一種線性恒流的LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

鐘龍平，馬智杰，徐欣歌，陳文薌

（廈門大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建 廈門 361005）

LED是冷光源，工作電壓低、光效高，被認(rèn)為是21世紀(jì)照明的新光源[1]。然而，目前LED照明設(shè)備沒有得到普及應(yīng)用的關(guān)鍵問題有兩個(gè)，一是價(jià)格偏高；二是控制電路不穩(wěn)定導(dǎo)致LED壽命大大降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前LED白光照明燈具出現(xiàn)的失效故障，70%左右是電源問題，20%左右是線路和結(jié)構(gòu)問題，只有不到10%是LED單管的本身質(zhì)量問題,所以電源管理方案的選擇對于節(jié)能而言也舉足輕重，這就要求在驅(qū)動電路設(shè)計(jì)中選擇最合適的AC-DC驅(qū)動器[2]。因此可靠、低成本的控制電路是LED照明推廣普及的前提。

由LED的電學(xué)特性可知，LED的平均正向電流隨著正向電壓的增大呈現(xiàn)大幅度的線性增長，LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動將引起LED電流的很大變化[3]，且電流對LED結(jié)溫影響很大，過大的電流很容易導(dǎo)致LED燈珠結(jié)溫升高而損壞。此外，由LED的光學(xué)特性可知隨著正向電流的增加，LED光通量隨之增大，即亮度增加。因此為了保持LED發(fā)光亮度的恒定，就要保證LED正向電流的穩(wěn)定。因此設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動電源對于LED照明燈具就顯得十分重要。

本文提出了一種LED線性恒流驅(qū)動電路，該電路具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小等特點(diǎn)，很適合做室內(nèi)照明LED燈具（如LED日光燈）的驅(qū)動電源。

1 LED線性恒流驅(qū)動電路

LED燈在使用時(shí)需要多顆燈珠串聯(lián)或者并聯(lián)起來才能工作，采用并聯(lián)方式驅(qū)動多只LED雖然所需的電壓較低，但由于每只LED的正向壓降不同，使得每只LED的亮度不同，除非采用單獨(dú)的調(diào)節(jié)的方式來保證每只LED有相同的亮度[4]。所以并聯(lián)方式要保證亮度均勻一致，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。而采用串聯(lián)方式能夠保證流過每只LED的電流相同，亮度一致，是目前常用的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)采用串聯(lián)型的驅(qū)動方式時(shí)，如果其中一個(gè)或幾個(gè)LED發(fā)生故障而斷路（短路對電路影響較小可忽略），會使電路發(fā)生斷路而不能正常工作。為了避免此缺陷，可在每個(gè)LED兩端反向并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管（如圖1所示），當(dāng)某個(gè)LED燈珠發(fā)生斷路時(shí)，其并聯(lián)的穩(wěn)壓管投入工作，保證了串聯(lián)燈珠電流不變。要注意的是，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值要比LED的導(dǎo)通電壓要高，否則并聯(lián)的穩(wěn)壓管會分流掉一部分電流而使LED將變暗甚至不亮。

圖1 LED串聯(lián)驅(qū)動電路Fig.1 LED drive circuit with series

本文采用串聯(lián)驅(qū)動方式，其LED線性恒流控制電路如圖2所示。

圖2 LED恒流控制電路Fig.2LEDconstant-current control circuit

下面，進(jìn)行線性恒流源電路的工作原理分析，電路采用互補(bǔ)型兩端恒流源結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 互補(bǔ)型兩端恒流源電路Fig.3 Complementary constant current source circuit with two terminals

晶體管VQ1，穩(wěn)壓管VZ1和R1構(gòu)成一個(gè)恒流源，此恒流源給穩(wěn)壓管Z2提供穩(wěn)定的工作電流，而晶體管VQ2，穩(wěn)壓管VZ2和R2構(gòu)成另一個(gè)恒流源共給穩(wěn)壓管VZ1穩(wěn)定的工作電流。由于兩個(gè)恒流源互相穩(wěn)定對方的穩(wěn)壓管工作點(diǎn)，使穩(wěn)定電壓和VZ2以及流過該恒流單元的總電流均不再變化[5]，因此可以保證流過LED的工作電流的恒定。

