照明LED驅(qū)動(dòng)電路探討

周巨青

摘要： 對(duì)幾種照明LED驅(qū)動(dòng)電路作了比較和分析，論述了恒流驅(qū)動(dòng)的必要性。

關(guān)鍵詞：LED照明；恒流驅(qū)動(dòng)；離線(xiàn)驅(qū)動(dòng)；隔離式

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）34-0217-03

LED照明已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。LED照明燈具節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠、壽命長(zhǎng)、體積小，光效可達(dá)到50 ～200lm /W，在相同照明效果的情況下，耗電量遠(yuǎn)低于過(guò)去的普通照明燈。它不像熒光燈那樣含有有毒的汞，也沒(méi)有紫外線(xiàn)輻射。超高亮度LED的迅猛發(fā)展，使得LED照明的普及越來(lái)越近了。LED照明燈具將進(jìn)入普通家庭，成為一種廣泛使用的照明光源。

LED光源不同于其他光源的一個(gè)方面是驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究成為L(zhǎng)ED照明發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。恒流驅(qū)動(dòng)有其獨(dú)特的優(yōu)越性。

1 為什么要恒流驅(qū)動(dòng)

LED是一款典型的電流驅(qū)動(dòng)型器件。從以下幾個(gè)方面可以理解恒流驅(qū)動(dòng)的必要性。首先，由于 LED的非線(xiàn)性，其正向電壓微小的變化會(huì)引起正向電流很大的變化，甚至燒毀LED。如圖1為某1W的白光LED的伏—安特性：在線(xiàn)性區(qū)間電流隨電壓變化迅速導(dǎo)致亮度變化。而且白光LED在大電流下會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，溫度變化也會(huì)引起電流的變化，使燈具亮度不穩(wěn)?？梢?jiàn)，必須控制照明LED恒流工作才行。

采用照明LED恒流驅(qū)動(dòng)，可保證白光LED工作在其額定電流的范圍內(nèi)，提高白光LED工作的可靠性；可以獲得預(yù)期的白光LED工作電流的匹配度，使各白光LED的亮度和色度保持一致。為了實(shí)現(xiàn)較理想的驅(qū)動(dòng)效果，產(chǎn)生了不同的驅(qū)動(dòng)電路，其中離線(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)電路是其中的一類(lèi)。

2 照明LED驅(qū)動(dòng)電路探討

目前照明LED均采用直流驅(qū)動(dòng)，在市電與LED之間需要加一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電源，它的基本功能是把交流市電轉(zhuǎn)換成合適LED的直流電，同時(shí)進(jìn)行其他控制，如恒流驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)、調(diào)光等。照明LED 驅(qū)動(dòng)器必須提供最高效率以確保節(jié)省功率。出于安全考慮，可能需要提供電氣隔離。必須提供功率因數(shù)校正 （PFC） 和低諧波失真性能，以適用于多種應(yīng)用。在很多住宅應(yīng)用中，照明LED 驅(qū)動(dòng)器還必須提供用現(xiàn)有 TRIAC 調(diào)光器調(diào)光的能力，總體體積應(yīng)該適當(dāng)?shù)男。员惆惭b在有限的空間里。適當(dāng)?shù)牡统杀疽晕逃煤妥≌脩?hù)用 LED 燈更換現(xiàn)有照明燈。為了提高電源的效率，需要增加LED串中LED數(shù)目。如果做成LED燈具，就需要幾十只或更多LED。通常使用 “串并串”或“并串并”等交叉陣列形式以改善其可靠性。市電供電的LED驅(qū)動(dòng)電路有多種分類(lèi)方法。

1） 按照是不是恒流驅(qū)動(dòng)

分為穩(wěn)壓式和恒流式驅(qū)動(dòng)。恒流式驅(qū)動(dòng)電路符合LED 特性，能夠保證在一定的電壓變化范圍內(nèi)有恒流輸出。恒流電路不怕負(fù)載短路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全開(kāi)路。相對(duì)而言?xún)r(jià)格較高、LED數(shù)量受限。穩(wěn)壓式電路輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化，在開(kāi)路時(shí)保護(hù)性好但不能發(fā)生負(fù)載完全短路現(xiàn)象。

