基于绿色光源LED的开关型恒流驱动电路设计

柳国宪

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410014）

基于绿色光源LED的开关型恒流驱动电路设计

柳国宪

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410014）

针对LED的特点提出开关型恒流驱动电路，通过电流与电压负反馈技术的采用，将LED的输入电流控制在一个稳定的电流数值下，同时使电路防止过电压的能力提高，可靠性大为增强。

绿色光源LED;恒流驱动;安全可靠

现代生产和生活的发展迫切需要一种高效节能、无污染、无公害的绿色照明技术取代传统照明技术。随着科学技术的进步，一种新型光源—LED照明技术正在趋于成熟，并开始投入生产，走向市场。作为第四代照明光源或称绿色光源的LED，它相对传统的照明技术具有巨大的优势。

LED属于直流驱动，拥有超低的功耗，单管可以达到0．03～0．06瓦，电光的能源转换效率接近100%，同样的照明效果，比传统光源节能90%以上，比普通节能灯节能50%以上，寿命比传统光源长10倍。LED光源非常利于环保。它的光源中没有紫外线和红外线，没有热量，也没有辐射，不会产生眩光效果。在制造过程中，LED不会涉及汞等重金属元素，使用中对人无害，废弃之后可以回收利用。它又是固态冷光源，没有热量的产生，可以安全触摸，属于典型的绿色光源。［1］

但在研发和应用LED新型灯具的过程中一个不容忽视的事实是与LED灯配套的驱动器没有及时跟上，驱动电路性能不佳，故障率较高，成了LED应用的瓶颈。工作状态下的LED需要施加正向偏置，其正向伏安特性非常陡，要给LED供电比较困难。不能像普通白炽灯一样，直接用电压源供电，否则电源电压稍有波动，LED工作就不正常甚至导致电流急剧增加将其烧毁。怎样稳定LED工作电流，成为驱动电路的核心问题。

针对影响LED驱动电路性能的恒流问题，提出开关型恒流驱动电路的设计方案来加以研讨。

1 直流低压开关型恒流驱动电路

1．1 由分立元件构成的开关型恒流驱动电路

图1是一种能将直流6V升压至24V，恒流输出100mA的自激开关型恒流驱动电路。其调整管VTl的工作状态，是通过自动调节其占空比D的大小来稳定输出。［2］

高频变压器T有3组绕组：N1：初级绕组、N2：反馈绕组、N3：次级绕组。磁芯采用软磁铁氧体材料，为防止N1通过单向工作电流（包含有较大的直流分量），使磁芯饱和，磁路中必须加上0．05～0．15mm的空气隙。

具体工作过程：接通6V电源，通过R2给VT2提供小量的基极电流，经VT2放大后，再输入VT1基极，使VT1进入放大区。当VT1进入放大区后，在N1与N2强正反馈作用下，VTl很快进入自激开关振荡状态。

振荡频率高达50～100KHZ。在VT1饱和导通期间，6V电压全部加到N1上，N1上的感应电势是上+下－，N3上的感应电势是上－下+，接在N3上的二极管VD3是截止的。此时N1就像一只电感接到6V电源上，其线圈电流随时间增长，电能逐渐转化成磁能存储在磁芯中。在VTl截止关断期间，感应电势反向，接在N3上的二极管VD3导通。N3通过VD3给电容C3充电，将磁能转化为电能，存储到滤波电容C3中。C3两端电压经反复充电后迅速上升，将LED灯点亮。

图1 分立元件构成的开头恒流驱动电路

工作电流在取样电阻R9上产生压降，当此压降增大到大于VT3（占空比控制管）的发射结压降Ube（约0．6V）时，通过R8给VT3基极提供负反馈电流，经VT3放大，其集电极电流增大，使VT3对VT2基极电流的旁路作用加大，即使VTl的导通时间缩短，截止时间增长，占空比D减小，N1储能减少，C3储能也减少，C3两端电压下降，抑制了LED工作电流的继续增长，依靠电流负反馈作用，维持在一个稳定值。

