【特约】LED驱动及控制研究新进展[2]

　　虽然无电解电容研究成果斐然，但值得讨论的是，是否LED驱动的长寿命必须依靠舍弃电解电容的应用而实现?从原理上而言，电解电容的失效的根本原因是电解液的挥发，而电解液的挥发速度是与温度密切相关的，遵循阿累尼乌斯定律。在工作范围内，期望寿命L的计算大致符合下式：

　　其中，为额定温度下的电容寿命， 和 分别为额定温度及实际使用温度。以常用于PFC输出的Rubycon公司BXC系列铝电解电容为例，标称105℃时的额定寿命为10000小时，如果将电容的工作温度限制在85℃，即可达到40000小时;如果进一步限制在75℃，即可达到80000小时，考虑到LED的光衰和产品更新需要，这样的寿命已经足够了。而随着材料科学的发展和科技的进步，电解电容的寿命会更长，可靠性会更高。

　　因此，新拓扑研究无可厚非，但仅仅因为电解电容可能的寿命问题就因噎废食，忽略其众多优点甚至将其抛弃，产生“闻电解电容而色变”的心理则是完全没有必要的。只要依靠良好的系统设计，完全可以在使用电解电容的应用中实现长寿命。

　　2.2 LED多路恒流/均流驱动研究

　　在大功率LED应用中，通常需要同时驱动若干路LED，如果将这几路LED简单地并联起来用单一恒流源进行驱动，由于LED节压降存在差异，会造成电流在几路LED间的分配不均。由于LED电流越大，结温相对越高，而LED节压降随结温升高而降低，这种正反馈会使电流分配情况进一步恶化，从而使某一路或几路LED电流过大而失效，进而引发连锁反应，影响到系统的寿命[32]。

　　因此，均流电路的存在则显得很有必要。根据均流方式的实现，可大致分为无源均流、有源均流及磁均流三大类[33][34][35]。

　　针对无源均流，以电容作为均流元件有简单、高效的特点，还可以在均流的同时起到隔离作用。文献[36][37][38]中分别介绍了使用电容作为均流元件的三种应用。而文献[39]中则提出了一种基于无源谐振恒流网络的多路均流方式，首先将PFC输出的直流电压通过DC/AC逆变器逆变为高频正弦交流，再通过无源谐振模块进行均流，美中不足的是逆变器效率不够高，会影响整体效率。

　　图13 三种利用电容作为均流元件的均流电路原理图

　　俞忆洁等提出了一种基于电容钳位的主动式均流电路[40]，令各LED支路串联的开关管轮流交错导通，利用各LED支路间跨接的钳位电容在一个周期内的电荷守恒，实现多路LED串的均流。

　　图14 基于电容钳位的主动式均流电路

　　在磁均流研究方面，文献[41]中介绍了一种集成于反激变换器的多路磁均流方案。通过磁路设计，使所有副边绕组两两之间都存在低磁阻磁回路，且副边绕组匝数相等，从而保证了副边绕组间的均流。原边绕组分散绕置在每个副边绕组上，从而更能减小漏感，改善均流效果。

　　图15 集成于反激变换器的多路磁均流电路

　　3. LED可控性相关研究进展

　　LED与传统光源相比，可控性强是其一大特点。从芯片角度而言，一方面，控制LED电流大小即可控制其发出的总光通量，从而实现模拟调光;另一方面，LED可以提供极快的响应速度，为PWM调光带来了可行性。在此基础上结合有线或无线控制装置，形成照明控制系统，则可进一步拓展LED的引用范围。

　　3.1 LED调光研究

　　PWM调光是LED应用最常用调光方法之一，但对于高功率因数反激等拓扑而言，由于存在固有的低带宽响应特征，如何兼容PWM调光成为一个需要解决的问题。David Gacio等在分析现有调光方法存在问题的基础上，提出了一种高速串联PWM调光方法[42]，将PWM调光频率控制在与开关频率相近的速度，在保证原有功率因数的前提下实现了10：1的调光比，并且避免了PWM调光带来的噪声问题，具有一定的应用意义。文献[43]则对传统的反激式驱动器进行了一定的变化，将开关管配置在变压器次级，通过双PWM调制，达到较为有效的调光效果，并保持了较高的效率。文献[44][45]中，对模拟和PWM调光进行了组合，并进行了相关的实验研究。

　　图16 高速串联PWM调光方案原理框图

　　图17 双PWM调制调光方案原理图

　　在传统照明时期，白炽灯、卤钨灯等灯具的调光需求催生出了相控调光器，主要分为可控硅调光(前沿相控方式)、MOS晶体管调光(后沿相控方式)及正弦波电压变换调光(SVC)。其中，最为广泛应用的为前沿相控方式，其工作原理在于用双向晶闸管(TRIAC)将市电正弦波的前沿斩断不同比例，改变输出电压的有效值，从而调节负载的功率。