2） 按照燈具與市電是否隔離來(lái)分

隔離式開(kāi)關(guān)電源：通過(guò)脈沖變壓器傳輸能量，輸入輸出電氣隔離，使用光電耦合器進(jìn)行負(fù)反饋控制，因此認(rèn)為比較安全。電路形式有單端正激式、單端反激式、推挽式、全橋式、半橋式等。

隔離式開(kāi)關(guān)電源效率較高，一般可以做到70%～80%，應(yīng)用較廣。但是，由于其振蕩頻率是不連續(xù)，開(kāi)關(guān)頻率控制難度較大，輸出的電壓波紋系數(shù)比較大。PWM控制方式的開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定，效率極高，一般可以做到80%～90%以上，輸出電壓、電流穩(wěn)定。一般都有完善的保護(hù)措施，屬高可靠性電源。

非隔離式開(kāi)關(guān)電源的輸出端與輸入端電氣相通，觸及電路會(huì)有危險(xiǎn)。其結(jié)構(gòu)有串聯(lián)式結(jié)構(gòu)、并聯(lián)式結(jié)構(gòu)、極性反轉(zhuǎn)型變換器結(jié)構(gòu)等。一般認(rèn)為隔離型驅(qū)動(dòng)安全但效率較低，非隔離型驅(qū)動(dòng)效率較高，應(yīng)按實(shí)際使用的要求來(lái)選。

3） 按照PWM調(diào)節(jié)方式

大功率LED不適合采用線(xiàn)性手段來(lái)調(diào)節(jié)亮度，因此優(yōu)先選用PWM調(diào)節(jié)方式。主要方式有：①脈寬調(diào)制方式。②頻率調(diào)制方式。③位角調(diào)制方式。位角調(diào)制是采用一串含有二開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，是最昂貴及技術(shù)最復(fù)雜的LED電流控制方案。

4） 按照驅(qū)動(dòng)方式分為線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)

線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)是最為簡(jiǎn)單和直接的驅(qū)動(dòng)方式。但是在照明級(jí)白光LED應(yīng)用中存在著效率低、調(diào)節(jié)性差等問(wèn)題。

開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)方式主要分為降壓式、升壓式和升壓-降壓式等。

在電源電壓高于LED需要的端電壓時(shí)，可以采用降壓式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)。在電源電壓低于LED需要的電壓時(shí)可以采用升壓式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)。

5） 按照電路的基本結(jié)構(gòu)

可以分為電容降壓LED驅(qū)動(dòng)電路、變壓器降壓LED驅(qū)動(dòng)電路、線(xiàn)性電流源LED驅(qū)動(dòng)電路、高壓控制器LED驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路及帶隔離的開(kāi)關(guān)電源等。大多數(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電路都屬于降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC和反激式拓?fù)涞取?/p>

3 LED驅(qū)動(dòng)電路分析

3.1 電容降壓整流電路

這是非隔離式。由于LED的電壓低，如果LED串中二極管的數(shù)目有限，便需要串聯(lián)降壓電阻或降壓電容。電阻降壓在市電供電時(shí)也能見(jiàn)到，多用于指示電路。圖2電路中串聯(lián)電阻起限流作用。

電容降壓LED驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，其后可以安排線(xiàn)性電流源等用于驅(qū)動(dòng)LED。降壓電容為C1，R1為C1的泄放電阻。通過(guò)選擇合適的電容量，便可以適應(yīng)負(fù)載LED的需要。電容降壓電路簡(jiǎn)單，成本低廉，但是它不能實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電源電壓波動(dòng)時(shí)LED電流會(huì)隨之波動(dòng)，而且它效率很低，功率越大問(wèn)題越明顯。除了簡(jiǎn)單應(yīng)用外，一般不采用。

3.2 變壓器降壓整流電路

變壓器降壓LED驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。這是隔離式。一般地將電源用變壓器降壓、整流濾波后供給LED串。變壓器降壓LED驅(qū)動(dòng)電路的電源效率不高、電流穩(wěn)定性很差。endprint