电路的温度特性和安全性设置：

1）利用BJT元件发射结电压降Ube随温度上升而下降的负温度系数特性，可以使恒流值随温度上升而下降。这对防止LED工作过热，延长使用寿命有好处。

2）短路保护

利用电阻R9对短路电流的取样，当电路出现短路故障时不用增加任何元件，利用电流负反馈的作用，将短路电流限制在正常恒流值上。

3）开路过压保护

输出开路时，电阻R9无采样值，电流负反馈不起作用，占空比失控，输出电压会升高到危险的程度，过电压将危及LED元件的安全。在输出端加接电阻R7和稳压管VDw引入电压负反馈，能起到过压保护作用，从而将过压值限制在VDw的击穿值上。

1．2 由IC构成的开关型恒流驱动电路

集成电路MC34063A构成的它激开关恒流电路如图2所示，其芯片内部结构如图3所示。［3］

图2 IC构成的开头恒流驱动电路

图3 MC34063A内部框图

MC34063A占空比控制单元电路有：1．25V基准电压、误差比较器、振荡器、RS触发器和驱动管VT2、输出开关管VTl。

芯片外围接上高频变压器T及少量电子元件就构成能将6V电源升压至12V 0．3A的开关恒流电路。

图中RSC为限流电阻，它检测开关管VTl流过的电流，使VTl的电流不超过1．5A。Rl为驱动管VT2的集电极电阻。CT是振荡器定时电容，选用470P时，开关频率约70KHZ。VD1、R2、C2构成过压吸收电路，在VTl关断瞬间，将在VTl集电极上所产生的反冲电压尖峰（下+上－）吸收掉，防止VTl被击穿。

串接在次级绕组N2上的VD2、C3完成整流滤波作用，并给LED供电。R5是电流取样电阻，当LED工作电流在其上产生的压降等于1．25V时，占空比受控，输出电流就进入恒流状态。

本电路的输出短路保护和开路过压保护：利用R5电流取样，抑制短路电流;利用VDW击穿后，R4 +R5电压取样，抑制开路过电压。

MC34063A的输入电压范围为3～40V，既可构成升压电路，也可构成降压电路，如有必要，还可外接开关管扩大输出电流和功率，［4］使用方便灵活。

2 交流220V开关型恒流驱动电路

传统的LED是典型的低压直流器件，不能直接使用市电～220V给LED灯供电。要实现这一点，需解决降压、整流、效率变换、较小的体积、较低的成本以及安全隔离等一系列问题。［5］单片集成开关电路TOPSwitch系列产品几乎全面满足上述要求。

由芯片TOP224Y构成的输入～220V，输出恒流0．4A输出电压10～32V的开关恒流电路，如图4所示。

图4 交流220V开关恒流驱动电器

TOP224Y是三端器件（见图5），从外表看，它像一只普通的功率三极管，其内部结构（见图6）很复杂。

它将脉宽调制（PWM）控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、功率开关场效应管（MOSFET）、自动偏值电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路，通过高频变压器使输出端与电网完全隔离，真正实现无工频变压器、隔离、反激式开关电源的单片集成化，使用安全可靠。