　　近年来，由于对用LED替代传统可控硅调光灯具的需求日趋增长，相关研究也层出不穷。文献[46]中提出了一种基于反激式驱动器的控制模式，结合原边控制，实现了对可控硅调光的兼容。在此基础上，[47][48]等文献进行了进一步的研究和改善。

　　文献[49]中则针对AC LED提出了一种专用的调光器，通过MOSFET来进行切相和占空比调节，避免了复杂的设计和LED调光闪烁问题。

　　图18 AC LED专用调光器原理图

　　用LED灯具替代传统光源，对驱动设计主要存在的挑战有：

　　1) 传统白炽灯、卤钨灯光源为阻性负载，而LED驱动器一般为容性，可控硅导通时如果导通角接近90度，会产生较大的冲击电流，产生振荡，使可控硅无法正常工作，进而影响调光。这就要求LED驱动尽可能模拟阻性负载特性。

　　2) 传统光源由于光效低，功率较大，而等效光通输出的LED灯具功率要小得多。现有的可控硅调光器多为传统光源设计，普遍大于500W，其维持电流较高。当使用LED调光灯具替换时，可控硅导通后往往由于灯具功率过低，电流达不到其维持电流，重新关断或多次开通，影响调光。这就要求LED驱动有相应的功能，保证可控硅工作时保持导通。

　　3) 双向晶闸管两个方向的导通特性一般有一定差异，如果LED调光电路对晶闸管的特性过于敏感，可能造成每半个周期内功率输出差异，造成LED闪烁。这就要求LED驱动能够具有良好的鲁棒特性，保持输出的稳定性。

　　针对兼容性问题，NEMA SSL 6做出了对可控硅调光器及可调光LED灯具的调光性性能要求，市场上也推出了多款相关的专用芯片，如iW3610/3612、SSL2101、LM3445等。

　　3.2 LED智能照明控制系统研究

　　随着LED的广泛应用和物联网、云计算等新技术的不断涌现发展，LED被越来越多地与智能照明控制系统相结合，从更高层面满足现代社会人们越来越高的照明需求[50]。

　　以智能照明控制系统的控制信号载体分类，可以分为信号线型控制、电力线载波控制和无线网络控制等。其中，信号线控制型主要有DALI、DMX512等针对灯具的控制总线及i-Bus、C-Bus等系统总线。这方面技术较为成熟，主要以应用研究为主[51][52]。

　　电力线载波控制利用已有电线进行数据传输，无需重复布线，实现成本相对较低，目前对其在路灯领域的应用有相关的研究[53][54]。另外，对于城市家庭、办公室等场合，由于电网质量较好、所需传输距离短等有利条件，传输速率大于200Mbps的高速电力线适配器(俗称电力猫)已得到广泛应用，可能会成为LED照明控制系统室内控制方式的方向之一。

　　无线网络控制由于其结构灵活、无需布线等优点，近年来收到了大量的关注。GSM、GPRS、Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等技术都属于无线网络控制方式，也被广泛应用于各类照明控制系统中[55][56]。

　　LED智能照明控制系统的另一个研究方向是控制理论及控制方法。针对路灯控制，文献[57][58]中分别提出了基于模糊控制算法和整体性控制的理论，并进行了相关的分析和讨论。文献[59]中则讨论了应用自适应算法实现工作面恒照度及温度-色温可控的方式并进行了相关实验。

　　就LED智能照明控制系统的应用而言，调光应用应当是未来的一大技术点。这里的调光不仅仅指调节照度，还包括颜色、色温甚至光谱。由于LED的高度灵活性，结合智能控制系统的光谱组装技术可被广泛应用于农业照明、标准及计量、机器视觉、医疗和生理学及通用照明领域[60][61][62][63][64]，为照明领域带来革命性的变革。

　　4 结论

　　本文从拓扑结构、可靠性、可控性三个方面对目前LED驱动研究领域的一些新进展做了大致回顾，重点介绍了离线式开关驱动器、非开关驱动器、无电解电容驱动、LED多路恒流/均流、LED调光及LED智能照明控制系统等几个方面。随着LED芯片的光效越来越逼近理论极限，下一步LED应用领域竞争的技术焦点将逐步转移到驱动及控制方向，而这个方向也是和人类社会对生活的舒适性、可控性要求提升的大趋势相一致的。掌握驱动及控制技术的前沿技术，才能在这场竞争中赢得先机。

编辑：Cedar