的供给有2个方面的要求，首先要求输出电压>LED的导通电压，其次是要求工作电流稳定，并且不能大于LED的额定电流。当LED的工作电流超过额定电流时，LED会很快出现衰老损坏。因此LED使用的电源必须具有恒流功能。

在设计LED用的开关电源，首先确定LED的电流，然后根据使用灯珠的串联数量来确定电源电压。设计时以电流作为主要工作参数，电压为辅助参数。其框图如下图所示：

电压

LED电源一般的工作电压为3.0～3.6V。有一些工作电压更低，如2.0、2.5、2.7V 等；也有一些 是1.2V常用工作电压为5V、12V、24V，还有少数15V 或28V 的特殊用途的电压源。

电流

从几毫安到几安都有，但是由于大多数嵌入式电子产品的工作电流小于300mA，所以30～300mA 的电源在品种及数量上占较大的比例。

尺寸

发展的便携式产品都采用贴片式器件，主要有SO封装、SOT-23 封装，μMAX 封装及封装尺寸最小的SC-70 及最新的SMD封装等，使电源占的空间越来越小。

措施

新型电源有完善的保护措施，这包括：输出过流限制、过热保护、过压保护、短路保护及电池极性接反保护。

耗电功能

新型电源的静态电流都较小，一般为几十μA 到几百μA。

个别微功耗的线性稳压器，其静态电流仅1.1μA。另外，不少电源IC 有关闭电源控制端功能（用电瓶来控制），在关闭电源状态时IC 自身耗电在1μA 左右。

由于它可使一部分电路不工作，可大大节省电能。

例如，在无线通信设备上，在发送状态时可关闭接收电路；在未接收到信号时可关闭显示电路等。

输出

不少便携式电子产品中有单片机，在电源因过热或电池低电压而使输出电压下降一定百分数时，电源有一个电源工作状态信号输给单片机，使单片机复位，利用这个信号也可以做成电源工作状态指示（当电池低电压时，有LED 显示）。

电压

一般的输出电压精度为±2～4%之间，有不少新型电源的精度可达±0.5～±1%；

并且输出电压温度系数较小，一般为±0.3～±0.5mV/℃，而有一些可达到±0.1mV/℃的水平。

线性调整率一般为0.05%～0.1%/V，有的可达0.01%/V；负载调整率一般为0.3～0.5%/mA，有的可达0.01%/mA。

电源

升压式DC/DC 变换器的效率高，但纹波及噪声电压较大，低压差；线性稳压器效率低，‘但噪声最小，这两者结合组成的双输出电源IC 可较好地解决效率及噪声的问题。例如，数字电路部分采用升压式DC/DC 变换器电源，而对噪声敏感的电路采用LDO 电源，这种电源有MAX710/711，MAX1705/1706 等。

另一种例子是电荷泵+LDO 组成，输出稳压的电荷泵电源IC，例如MAX868，它可输出0～-2VIN 可调的稳定电压，并可提供30mA 电流；MAX1673稳压型电荷泵电源IC 输出与VIN 相同的负压，输出电流可达120mA不等。

分类

1、按供电电压分：高压AC85-265、低压1.5-36V

2、按供电方式分：恒压源和恒流源之分。

3、按输入输出的隔离关系分：隔离电源和非隔离电源。

4、输入电压与输出电压的关系分：升压型、降压型、升降压型。等等

LED不能像传统光源那样直接使用供电电源，需要驱动电路将供电电源变换为直流电流才能工作。LED驱动电路的类型、结构与供电电源的类型有关，通常分为直流供电、交流供电两大类。

直流供电

指能直接提供直流电流的各种干电池、蓄电池和太阳能电池等，根据所提供的电源电压又可分为以下几种形式。

低电压驱动低电压驱动就是指用低于LED正向导通压降的电压驱动LED，如一节普通干电池或镍铬/镍氢电池，其正常供电电压为0.8～1.65V。低电压驱动LED需要把电压升高到足以使LED导通的电压值。对于LED这样的低功耗照明器件，这是一种常见的使用情况，如LED手电筒、LED应急灯、节能台灯等。由于受单节电池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比较高的变换效率。另外，考虑到有可能配合一节5号电池工作，还要有最小的体积，其最佳技术方案是电荷泵式升压变换器。