在需要多個(gè)LED串并聯(lián)使用時(shí)，為了保證各個(gè)并聯(lián)分支LED亮度一致性，可以使用多個(gè)恒電流源，如圖5。相對(duì)比較而言，恒電流輸出模式比恒電壓模式更適合在照明領(lǐng)域中使用，無(wú)論在能量轉(zhuǎn)換效率、發(fā)光亮度穩(wěn)定性方面都更好些。

對(duì)于一些恒流驅(qū)動(dòng)電路，往往都要引入負(fù)反饋，構(gòu)成恒流源LED驅(qū)動(dòng)電路，使線(xiàn)性恒流源驅(qū)動(dòng)電路的電流穩(wěn)定度比前一個(gè)有了提升。它往往具有過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)、靈活的開(kāi)關(guān)及調(diào)光控制功能等，電路簡(jiǎn)單、實(shí)用。但是受器件功率限制，它并不適合大功率應(yīng)用。

使用低壓差新型線(xiàn)性電流源（LDO）可以進(jìn)一步提高電源效率。一些LDO的輸出電壓與輸入電壓的差值可以很小，可以達(dá)到0.1V甚至更低。因此它在便攜式電子產(chǎn)品中越來(lái)越受歡迎。

3.3 開(kāi)關(guān)型DC-DC變換器

PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓的基本原理是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，通過(guò)將被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較、閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定（即相應(yīng)穩(wěn)壓電源或恒流電源）。這種電源效率很高，一般可以做到80%～90%以上，輸出電壓、電流穩(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護(hù)措施，屬高可靠性電源。

（1） 變壓器降壓整流+DC-DC變換器

這是隔離式。變壓器降壓整流之后，可以連接電感降壓開(kāi)關(guān)變換器、電感升壓開(kāi)關(guān)變換器、電荷泵開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器或電感升壓-降壓開(kāi)關(guān)變換器等構(gòu)成LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)器具有更高的電源效率和控制靈活性。

①電荷泵驅(qū)動(dòng)電路：電容式電荷泵可以組成升壓式或降壓式結(jié)構(gòu)。電荷泵電路輸出電流受限制，電源效率也比電感升壓的要低，約為70%，LED 串?dāng)?shù)目也受限制。電荷泵型不但開(kāi)關(guān)數(shù)量多，而且沖擊電流較大。

②電感升壓型開(kāi)關(guān)變換器：一個(gè)實(shí)際電路如圖6。

它是由CAT37構(gòu)成的4只白光LED驅(qū)動(dòng)電路。CAT37的輸入電壓是2.5～7V，工作于1.2MHz固定頻率，有調(diào)光功能、負(fù)載開(kāi)路和過(guò)電流保護(hù)功能等。在控制電路的作用下MOSFET處于導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)，狀態(tài)的切換時(shí)間極短。當(dāng)MOSFET管導(dǎo)通時(shí)，電感中電流增加，電能轉(zhuǎn)換成電感L1中的磁場(chǎng)能。此期間電容C2中儲(chǔ)存的能量對(duì)LED供電；當(dāng)MOSFET截止時(shí)，電源電壓VIN與電感L1中電動(dòng)勢(shì)同向串聯(lián)疊加（升壓變換）后對(duì)電容C2充電且對(duì)LED供電。此電路同時(shí)對(duì)MOSFET串聯(lián)的電阻RSEN1和LED串電流檢測(cè)電阻RSEN2中的電流進(jìn)行檢測(cè)，去控制MOSFET的開(kāi)通時(shí)間長(zhǎng)短，從而控制LED中電流穩(wěn)定。

電感升壓開(kāi)關(guān)變換器的效率可達(dá)80～85%，比電荷泵驅(qū)動(dòng)器的效率高；恒流控制特性保證了在較寬的電池電壓范圍內(nèi)有穩(wěn)定的亮度。但是，電感升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的價(jià)格較高、體積較大、LED串?dāng)?shù)量受限制。

③電感降壓型變換器：如圖7是降壓式變換器的原理圖。其中VT1是開(kāi)關(guān)管，VD1是續(xù)流二極管，L為降壓電感。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電流線(xiàn)性上升，電感中儲(chǔ)存磁能；當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感L經(jīng)續(xù)流二極管構(gòu)成電流回路，電流線(xiàn)性下降（因此LED中有連續(xù)的電流）。

