LED

LED是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件，它的半导体属性可最大限度地突显智能照明的优势，满足消费者对调光、调色、远程控制、可扩展性等全方位的照明需求。由于LED灯的能源效率更高，因此，LED灯泡和灯圈拥有比传统白炽灯更长的寿命，这也是在市场上LED灯能够迅速取代白炽灯和荧光灯光源的重要原因。2010年后，在政策支持和技术进步的双重加持下，LED照明产业链发展提速，行业应用也呈现出高速成长态势。

刚需的LED照明市场潜力巨大

从应用场景看，家居照明、工业照明、户外照明、办公照明、店铺零售照明、教育照明等是LED照明的主要应用场景。

IHS数据显示，2018年，家居照明的市场规模约为117.10亿美元，占比22.07%，户外照明和工业照明是第二大和第三大应用领域，分别占比18.23%和17.85%。此外，办公照明、店铺零售照明及教育照明的规模占比在6.50%-10%之间。

预计未来一段时间家居照明仍将是LED照明最大的应用场景，市场规模将在2025年达到312.45亿美元，占比接近25%。教育照明则是增速最快的细分应用类别，预计市场规模将由2018年的34.60亿美元增加至2025年的108.16亿美元，年复合增速达到17.68%。

现在，LED照明产品已成为人们生产生活的必需品，在市场上属于刚需产品。目前，中国是世界上最大的LED照明市场，2018年度占据了全球26.48%的市场规模。根据前瞻产业研究院预计，2022年中国智能照明行业市场规模将达431亿元，年增长率在23%左右，市场潜力巨大。

LED驱动IC选型的关键七要素

在LED照明系统中，LED驱动电源是影响性能的一个关键因素。LED驱动电源主要有三大类：一是开关恒流源，二是线性IC电源，三是阻容降压电源。

开关恒流源：通过变压器将高压转换为低压，然后进行整流滤波，最终输出稳定的低压直流电。开关恒流源技术成熟，性能稳定，是市场上LED照明的主流驱动产品。

线性IC电源：采用一个IC或多个IC来分配电压，不需要电解电容，元器件种类少，优点是功率因数和电源效率高，且寿命长、成本低。

阻容降压电源：通过电容的充放电来提供驱动电流，虽然这是最基本的LED驱动电路，但在实际应用中最不实用，尤其是在汽车应用中，因汽车电池容易出现波动，哪怕是电池电量的微小变化都会导致LED消耗更多电流，并可能损坏。

相较于传统的照明产品，LED照明产品不仅电光转换效率高，使用寿命大幅超过白炽灯、节能灯等传统照明产品，其应用场景也较为丰富，一体化设计的LED灯具通常更容易与周边环境融合，更符合目前消费者日益多元化、时尚化、个性化的需求。LED驱动IC是LED照明灯节能与长寿命的关键因素，因此，正确选取LED驱动IC很重要。

市场上的LED驱动IC、LED灯具种类繁多，在选择的过程中最应该看重哪些参数和特性呢？

1、瓦数

所谓的瓦数实际上就是指电源的功率。如果在一个驱动电源上连接多个LED灯，则必须算出所用的总功率，同时还要注意给自己留出20%的功率余量，并据此找到一个电源额定功率符合要求的LED驱动IC。例如，我们有4个LED条，每个条大约12瓦，那么，系统的总瓦数应该在48瓦左右，加上20%的余量，所需电源功率为48 x 1.2=57.6瓦。因此，一个≥60瓦的LED驱动电源就足够这个项目使用了。

2、电压/电流

当安装一个LED设备或更换坏的电源时，验证输出电压是否与LED电压兼容是很重要的。带有内置电流调节器的LED产品通常都会说明应该使用什么样的输入电压。例如，LED柔性条大多使用12V电源。另一个常见的应用是使用大功率LED和需要直流电压输入的恒流驱动器。每个LED灯的电压约为3.1伏，如果有6个LED灯，那么这个串联电路中的总电压就是18.6VDC，选择LED驱动电源时，它的输出至少要达到24VDC。