2．1 三极的作用

它的三个管脚分别叫控制极C、源极S、漏极D，三个极都是一极多用。

图5 反激式单片开关电源TOP224Y功能结构图

图6 TOP224Y外形图

控制极C的作用：

1）利用反馈控制电流IL的大小来调节输出开关管的占空比D（见图7）。从图看出IC增大，D减小;反之，IC减小，D增大。

2）与内部并联调整器/误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需偏流。

3）作为电源旁路、自动重启动和补偿电容的连接点。

图7 MOSFET输出脉冲占空比与控制极电流的关系

漏极D的作用：

1）与片内功率开关管的漏极相连。

2）在启动期间，高压电流源经过内部开关给内部电路提供偏置电流。

3）它还是内部功率开关管工作电流的检测点。

源极S的作用：

1）与片内功率开关管的源极相连，作为高压电源返回端。

2）作为一次侧控制电路的公共地和基准点。

2．2 工作过程

～220V经电阻R1、R2整流桥VDl整流，电容Cl滤波，在Cl两端建立起约280V的直流高压作为本电路的实际电源。

电路中Rl为RFl0型保险电阻，在电路发生短路时将被烧断起短路保护作用;R2为NTC型负温度系数热敏电阻，起限制合闸冲击电流的作用。在接通电源初的常温下，它有较大的电阻值，将合闸电流限制在允许值。随着工作电流的流过，温度逐渐上升，阻值下降至某一较小的稳定值，正常功耗不大，对电路正常工作无不良影响。

VD2、R3、C2组成漏极过电压吸收电路，用以限制在关断瞬间高频变压器漏感所产生的尖峰电压，保护功率MOSFET不被损坏。C6为控制端旁路电容，它能对控制回路进行补偿并设定自动重启动频率。当C6=47 u F时，自动重启动频率为1．2Hz。正常工作时，控制电压UC的典型值为5．7V。

本电路的恒流作用同样依靠电流负反馈原理： Rl0为电流取样电阻。VTl是误差放大器，其发射结压降Ueb（约0．6V）还充当基准电压的角色。

2．3 恒流过程

当输出电压U0↑或LED压降UL↓→LED电流

I0↑→UR10↑＞Ueb→VT1/Ib↑→VT1/IC↑→光耦/发光二极管IF↑→光耦/接收管IE↑→IC1/控制端电流IC↑→IC1/占空比D↓→输出电压U0↓→LED电流I0↓，从而实现恒流目的。反之亦然。

该电路开路过压保护依靠电压负反馈原理：输出电压U0经电阻R8、R9分压，当VDW击穿后，给VTl提供反馈基极电流，最终将输出电压限制在设定值上。

电路的短路保护可以利用片内的过流保护环节，实现短路保护作用。电路还有过热保护：当芯片结温Tj＞135℃时，自动关断输出级。

3 结束语

针对LED的特点所提出的开关型恒流驱动电路，通过电流与电压负反馈技术的采用，将LED的输入电流控制在一个稳定的电流数值下，同时使电路防止过电压的能力提高，可靠性大为增强。应用中应注意LED散热条件的改善，否则LED使用寿命会大为缩短。线性恒流驱动器的正常工作压差为4～8V，超过此范围会引起驱动器损耗增加，因此对电源电压和LED负载电压需要做严格的匹配。使用开关型恒流驱动器要先接好LED，再接通驱动器电源，操作顺序不当，将会有极大地冲击电流通过LED威胁使用安全。

［1］何希才．新型电源电路应用实例［M］．北京：电子工业出版社，2002．

［2］陈元灯．LED制造技术与应用［M］．北京：电子工业出版社，2007．

［3］王少坤．一种新思路下的绿色光源—AC LED技术［J］．中国电源博览，2010，（5）．

［4］杨恒．LED照明驱动电路设计与实例精选［M］．北京：中国电力工业出版社，2008．

［5］颜重光．LED灯具低压驱动技术［J］．中国电源博览，2008，（9）．

［编校：刘敏］

Switching Constant Flow Drive Circuit Design Based on Green Light LED

LIU Guoxian
（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410014）

The paper proposes switching constant flow drive circuit based on the characteristics of LED．By using electric current and a voltage’s negative feedback technology，the author controls LED’s incoming current under a steady electric current value，and also prevents the circuit from improving its capacity through the voltage so as to increase its reliability．

Green Light LED;constant flow drive;safe and reliable

TP391．41

A

1671－9654（2011）01－041－04

2011－01－19

柳国宪（1954－），男，山东文登人，副教授，研究方向为电气与自动化技术工程。