降壓式電源較適合用于AC220V。整流濾波后約300V，經(jīng)過(guò)降壓恒流驅(qū)動(dòng)電路，一般可以適應(yīng)需要。因?yàn)楦邏盒‰娏鬏敵?，效率可以做得較高。一般選用MOSFET做開(kāi)關(guān)管。

在升壓式、升壓-降壓式和降壓式三種標(biāo)準(zhǔn)的DC-DC變換器中，只有降壓變換器有著與LED相等的電感平均電流，甚至可以在沒(méi)有輸出電容的情況下正常運(yùn)行。相對(duì)來(lái)說(shuō)，降壓式DC-DC變換器的效率較高。

④升壓-降壓式變換器：輸出電壓可能高于、也可能低于輸入電壓，通常使用升壓、降壓變換器。這種方式不常見(jiàn)于市電供電的場(chǎng)合。

（2） 高壓控制器LED驅(qū)動(dòng)電路

為了不使用變壓器，可以直接對(duì)市電整流，用高壓控制器件來(lái)構(gòu)成恒流驅(qū)動(dòng)電路。

3.4 隔離式開(kāi)關(guān)電源LED驅(qū)動(dòng)電路

隔離式開(kāi)關(guān)電路使用變壓器隔離初次級(jí)，從而將二次側(cè)與一次側(cè)隔離，一般使用PWM控制方式。有三種基本類(lèi)型：逆向隔離變換器（反激式）、正向隔離變換器（正激式）、推挽隔離變換器。其他變換電路，如單端正激，單端反激，半橋和全橋變換電路等。效率高（一般都有90%以上），因?yàn)槭亲儔旱闹鞔渭?jí)分開(kāi)，安全性較高。

隔離式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的主回路一般包含供電輸入端、開(kāi)關(guān)器件、儲(chǔ)能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器和負(fù)載端等。

（1） 反激式變換電路 ：反激式變換電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)候，輸出回路中的二極管反偏截止。這種電路常常用在在中、小功率驅(qū)動(dòng)。

除了反相激勵(lì)，還有正激式變換電路、推挽式功率變換電路等。

（2） PWM控制方式開(kāi)關(guān)電源。這種電源效率很高，可達(dá)80%到90%以上，輸出電壓和電流都很穩(wěn)定，保護(hù)措施完善，屬高可靠性電源。

開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓恒流驅(qū)動(dòng)電源的優(yōu)點(diǎn)是效率高、控制靈活，亮度控制及調(diào)節(jié)性能都很好。在大功率應(yīng)用場(chǎng)合、處理寬輸入電壓變化范圍大的場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓恒流驅(qū)動(dòng)電源是唯一可行的選擇。開(kāi)關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電源的缺點(diǎn)是，易受電磁干擾，設(shè)計(jì)難度較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

LED均采用直流驅(qū)動(dòng)，在市電與LED之間需要加一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電源。它的基本功能是把交流市電轉(zhuǎn)換成合適LED的直流電，檢測(cè)LED電流、負(fù)反饋、橫流控制，同時(shí)進(jìn)行其他控制。恒流驅(qū)動(dòng)電路符合LED 特性。

開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓恒流恒流驅(qū)動(dòng)電源具有良好的電流控制精度和較高的總體效率。但這種電路在開(kāi)關(guān)管擊穿的時(shí)候，會(huì)損壞LED燈。PWM控制開(kāi)關(guān)電源恒流驅(qū)動(dòng)器控制靈活、效率高、功率大、電流穩(wěn)定，有完善的保護(hù)措施，但是電路復(fù)雜、有電磁兼容性問(wèn)題等。電流大于500mA的大電流應(yīng)用一般采用開(kāi)關(guān)電源恒流驅(qū)動(dòng)器。用市電驅(qū)動(dòng)大功率LED還需要解決降壓、隔離、PFC（功率因素校正）等問(wèn)題，還需有較高的轉(zhuǎn)換效率。

高亮度白光照明LED的調(diào)光是一種廣泛的需求。采用脈寬調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)光控制是較好的選擇。如果需要其他功能如相位控制調(diào)光和功率因子校正（PFC），電路就變得復(fù)雜。

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