新型实验LED 驱动装置设计与实现

黄 峥， 古 鹏

(广州大学 a. 机电工程学院;b. 计算机科学与教育软件学院，广东 广州510006)

0 引 言

随着时代的发展，对LED 的研究发现，其功耗远低于现有的传统灯具，而且比现有节能灯具更节能、省电，在寿命、环保等方面均有不可比拟的优越性。LED不但体积小，且具有寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震性佳、耗电少、发热少、色彩纯度高等特性。

LED 的出现打破了传统光源的设计方法与思路，目前有两种最新的设计理念:①情景照明。以场所为出发点，旨在营造一种漂亮、绚丽的光照环境，烘托场景效果，使人感觉到有场景氛围;②情调照明。与情景照明有所不同，情调照明是动态的，可以满足人的精神需求的照明方式，使人感到有情调。情调照明包含四个方面:一是环保节能;二是健康;三是智能化;四是人性化。本文对LED 及其驱动装置的特性，从理论到设计进行了探讨，设计是由嵌入式计算机控制模块，对以大功率三极管为核心的恒流源电路进行控制，采用双供、双路输出充电方式，且双供电源采用独创的智能无触式电子开关，能够自动完成供电方式的切换。

1 LED 照明特性

1.1 LED 电特性［1］

LED 的测试包括电特性、光特性、开关特性、颜色特性、热学特性、可靠性等。作为对LED 电源的设计，对于定型的LED 产品主要研究电特性。

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是半导体材料制成的组件［1-2］，为一种微细的固态光源，其发光原理是在一正偏二极管PN 接合面处，自由电子与空穴发生复合作用，因自由电子由高能阶掉到能量较低的价带时，释放出能量而产生光与热。图1 是关于单一LED 的电特性参数以及电特性与温度的关系图。

图1 LED 的电特性参数关系图

LED 必须在合适的电流、电压驱动下才能正常工作，LED 的电特性也受温度的影响。通过LED 电特性的测试可以获得LED 的最大允许正向电压、电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED 的最佳工作电功率。LED 的正向伏安特性具有单向导电性和非线性，外部加正向偏置电压时，表现为低电阻;反之，为高电阻。

LED 伏安特性的数字模型［3］为

式中:Uturn_on为LED 的启动电压;T 为环境温度;RS为伏安特性曲线的斜率;(ΔUF/ΔT)为LED 正向电压温度系数，它的典型值为－2 mV/°C。

从图1 及数学模型可看出，LED 上所加的电压大于导通电压时，伏安特性曲化比较剧烈，正向电压发生微小的变化就会导致正向电流发生很大的变化;环境温度对LED 的电气特性也有较大的影响;不同的白光LED 的特性曲线有很大差异，用单一电压驱动这些LED 时，可造成正向电流0 ～50 mA 的差异。驱动LED 面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、批次、供应商的LED 正向电压也会有差异;另外，LED 的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移，同一LED 电压小、电流大比电压大、电流小的情况其色谱要宽一些，对设计的驱动设计，如果要宽色谱一般会采用电压小、电流大的驱动器。

1.2 LED 的排列方式［3］

LED 的排列方式直接影响了驱动电源的电流与电压的选择，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED 的排列方式问题。其排列方式有串联式、并串交叉式以及并联式;各种排列方式中，首选驱动串联的单串LED，因为这种方式不论正向电压如何变化，输出电压如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。而在交叉连接中，如果其中某个LED 因故障开路，电路中仅有1 个LED 的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。

表1、2 是对某一型号LED 模块的参数测试(1 个模块是由5 组LED 灯并联，而每组又由3 个LED 灯串联组成)汇总表，表1 及图2 为单个模块的测试参数与图表。从测试数据表可以看出，即便是同一型、同一批的产品，其参数都具有一定的离散性。

表1 某一型号LED 模块的电阻参数测试

图2 单个模块的电阻特性图

1.3 LED 驱动的拓扑结构［4］

(1)采用AC-DC 电源驱动LED 的方式。电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC 电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，电源转换的构建模块包括二极管、开关、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。

(2)采用DC-DC 电源驱动LED 的方式。可以采用的LED 驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等。电阻型驱动方式中，调整与LED 串联的电流检测电阻即可控制LED 的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容(EMC)问题，劣势是依赖于电压，需要筛选LED，且能效较低。线性稳压器同样易于设计且没有EMC 问题，还支持电流稳流及过流保护，且提供外部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过PWM 控制模块不断控制开关的开和关，进而控制电流的流动。