过渡电压驱动过渡电压驱动是指给LED供电的电源电压值在LED管压降附近变动，这个电压有时可能略高于LED管压降，有时可能略低于LED管压降。如一节锂电池或者两节串联的铅酸电池，满电时电压在4V以上，电快用完时电压在3V以下。用这类电源供电的典型应用有LED矿灯等。过渡电压驱动LED的电源变换电路既要解决升压问题又要解决降压问题，为了配合一节锂电池工作，也需要有尽可能小的体积和尽量低的成本。一般情况下功率也不大，其最高性价比的电路结构是反极性电荷泵式变换器。

高电压驱动高电压驱动是指给LED供电的电压值始终高于LED管压降，如6V、12V、24V蓄电池，典型应用有太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统等。高电压驱动LED要解决降压问题，由于高电压驱动一般是由普通蓄电池供电，会用到比较大的功率（如机动车照明和信号灯光），应该有尽量低的成本。变换器的最佳电路结构是串联开关降压电路。交流供电（市电驱动），这是一种对LED照明应用最有价值的供电方式，是半导体照明普及应用必须要解决好的问题，交流供电（市电驱动）应用于LED驱动，一般要经过降压、整流、滤波、稳压（或稳流）等环节，使交流电源转换为直流电源，然后通过适当的驱动电路为LED提供合适的工作电流，还要有比较高的变换效率、有较小的体积和较低的成本。另外，还应该解决安全隔离问题。考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因数问题。对中小功率的LED，其最佳电路结构是隔离式单端反激变换器。对于大功率的应用，应该使用桥式变换电路。

电源寿命

LED芯片和电源装在一起，一般空间狭小，散热条件差，如何保证LED电源质量和寿命，就要从设计前就开端思忖，从而避免LED电源很快失效，可以说LED电源寿命是制约着LED发展的关键。

这是一下需要系统设计和考虑的综合问题。

我们认为影响LED电源寿命的性能包括环境特征，部件和电力待征，综合有以下方面：

1、实际应用环境的影响：高湿环境、高温环境、多尘环境、强磁环境、震动环境

2、灯饰温度环境的影响：灯饰内温小于65度、灯饰外壳小于75度、电源温度小于60度

3、供电电网的影响：不稳定电网的电压输入会对LED电源的部件造成冲击，从而影响LED驱动的使用寿命脉。

4、绝缘和安装的影响：产品的正确安装和良好的绝缘会增强LED电源的应用力。

5、电解电容的影响：电解电容器的封口部位会漏出气化的电解液，这种现象会随着温度的升高而加速，一般认为温度每上升10℃，泄漏速度会提高至2倍。

因此可以说电解电容器决定了电源装置的寿命。

如果选用105度，寿命为10000小时的高温电解电容，根据通行的电解电容寿命估算公式“每降低10度，寿命增加一倍”，那么它为95度环境下工作寿命为20000小时，在85度环境下工作寿命为40000小时。

LED驱动电源的正常工作寿命要取决于电源所使用的电解电容的寿命，电解电容的寿命又取决于电容本身的寿命及工作温度。

电容温度65℃时的寿命只能保证约8万小时；电容温度75℃时的寿命只能保证约4万小时；电容温度85℃时的寿命只能保证约2万小时；电容温度95℃时的寿命只能保证约1万小时；从以上的推算：电解电容温度每上升10℃，寿命将会减半。

6、开关次数的影响：多数电源设有电容器输入型的整流回路，在通入电源时，会产生浪涌电流，导致开关接点疲劳，引发接触电阻增大及吸附等问题。理论上认为，在电源期望寿命期间，开关的通断次数约有10000次。