大多数LED需要一个限流装置（无论是驱动器还是电阻器）来防止LED被过度驱动。这种恒流驱动器或限流电阻器用于调节LED的电流，保持LED的安全运行并延长其使用寿命。因此，在选择LED驱动电源时还需查看一下是否内置了限流装置。

3、调光

如果我们使用的LED灯是可调光的，就必须选择具有调光功能的电源。LED可调光驱动电源主要有两种控制类型：

一类是PWM调光：也称为脉宽调制调光。普通照明用LED驱动电源大多采用基于PWM控制器的反激式变换器电路拓扑。PWM调光器实际上以高频脉冲调光，以改变肉眼对光的感知，频率越高，灯光越亮。由于从处理器到被控系统都是数字信号，因此PWM调光器的噪声很小。

另一类是TRIAC调光（双向晶闸管调光）：TRIAC是一种双向半导体电源开关，由可变定时电路生成的脉冲触发，并在传导电流高于保持电流时维持导通。要想通过基于TRIAC调光器实现LED调光，还须额外添加一些元器件达到稳定的调光，并根据调光器相位角来调节输出电流。

4、温度

在选择LED驱动IC时，一个不容忽视的因素就是它的使用环境。如果在温度参数范围内使用，LED驱动电源的工作效率最高。因此，所选的LED驱动IC必须工作在安全温度范围内。

5、效率

电源的效率决定了LED发光的实际功率大小。电源的效率百分比越高，最终节省的电能就越多。对于LED照明来讲，最好选择效率为80%或更高的驱动IC。

6、尺寸

LED项目选择电源时，了解电源的安装位置非常重要，足够小的LED驱动IC尺寸更能适应各种项目应用。

7、EMI特性都

LED驱动IC的抗EMI能力关系到整个LED灯具能否顺利通过CE、UL等认证，这一点也需要特别关注。

几个实用的LED驱动方案

伴随着LED市场的发展，各家技术厂商也在持续推出适应不同应用场景的LED驱动解决方案，我们今天就为大家推荐几款。

英飞凌数字控制LED驱动方案

在智能照明产品中，电源驱动对整个系统的寿命和稳定性有很大影响。英飞凌数字控制LED驱动方案带有通信功能，其LED驱动芯片XDPL8221具备诸多高级功能，可实现恒压、恒流和恒功率控制，运行参数可通过GUI配置，工程师们能便捷地设计多功能和高性能的LED驱动器。

XDPL8221的效率高，该驱动IC支持100VAC~277VAC或127VDC~430VDC的较宽输入电压范围。芯片内置的数字控制系统会根据输入和负载情况，在准谐振、不连续导通（DCM）或主动突发模式（Active Burst Mode）之间进行切换，以实现最佳的运行模式。此外，XDPL8221可实现低至1%的无频闪调光，同时对电流的调节仍能确保高精度。关灯后，系统处于小于100mW的较低待机功耗。XDPL8221通过UART接口提供LED驱动的运行状态信息，是智能照明系统LED驱动的理想选择。

今年6月3日，OSRAM与英飞凌共同宣布，双方通过合作把NFC编程与LED智能照明方案结合在一起，在OSRAM最新的OPTOTRONIC FIT产品中融入英飞凌具备PWM调光功能的NLM0011和NLM0010双模NFC无线配置IC，赋予了LED灯具配置更多弹性。NFC编程是一项新兴的技术，通过非接触式NFC接口可取代耗时的电阻器设置技术。内置的光衰补偿（CLO）功能还能在灯具使用期间保持固定的流明输出，从而延长灯具使用寿命。

Littelfuse带PFC控制的高压可调光LED驱动器

Littelfuse公司的IX9908是一款准谐振控制器，专为相位可调光的离线LED应用而优化。

IX9908的工作范围广，电压最高可达600V，且功耗很低。多重安全功能确保在故障情况下提供完整的系统保护。IX9908以其强大的功能集和低成本，成为了准谐振反激式LED灯泡设计的理想选择。IX9908还集成了一个高压启动单元。在操作的通电阶段，该电池提供恒定电流为VCC电容器（CVCC）充电。

