一種新穎的大功率LED燈驅(qū)動電路

張 波 ，王恒智

（1. 蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104；2. 江蘇省光伏發(fā)電工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 蘇州 215104）

1 引言

LED被公認(rèn)為是綠色的第四代光源，是一種固體冷光源，具有高效、壽命長、安全環(huán)保、體積小、高可靠性、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點。目前達(dá)到同樣的照明效果，LED的耗電量大約是白熾燈的1/10，熒光燈的1/2[3]。很多國家和地區(qū)相繼出臺各種政策扶持LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以期該產(chǎn)業(yè)能夠成為國家重要產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，孕育著巨大的商機。LED驅(qū)動電路對LED來說至關(guān)重要，而LED調(diào)光控制可以節(jié)能，高亮度白光LED的驅(qū)動和調(diào)光是近年來研究的熱點。本文在這方面進行了研究，針對現(xiàn)有電路的不足，設(shè)計了一款新穎的帶有調(diào)光功能的LED燈驅(qū)動電路。

2 LED的特性

LED的理論光效為300 lm/W。目前實驗室水平達(dá)260 lm/W，市場化水平在120 lm/W以上。高亮度LED的一般導(dǎo)通電壓約為3.0～4.3V，其核心是PN結(jié)，其伏安特性與普通二極管相同。其電流電壓關(guān)系如式（1）：

式中，VF為二極管正向電壓，I0是反向飽和電流，為定值，q為電子電荷1.6×1019，k為波爾茲曼常數(shù)，大小為1.38×10-23，T是熱力學(xué)溫度，常數(shù)β近似取2。當(dāng)加在LED上的電壓小于其導(dǎo)通電壓時，LED上幾乎沒有電流通過。但當(dāng)LED導(dǎo)通后，其正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化，很小的電壓波動就會引起很大的電流變化。在導(dǎo)通區(qū)電壓從額定值的80%上升到100%時，電流則從其額定值的0%上升到100%。

圖1為某種LED相對光通量和其正向電流IF的關(guān)系，其他種類的大功率LED光通量與正向電流的關(guān)系與此雖有差異，但是差別非常小[1]。圖中可以看出，當(dāng)白光LED正向電流大于某一值時白光LED才能有效地發(fā)光，LED的光通量和其正向電流成正比的關(guān)系，因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發(fā)光亮度。LED若采用恒壓源驅(qū)動，很小的電壓變化將引起很大的電流變化，因此恒壓驅(qū)動只適用于要求不高的小功率場合下，在要求高的場合和大功率場合下LED都要采用恒流驅(qū)動。

研究表明，LED發(fā)光亮度隨工作時間下降，亮度下降后光效隨電流的增加而減少，LED的亮度與驅(qū)動電流成飽和關(guān)系。LED的電流達(dá)到其額定電流的70%～80%后，很大比例的電流轉(zhuǎn)化成了熱能，因此LED的驅(qū)動電流宜為工作電流額定電流的70%～80%[4]。

圖1 LED相對光通量與正向電流關(guān)系

3 LED驅(qū)動電路分類

3.1 電荷泵電路

電荷泵電路也是一種DC/DC變換電路。電荷泵電路利用電容對電荷的累積效應(yīng)儲存電能，把電容作用能量耦合元件，通過控制電力電子器件進行高頻的開關(guān)切換，在一個周期一部分時間內(nèi)讓電容儲能，在剩余時間內(nèi)電容釋放能量。這種電路是通過電容的充電和放電時的不同連接方式得到不同的輸出電壓，整個電路不需任何電感。

電荷泵電路相對來說體積較小，采用的元件較少，成本較低，但其所用的開關(guān)元件相對較多，輸入電壓一定的情況下，輸出電壓變化的范圍比較小，輸出電壓大都為輸入電壓的1/3～3倍，且電路功率較小，效率會隨輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系變化。多個LED時必須并聯(lián)驅(qū)動，為防止支路電流分布不均，必須采用鎮(zhèn)流電阻，這會使得系統(tǒng)效率大為降低。因此，電荷泵式驅(qū)動電路在大功率LED的照明驅(qū)動應(yīng)用中受到了限制，其多在小功率情況下使用。

3.2 開關(guān)電源電路

開關(guān)電源電路是一種依靠改變開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的時間比來改變輸出電壓大小的DC/DC變換電路[2]。從電路上看，和電荷泵電路相比它包含磁性元件，即電感或高頻變壓器。開關(guān)電源分為輸入輸出無隔離即“直通”型和輸入輸出隔離型兩種類型的DC/DC變換器。