圖中各電流與電壓之間關(guān)系如下：

我們采用的LED燈珠是0.06 W的LED，工作電流為20 mA，為了設(shè)計(jì)方便，選用的電路元器件是完全對稱的，參數(shù)分別為：

R1=R2=R=130 Ω，UZ1=UZ2=UZ=2 V，Ube1=Ube2=Ube=0.7 V，

流經(jīng)LED的工作總電流ILED為：

恒流源電路提供工作電流為20 mA，滿足所用燈珠要求。

2 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測試接線如圖2所示，通過調(diào)節(jié)自耦變壓器改變電壓以模擬電網(wǎng)電壓的變化。通過模擬電網(wǎng)電壓的波動，測試此恒流控制電路在實(shí)際電網(wǎng)中的工作特性，觀察LED的工作電流是否會隨著外部電壓的波動而發(fā)生大的波動，并對此電路在不同電壓下的效率和LED的結(jié)溫進(jìn)行了實(shí)際的測試。

2.1 LED正向電流隨輸入電壓變化的特性

圖4是LED燈珠串工作電流與電源電壓關(guān)系曲線。

圖4 電源電壓與LED電流的關(guān)系曲線Fig.4 Supply voltage-LED current curve

當(dāng)電源電壓Ui從220 V增大到250 V時(shí)，整流后的直流電壓由310 V變?yōu)?50 V，而LED燈珠串的工作電流If從20 mA變化到21.5 mA，只變化了1.5 mA。因此可以看出，電路有很好的恒流效果，保證了LED日光燈亮度的基本穩(wěn)定。

2.2 輸入電壓變化對驅(qū)動電路參數(shù)的影響

圖5、圖6是隨著輸入電壓變化，加在LED工作電路上的直流電壓與加在LED燈珠串上的電壓及恒流源承擔(dān)電壓的變化情況。從圖5、圖6可以看到，輸入電壓經(jīng)整流后，形成的直流電壓由LED燈珠串與線性恒流源分壓，LED燈珠串上的分壓越多，表明輸入電壓的效率越高，因此通過圖6的分析，可看出本LED驅(qū)動電路的電源效率較高。

圖5 輸入電壓Ui（AC）變化對電路的影響Fig.5 Impact of changes in input voltage on circuit

圖6 輸入電壓Ui（AC）變化與電源效率的關(guān)系Fig.6 Relationship between changes in input voltage and power efficiency

從圖5可以看出，當(dāng)電源輸入電壓在200～220 V區(qū)間時(shí)，通過整流濾波后的直流電壓Ui（DC）大部分都加載在LED的兩端，而恒流控制電路分壓較小；從圖6也可以看出電源輸入電壓小于或等于220 V，電源效率較高，220 V時(shí)可達(dá)到98.31%。

當(dāng)電源輸入電壓Ui（AC）高于220 V時(shí)，隨著輸入電壓增加，LED兩端的電壓U（led）基本不變（291 V左右），輸入電壓增加的部分基本上由恒流控制電路的電壓U（恒）承擔(dān)，這保證了單個(gè)LED的正向電壓基本不變（3.1 V），處于恒功率工作狀態(tài)，電流及發(fā)光量維持了穩(wěn)定。

2.3 輸入電壓變化對LED結(jié)溫的影響

LED的光衰與結(jié)溫有很大關(guān)系，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)正向電壓下降，結(jié)電壓下降導(dǎo)致電流增大，增大的電流反過來又引起結(jié)電壓下降，形成一個(gè)惡性循環(huán)。結(jié)溫是光衰的一個(gè)重要原因，結(jié)溫越高越早出現(xiàn)光衰，壽命越短。因此結(jié)溫的變化也是考察一個(gè)驅(qū)動電路的重要指標(biāo)，這里采用了文獻(xiàn)[6]的方法測量結(jié)溫：