7、冲击电流保护电阻、热敏功率电阻的影响：为抵搞电源通入时产生的冲击电流，通常电源的设计将电阻与SCR等元件并联起来使用。

电源通入时的电力峰值高达额定数值的数十倍至数百倍，结果导致电阻热疲劳，引起断路。处在相同情况下的热敏功率电阻器也会产生热疲劳现象。

隔离与非隔离

在一般的LED照明市场上，存在非隔离设计和隔离型驱动电源之分。

非隔离设计仅限于双绝缘产品，例如灯泡的替代产品，其中LED和整个产品都集成并密封在非导电塑料中，因此，最终用户并没有任何触电的危险。

二级产品都是隔离型的，价格相对比较昂贵，但在用户可以接触到LED和输出接线的地方（通常在LED照明和路灯照明应用的情况下），这种产品必不可少。

带隔离变压器或者电气隔离的LED驱动电源意味着LED可以直接用手接触而不会触电。

而无隔离变压器的LED驱动电源虽仍可以借助防护外壳实现部分机械绝缘，但此时的LED在工作时并不能直接接触。

绝缘型灯泡在今后将成为主流

物理设计决定着驱动器是隔离式还是非隔离式。

安全规则通常要求使用两个独立的隔离层。

设计师可以选择两种物理隔离层，即塑料散光罩和玻璃护罩，并使用非隔离式电源。如果物理隔离成本太高、存在机械困难或者吸收太多光，就必须在电源中解决电气隔离问题。

隔离式电源通常要比同等功率水平的非隔离式电源大一些。照明灯设计师必须在他们所设计的每款产品中进行大量的成本及设计优化工作。

由于适用于不同的应用，是采用隔离的绝缘变压器还是采用隔离的防护灯罩外壳，设计者在不同的角度考虑永远会有不同的见解。

通常，他们会从多方面去分析，例如成本与制造工艺、效率和体积、绝缘可靠性和安全规范的要求，等等。带变压器的驱动成本较高，但也相应让LED灯具变得更加实用，能够满足终端用户偶然接触LED的需要。当白炽灯玻璃外壳很容易被损坏时，一个E27型号的普通灯泡可被替换成为LED灯。

此外，在工业区或者是办公设备应用中的灯具并不需要接触到终端用户，如路灯和商场照明，这时的LED灯也确实需要隔离变压器。

作为一个让最终用户能安全使用的产品，一定会考虑绝缘与隔离的可靠性。

作为完整的产品，产品表面使用者能接触到的部分一定要经过隔离，不能让人触电。而从产品整个系统而言，隔离是不可避免的，区别只是设置隔离的位置不同。

有些设计者采用隔离的变压器设计，因此他们可以简化散热和灯罩的设计。如果用非隔离的驱动设计，在灯壳等结构上就必须考虑可靠的绝缘要求。因此作为电源驱动，隔离与非隔离的方案一直都同时存在。

中国LED驱动电源制造商们可能面对的主要挑战是找到低成本的AC/DC驱动器，从而满足在低成本电源系统中实现更严格的功率因子和效率表现。

未来，在空间受限且存在散热困难的系统（比如LED灯具）中使用高质量、高可靠性的电源，将不再免费。然而，在最终用户使用过许多某款寿命在10,000小时左右的灯泡之前，要想证明其质量高是相当困难的事情。

基于变压器的隔离型LED驱动电源将是主流

隔离和非隔离LED驱动电源方案各有优缺点。

业内人士认为，ClassII将是主流，因为它简化了LED散热问题。ClassI或II系统依赖接地系统，在大多数情况下，跟安装地点很有关系。

ClassII较常见，它要求双级或加强型隔离，也即需要变压器磁性绕组、绝缘带和物理隔绝。ClassI系统要求一个接地外壳和（或）机械障碍，而这时ClassII系统不需要的。

有好几个趋势正在推动LED照明市场的发展。首先是高亮度LED效率的不断改善和非常高效率的高可靠性恒流LED驱动电源的不断涌现，其次是全球立法禁止白炽灯照明（由于其低效率）和CFL节能灯的逐步淡出（如果打破的话，它会流出对环境有害的水银）。

这些因素综合起来正使得LED照明成为一个长期的发展趋势。

当然，低系统成本（包括LED、热管理系统和LED驱动器）永远是消费者广泛采用LED通用照明的推动力。

事实上，在很多LED照明产品中，失效是一个常见现象，大多数是因为电源的失效，而不是LED的失效。在设计层面上，必须变成系统热设计的专家。

LED提供高效率，但它们也比白炽灯或节能灯产生更多的传导热量。

由于许多LED照明应用封闭在一个很小的空间里，很难用通风的办法来散热。

如果没有仔细的热设计，LED和电源驱动电路很容易因为高温而退化或永久失效。

电路介绍

直通电路

半桥和全桥是开关电源常用的拓扑结构，“直通”对其有很大的威胁，直通是同一桥臂两只晶体管在同一时间内同时导通的现象。

在换流期，开关电源易受干扰而造成直通，过大的直通电流会损坏用于逆变的电力电子器件。一旦出现直通现象，须尽快检测到并立即关断驱动，以避免开关器件的PN结积累过大的热量而烧坏。

过流电路

当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时，会引起流过开关管的电流过大，使管子功耗增大、发热，若没有过流保护装置，大功率开关管就可能损坏； 调节电路失效还可能导致LED过流损坏。