Texas Instruments高功率密度汽车LED驱动器

Texas Instruments公司的TPS92520-Q1是一款单片双路同步降压LED驱动器，具有4.5V至65V宽工作输入电压范围，可独立为两串串联的LED供电。该芯片具有自适应导通时间平均电流模式控制功能，经设计可与分流FET调光技术和基于LED矩阵管理器的动态光束前照灯兼容。

自适应导通时间控制功能可提供近乎恒定的开关频率，频率设置范围为100kHz至2.2MHz。电感器电流感应和闭环反馈功能可在输入、输出和环境温度范围内实现±4%以上的精度。TPS92520-Q1可使用模拟调光或PWM调光技术来单独调制LED电流。通过SPI对10位IADJ数值进行编程可获得高于20:1的线性模拟调光响应。

罗姆车载LED驱动器

ROHM的BD18337EFV-M是一款4通道线性车载LED驱动器，可通过1个引脚控制多个输出的热分散。这样不仅可显著减少部件数量和安装面积，还非常有助于平台化扩展机型的汽车LED灯驱动模块电路板的通用化设计。此驱动器可用于车后灯（刹车灯、尾灯）、雾灯、转向灯、牌照灯、日间行车灯等汽车和摩托车领域的众多LED灯驱动。

此产品内置LED开路检测功能、OUTx（x=1~4）引脚输出接地故障保护功能、过电压静音功能及热关断功能，可实现高可靠性。

结语

LED正迅速成为照明技术的首选，并将继续取代荧光灯和白炽灯配件。根据Technavio的最新市场报告，2018年至2022年，全球LED市场规模将增长239.8亿美元。预计在此期间，市场增长将以近16%的复合年增长率加速，推动全球LED照明市场增长的关键因素之一是LED制造成本的下降。

随着LED照明市场的不断发展，越来越多的智能照明系统公司致力于提供以人为中心的照明解决方案。只有选择一款合适的LED驱动电源才能真正实现以人为中心的照明，届时，人们可以在一天中调整光线的颜色和强度，从而创造一个昼夜节律友好的照明序列，从而改善情绪，提高个人生产力。

1、芯片发热

这主要针对内置电源调制器的高压驱动芯片。假如芯片消耗的电流为2mA，300V的电压加在芯片上面，芯片的功耗为0.6W，当然会引起芯片的发热。驱动芯片的最大电流来自于驱动功率MOS管的消耗，简单的计算公式为I=cvf。

考虑充电的电阻效益，实际I=2cvf，其中c为功率MOS管的cgs电容，v为功率管导通时的gate电压，所以为了降低芯片的功耗，必须想办法降低c、v、f。如果c、v、f不能改变，那么请想办法将芯片的功耗分到芯片外的器件。注意不要引入额外的功耗。再简单一点，就是考虑更好的散热吧。

2、功率管发热

功率管的功耗分成两部分，开关损耗和导通损耗。要注意，大多数场合特别是LED市电驱动应用，开关损害要远大于导通损耗。开关损耗与功率管的cgd和cgs以及芯片的驱动能力和工作频率有关，所以要解决功率管的发热可以从以下几个方面解决：

1：

不能片面根据导通电阻大小来选择MOS功率管，因为内阻越小，cgs和cgd电容越大。

如1N60的cgs为250pF左右，2N60的cgs为350pF左右，5N60的cgs为1200pF左右，差别太大了，选择功率管时，够用就可以了。

2：

剩下的就是频率和芯片驱动能力了，这里只谈频率的影响。频率与导通损耗也成正比，所以功率管发热时，首先要想想是不是频率选择的有点高。想办法降低频率吧！

不过要注意，当频率降低时，为了得到相同的负载能力，峰值电流必然要变大或者电感也变大，这都有可能导致电感进入饱和区域。如果电感饱和电流够大，可以考虑将CCM（连续电流模式）改变成DCM（非连续电流模式），这样就需要增加一个负载电容了。

3、工作频率降频

这个也是用户在调试过程中比较常见的现象，降频主要由两个方面导致。输入电压和负载电压的比例小、系统干扰大。对于前者，注意不要将负载电压设置的太高，虽然负载电压高，效率会高点。对于后者，可以尝试以下几个方面：