“直通”型DC/DC變換器的典型電路有Buck型、Boost型、Buck-Boost式和Cuk型等幾種類型。

輸入與輸出有隔離型的DC/DC變換器的典型電路有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式等幾種類型。開關(guān)電源電路相對來說可實現(xiàn)大范圍的電壓輸出，且輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出功率大，因此適用范圍更廣，特別在中大功率場合下是首選。

3.3 線性電路

線性控制電路是把工作在線性區(qū)域的半導(dǎo)體功率器件看作動態(tài)電阻，通過對其控制級控制來實現(xiàn)恒流驅(qū)動。線性控制電路的缺點在于效率比較低，但其對輸入電壓和負(fù)載的變化有較快的響應(yīng)，電路相對較簡單，直接控制LED的電流，易于實現(xiàn)對電流的較高精度的控制。

4 新穎的驅(qū)動電路設(shè)計

開關(guān)電源反饋控制的實際是輸出電壓，對輸出電流控制不太容易做到精確，且單純開關(guān)電源控制有偏差時易損壞LED燈；線性電路效率不高。

基于以上原因，本文設(shè)計了一新穎的LED驅(qū)動電路，該電路以單端反激式開關(guān)電源作為前級控制，線性的壓控制恒流源作為控制的后級。市電經(jīng)單端反激式電源變換后可得到直流電壓輸出，該輸出作為后級的壓控制恒流源的輸入。由于壓控制恒流源的輸入電壓是由高效率的單反激式開關(guān)電源供電，壓控制恒流源精確控制LED的同時可在較大范圍改變其恒流源的輸入電壓，故效率和精度都有保證，且可由市電供電。同時，兩級控制不易損壞LED燈。

系統(tǒng)電路如圖2所示。圖中變壓器T1、開關(guān)管Q1、二極管D1和電容C1構(gòu)成單端反激式開關(guān)電源；運算放大器U1、U2和功率管Q2等器件構(gòu)成壓控制恒流源；單片機STC89C51為核心控制器件?；叶戎底兓瘯r，單片機根據(jù)其得到的灰度值產(chǎn)生一相應(yīng)的亮度控制電壓。亮度控制電壓加在U1的同相輸入端，U1的反向輸入端是經(jīng)U2得到的LED的電流信號，R12為電流檢測電阻。U1的輸出電壓即為MOS管Q2的控制電壓，由運算放大器虛短概念知，U1的反向輸入電壓要等于其正向輸入端上的電壓，也就是穩(wěn)定時R12上的電流受亮度控制電壓的控制，而不隨負(fù)載的變化而變化。單片機根據(jù)其得到的灰度值產(chǎn)生一相應(yīng)的亮度控制電壓的同時還產(chǎn)生一PWM信號，該PWM信號與 TL431上的信號相遇后去控制Q1的開關(guān)，然后單片機根據(jù)得到的LED電流信號，改變PWM信號的占空比，改變開關(guān)電源的輸出電壓，也即改變恒流源的輸入電壓使功率管Q2上的電壓減少，使其在輸出電流不變的情況下工作在可調(diào)電阻區(qū)或接近于可調(diào)電阻區(qū)，以提高效率。TL431是三端可調(diào)分流基準(zhǔn)，在這里TL431及其相應(yīng)電相的存在是為了限制開關(guān)電源的最高輸出電壓，進一步提高系統(tǒng)的安全性。

光線相對較好時，單片機根據(jù)得到的灰度值，控制其輸出的亮度控制電壓，使恒流源的輸出電流相對較小，可達(dá)到節(jié)能效果。圖2中單片機輸出的亮度控制電壓要經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換才能供給恒流源，圖2未畫出D/A部分。

圖2 新穎的大功率LED燈驅(qū)動電路

5 總結(jié)

驅(qū)動電路采用開關(guān)電源作為控制的第一級，壓控制恒流源作為控制的第二極，結(jié)合了二者優(yōu)點，效率和控制精度上都有保證，且可由市電直接供電，兩級驅(qū)動，安全性高，不易損壞價格較高的LED燈。實驗表明，該系統(tǒng)效率可達(dá)83%以上，功率和單端反激式開關(guān)電源相同，很值得推廣。

[1] 朱虹.LED照明驅(qū)動及自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)[D].上海大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[2] 張波，焦小芝. 基于SG3525A的半橋式開關(guān)電源[J]. 電子與封裝，2012, 12（6）∶ 18-20, 25.

[3] 黃天宏. LED照明技術(shù)的研究和設(shè)計實例[D]. 湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[4] 黎平，周雒維. 高亮度LED驅(qū)動器概述[J]. 電氣應(yīng)用，2007, 26（6）：6-10.