过流保护一般通过取样电阻或霍尔传感器等来检测、比较，从而实现保护，但它们都有体积大和成本高的缺点。

过冲电路

稳流型开关电源在开机和关机时容易造成电流过冲，LED之类的负载对ms级的电流过冲都是不允许的，瞬间大电流的冲击有可能损坏LED器件。

过压电路

稳流型电源若负载发生断路，电流检测电阻两端的电压下降到零，一旦给定值不为零，调节器会使得输出电压急剧飙升至最大值，这对负载连接接触不良时是很危险的。

对LED、半导体制冷等负载来说，过压发生时，首要任务是保护负载，其次是保护开关功率管。

为解决以上问题，有两种保护方法同时使用，一是放置双向TVS来实现对瞬间冲击电压的防护。

辨别

1、驱动芯片：IC

驱动电源的核心就是IC，IC的好坏直接影响整个电源。

大厂的驱动IC，都是寻找大型的封装厂来封装的；而小厂的驱动IC技术是直接抄大厂的驱动设计方案找小型的封装厂来封装，无法正常保障整批IC的一致性和稳定性，从而导致驱动电源在使用一段时间后莫名其妙的失效。

所以LED电源上的IC，拒绝打磨，以便灯具厂家了解IC方案和核算驱动的成本，做到合理的价格采购电源产品。

2、变压器

控制芯片可视为电源的大脑中枢，而决定功率、耐温等是变压器。

变压器负责完成“交流电-磁能-直流电”，能量超载就会饱和炸机。

组成变压器的核心是磁芯和线包。

磁芯品质是变压器的核心，但是如同瓷器一般，极难辨别。

简易的外观辨别为：外观脆、密、亮，同时背面打磨气孔者为上品。

线包是由铜线绕组而成，使用铜线的品质是影响变压器的寿命的关键。

同样长度的铜包铝线材是纯铜线的1/4价格，由于成本压力导致的，往往变压器生产厂家就会参杂着铜包铝的线包的变压器在里面。

从而导致变压器温度升高的时候烧毁失效，导致电源和整灯失效。所以很多的灯具，特别的内置电源的灯具，往往会出货6个月左右出现炸机现象。

而怎么辨别这个铜线是纯铜线还是铜包铝呢？使用打火机点燃一下，快速烧断即为铜包铝。

也还可以测量线圈阻值来辨识。

3、电解电容和贴片陶瓷电容

其实输出电容的寿命对电源的寿命影响很大。

输出端有高达每秒6万次的开关频率，导致电容的寄生电阻发热加大，产生类似水垢的物质，最后电解液升温、爆浆。

推荐输出电解电容：采用LED专用电解，一般型号以L开头。

陶瓷电容：材质分为X7R，X5R和Y5V，而Y5V的实际容值仅能达到实际的1/10，标称容值仅指工作在0伏时。所以这个微小的贴片电阻，选项不良也会导致成本的价格差和极大缩短电源的寿命。

4、电源产品的电路设计和焊接工艺

设计优劣的判别：抛开专业的角度，可以通过一些直观的办法来分辨，如元件布局整齐、大方、有序、焊点亮净挺拔。

焊接工艺：手工焊接与波峰焊工艺，众所周知，机械化生产的波峰焊工艺品质肯定是好于手工焊接。辨别办法：背面是否有红胶。（锡膏工艺+焊接治具也可实现波峰焊，但是治具成本高）。

贴片的焊点检测仪器：AOI。

该设备可以检测出贴片过程中的虚焊、假焊、漏焊现象。

灯具在使用一段时间出现闪灯现象，基本上都是由于电源或者灯珠虚焊导致的。

而这个产品的虚焊检测，是极难通过老化检测的出来的，所以就必须依靠AOI来检测电源的贴片品质了。

5、电源产品的批量检测老化架和高温老化房

物料和生产工艺控制的再好的电源产品，还是需要检测老化的。

因为电子元器件和变压器的来料检测是很难管控的。

只有通过整个批次的电源的老化和高温房的高温抽检，来检测这个批次电源的品质稳定性和物料是否有安全隐患。

大批量高温抽检的作用：电源的失效是在千分之1至百分之1之间，只有数千只的高温老化才会发现这类失效。

高温房可模拟电源工作的恶劣环境，在加严条件下的抽检，可发现批量性问题，如设计不合理、原材料不良、推演灯具内的失效、高压开关冲击等。

常温长时间老化：筛选出虚焊、漏焊、碰撞等随机失效，滤除元件的早期失效，有效降低成品失效率（百分之一降至千分之一）。

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