1.将最小电流设置的再小点;
2.布线干净点，特别是sense这个关键路径;
3.将电感选择的小点或者选用闭合磁路的电感;
4.加RC低通滤波吧，这个影响有点不好，C的一致性不好，偏差有点大，不过对于照明来说应该够了。

无论如何降频没有好处，只有坏处，所以一定要解决。

4、电感或变压器的选择

相同的驱动电路，用a生产的电感没有问题，用b生产的电感电流就变小了。遇到这种情况，要看看电感电流波形。有的工程师没有注意到这个现象，直接调节sense电阻或者工作频率达到需要的电流，这样做可能会严重影响LED的使用寿命。

所以说，在设计前，合理的计算是必须的，如果理论计算的参数和调试参数差的有点远，要考虑是否降频和变压器是否饱和。变压器饱和时，L会变小，导致传输delay引起的峰值电流增量急剧上升，那么LED的峰值电流也跟着增加。在平均电流不变的前提下，只能看着光衰了。

5、LED电流大小

大家都知道LED的ripple过大的话，LED寿命会受到影响，影响有多大，也没见过哪个专家说过。以前问过LED厂这个数据，他们说30%以内都可以接受，不过后来没有经过验证。建议还是尽量控制小点。如果散热解决的不好的话，LED一定要降额使用。也希望有专家能给个具体指标，要不然影响LED的推广。

开关式可调光LED驱动器具有显著的性能并可以精准控制LED电流，也具有调光功能，这使终端用户在降低功耗的同时制作很好的灯光效果。

8位微控制器可以提供必要的构件用来通信、定制和智能控制，核心独立外设集成比单纯的模拟或ASIC集成电路能提供更大的灵活性，并能改进扩大发光产品的产能并避免同质化。具有预测故障维修、能量监测、颜色和温度维修、远程通信控制的高级特性，这使得智能照明解决方案更具吸引力。

尽管LED驱动器比之前的照明方案提供很多优势，在实际应用中还存在一些小问题，通过本系列的文章我们将了解8位MCU如何消除这些小问题，从而制作出比之前的传统方案产能更大的高性能开关式LED驱动方案。

8位微控制器可以单独用来控制最多4个LED通道，这是现成的大多数LED驱动控制器所不具备的，在图1，LED调光引擎可以通过微控制器外设中制作出来，这些引擎有独立的闭流路来控制开关式功率变换器，带有最小化的CPU介入，这使得CPU可以专门运行其他重要任务比如监视功能、通信或其他的系统智能。

在图2，LED驱动器基于电流模式的升压转换器，由LED调光引擎控制，该引擎主要包括核心独立外设（CIP）比如互补输出发生器（COG）、数位讯号调变器（DSM）、比较器、可编程斜坡发生器（PRG）、运算放大器（OPA）、脉冲宽度调制器3（PWM3）。片上外设比如固定电压稳压器（FVR）、数字模拟转换器（DAC）、捕捉/比较/PMW（CCP）， 这些核心独立外设（CIP）与片上外设结合起来形成整个引擎。COG提供高频转换脉冲给MOSFET Q1用来对LED发光二极管串进行转能和供电，CCP设定COG输出的切换时间，占空比用来保持LED恒定电流并取决于比较器输出，当电压通过Rsense1超出PRG模块的输出时比较器产生输出脉冲，PRG的输入来自OPA在反馈电路的输出，当占空比大于50%时PRG作为斜坡补偿器而抵消固有的次谐波振荡。

带有Type II补偿器的运算放大器（OPA）模块作为带有误差信号放大器（EA），固定电压稳压器（FVR）作为数字模拟转换器（DAC）的输入提供参考电压给基于LED恒定电流参数的运算放大器（OPA）的同相输入。