其中， Tj（LED）是 LED 結(jié)溫，T0是測試的環(huán)境溫度（20 ℃），V0是LED的初始正向電壓，VT是LED的熱平衡后的正向電壓（1小時(shí)后測定），K是 LED的溫度系數(shù)（－2 mV/℃），具體測量是改變輸入電壓，在不同輸入電壓下，先讓LED燈充分冷卻，測量 LED 兩端總電壓，該電壓為 U（led初），過 1個(gè)小時(shí)，在相同輸入電壓的條件下再次測量LED總電壓，該電壓為U（led末），將U（led初）除總LED個(gè)數(shù)即可得到單個(gè)LED的初始正向電壓VT，將 U（led末）除總 LED個(gè)數(shù)即可得到單個(gè)LED的熱平衡后的正向電壓V0，帶入公式（2）求得LED的結(jié)溫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 不同輸入電壓下LED電壓變化Fig.7 LED voltage changes under different input voltage

圖8 不同輸入電壓下LED結(jié)溫的變化Fig.8 LED junction temperature changes under different input voltage

從圖 7、圖 8可以看出，電源輸入電壓 Ui（AC）不同，但LED兩端的電壓基本保持不變，過一個(gè)小時(shí)其電壓變化量也很小，且在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)結(jié)溫低低，單個(gè)LED的結(jié)溫基本不變或微小變化，所以此恒流源控制電路能保證LED的結(jié)溫基本穩(wěn)定且較小，可以減少光衰，有效提高LED日光燈的使用壽命。

3 結(jié)論

本文給出的電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，創(chuàng)新之處在于把互補(bǔ)恒流電路應(yīng)用LED的恒流驅(qū)動電路中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路在輸入200～250 V變化的情況下，驅(qū)動電流變化僅為1.5 mA，LED結(jié)溫低于37℃。這是影響LED燈珠工作最突出的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，表明該電路能夠?yàn)長ED[7]提供一個(gè)良好的工作條件。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電路在正常市電供電情況下（220 V）有很高的電源效率。該電路已用在1.2 m LED日光燈管上，使用效果良好，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意根據(jù)具體電路的工作電流來進(jìn)行電路參數(shù)的匹配。

[1] 易安.半導(dǎo)體照明21世紀(jì)的節(jié)能新光源[J].中國創(chuàng)業(yè)投資與高科技，2004（8）：28－30.YI An.Semiconductor lighting new energy-saving light sources in 21st century [J].China’s Venture Capital and High Technology,2004 （8） :28－30.

[2] 半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展須關(guān)注一個(gè)重點(diǎn)[J].電源世界,2009（10）：8.A focus of concern on semiconductor lighting industry[J].The power in the world,2009 （10）：8.

[3] 馮勇，楊旭.白光LED可控恒流源驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣開關(guān).2008（4）：29－31.FENG Yong,YANG Xu.The design of the white LED constant current power system control[J].Electrical switch，2008 （4）:29－31.

[4] 馮瑋.白光LED驅(qū)動技術(shù)[J].現(xiàn)代顯示， 2008（83）：39－42.FENG Wei.The technology of the white LED driver[J].Modern display ，2008 （83）:39－42.

[5] 陳凱良,竺樹聲.恒流源及其應(yīng)用電路[M].浙江：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

[6] Xi Y，Schubert E F.Junction-temperature measurement in GaN ultraviolet light-emitting diodes using diode forward voltage method [J].Applied Physics Letters， 2004，85（12）:2163－2165.

[7] 毛敏.基于Protues的16×32點(diǎn)陣LED漢字顯示屏的開發(fā)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2010（5）:96－98.MAO Min.16×32 LED display characters based on Protues[J].Industrial Instrumentation&Automation,2010（5）:96－98.