为实现调光，脉冲宽度调制器3（PWM3）作为捕捉/比较/PMW（CCP）输出的调节器驱动MOSFET Q2快速开关LED ，调节可以通过数位讯号调变器（DSM）模块实现，调节的输出信号供给互补输出发生器（COG）。脉冲宽度调制器3（PWM3）提供带有可变占空比的脉冲控制驱动器的平均电流从而控制LED的亮度。

LED调光引擎除了实现传统的LED驱动控制器的功能，还可以解决LED驱动器产生的传统问题，现在我们来看如何使用LED调光引擎解决这些传统的问题。

闪烁变化可能是传统的开关式调光LED驱动器会产生的问题，闪烁变化要按照人们的需求进行，为避免闪烁变化而实现平稳的调光效果，驱动器必须将调光步骤伴随着连续流动的效果从100%的高光水平一直降到低光水平，由于LED会瞬间响应电流的变化而没有阻尼效应，因此LED驱动器必须具有足够的调光步骤从而在视觉上察觉不到变化，为达到这种需求，LED调光引擎采用脉冲宽度调制器3（PWM3）控制LED的调光，脉冲宽度调制器3（PWM3）有16位的分辨率，占空比从100%到0有65536个步骤，这保证了光水平的平稳过渡。

LED色温变化

LED驱动器也可以调节LED的色温，这种颜色变化可以被人们察觉并衰减LED的高光补偿。图3是传统的脉冲宽度调制器（PWM）LED的调光波形，LED关闭时，LED的电流由于输出电容的迟缓放电而逐渐减小，这可以引起LED色温的变化和更高的功耗。

输出电容的迟缓放电可以使用负荷开关消除，比如在图2，电路使用Q2作为符合开关，LED调光引擎同时关闭互补输出发生器（COG）脉冲宽度调制器（PWM）的输出和Q2从而切断减幅电流使LED快速关闭。

电流调峰

当使用开关式整流器驱动LED时，反馈电路是用来配置LED电流，然而在调光时如果操作不当则反馈电路能产生电流调峰（见图3），再看图2，当LED开启时，电流被传输给LED，通过Rsense2的电压供给了误差信号放大器（EA）。当LED关闭时，没有电流传输给LED，Rsense2的电压变为0。在这个调光时的断电时间，误差信号放大器（EA）的输出增加到最大值并使误差信号放大器（EA）的补偿网络过度充电。当调节的PWM再次开启，在高峰值电流传输给LED使其恢复之前还需要几个周期，此电流调峰会缩短LED的使用寿命。

为避免这一问题，LED调光引擎允许PWM3作为运算放大器（OPA）的重写源，当PWM3出于低光水平时，误差信号放大器（EA）的输出是三态的，并完全断开了反馈回路的补偿网络并保留了稳定反馈的末点作为一次充电存储在补偿电容中，当PWM3处于高光水平并且LED再次开启时，补偿网络再次连接并且误差信号放大器（EA）的输出电压瞬间猛增到之前的稳定状态（在PWM3处于低光水平之前）并几乎立即存储LED当前的设定值。

完整解决方案

之前提到过LED调光引擎运行有最小化的CPU介入，所以，当关闭其他的任务只控制核心独立外设（CIP）的LED驱动器时，CPU还有很多的带宽去执行其他的重要任务。欠压锁定（UVLO）、过压锁定（OVLO）、输出电压保护（OOVP）等保护特性可以在处理传感的输入和输出电压时执行，这可以确保LED驱动器运行在需要的规格内并且可以保护LED免于异常的输入和输出情况。CPU也能处理传感器的热量数据来实现LED的热量管理，而且，当设置LED驱动器的调光水平时，CPU能处理来自简单外部开关的触发器或一个串行通信的指令。另外，LED驱动器的参数能通过监视或测试的串行通信被发送给外部设备。

除了以上提到的特性，设计者还可以使自己的LED应用更加智能，包括通信在内，类似DALI或DMX，并管理定制，图4是使用LED调光引擎的一个完整的开关式LED调光驱动器方案的样图。

总结

LED调光引擎能可用于制作有效的开关式LED调光驱动器，其效果等同于驱动多个LED串的性能，用来提供有效的能量源，确保LED的最佳性能，保持了LED的长使用期限，并使系统更智能。