表2 某一型号不同LED 模块的电阻参数测试

开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰(EMI)问题。LED DC-DC 开关稳压器常见的拓扑结构包括降压、升压、降压-升压或单端初级电感转换器等不同类型。

(3)采用交流电源直接驱动LED 的方式。这种结构中，LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免AC-DC 转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中LED 在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入LED 保护措施，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。

2 LED 驱动的设计的总体要求［5］

2.1 设计的总体思想

根据用电安全标准，通常LED 采用低压安全驱动，一般情况其标称输入电压范围在DC 3 ～40 V，AC 12 ～24 V，标称输出电流一般情况在5A 以下。LED灯具选用36 V 以下的交流电源可以考虑非隔离供电，如选用220 V 和100 V 的交流电源应考虑隔离供电;对于直接使用AC 100 ～220 V 的驱动芯片，因应用体积苛求，在技术上还有更高的要求、更大的难度，目前各国都在努力开发中。

作为照明用的LED 光源，1 W 功率的LED 光源其标称工作电流约为350 mA;3 W 功率以上的LED 光源其标称工作电流大于700 mA，功率大的需要更大的电流。实践数据表明，采用AC-DC 驱动LED，电源的功率因数小于0.8。LED 的排列方式及LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED 驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下，无论输入及输出电压如何变化，稳定流过LED 的电流。在LED 照明设计中，AC-DC 电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置:①整体式配置。两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效及简化安装等;②分布式配置。两者单独存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。

LED 驱动器根据不同的应用要求，可以采用恒定电压(CV)输出工作，即输出为一定电流范围下钳位的电压;也可以采用恒定电流(CC)输出工作，输出的设计能严格限定电流;也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作，即提供恒定输出功率，故作为负载的LED的正向电压确定其电流。

2.2 设计的具体要求

LED 驱动器［6］的设计需考虑的因素:①输出功率。涉及LED 正向电压范围、电流及LED 排列方式等;②电源。AC-DC 电源、DC-DC 电源、直接采用AC电源驱动;③功能要求。调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制;④电源的电磁辐射及抗干扰要求符合各种标准;⑤其他要求。能效、功率因数、温升、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、可靠性等。

要确定照明需求，设计目标应是基于现有灯具的性能，或者是基于应用的照明需求，列出设计目标，这些目标应根据应用的照明需求而定。设计应列出影响的所有其他目标，如特殊要求或者是要能受高温，估计光学、热和电气系统的效率等等。设计目标会对光学、热和电气系统产生限制，将照明目标和系统效率结合起来，根据设计目标，估计的损失程度，设计出能驱动照明需要的LED 数量。

驱动输出电流必需长久恒定，对同类LED 光源的发光亮度一致，保持最终产品的一致性，LED 光源才能稳定发光，亮度不会闪烁;LED 驱动的抗EMI、噪音、耐高压的能力也关系到整个LED 灯具产品能否顺利通过CE、UL 等认证，因此驱动本身在设计伊始就要选用优秀的拓扑结构和高压的生产工艺。

3 LED 驱动的系统实现

3.1 系统总体设计［7］

LED 驱动通常由供电、恒流、控制等组成，由于LED 供电压低，提供恒流的方式采用也可以多样性，所以，总体设计要满足以下全部或主要要求:

(1)系统由交流220 V 提供直流电源。在无交流220 V 时也可采用交流与电池双供电方式。

(2)恒流源驱动电路模块。恒流电路的核心由一个大功率三极管或场效管等元件组成恒流电路，该电路采用嵌入式计算机进行控制，可由电子开关切换或由PWM 方式控制控制电阻的大小，三极管的基极的电流或场效管的栅极电压，从而使LED 电流恒定。

(3)嵌入式计算控制电路模块。由计算机控制软件及硬件组成控制电路，控制驱动电路的电源能量控制、切换、检测、指示、保护，以确保LED 驱动系统的正常工作。

(4)充电电路控制模块。检测电路由一个检测芯片及其周围电路组成，通过电子开关，串联不同阻值的电阻，检测输出的电流，检测值输入检测芯片控制，当电流过大时控制电子开关电路切断电源。

(5)在直流电源与电池之间还有充电电路和电源切换电路，充电电路的一端连接稳压电路的输出端，另一端连接电池保护电路，由电池保护电路判断是否该充电;电源切换电路的功能是令系统的供电方式在直流电源与电池之间切换。当有直流电时，电池端供电断开，充电电路给电池充电;反之，没有直流电源时，电池供电，升压电路工作，充电电路断开。

(6)由于LED 驱动方式大量的采用开关电源，其电子部分会对外部产生一定的电磁场干扰，为了保证其干扰在可控的范围内，必须设计中充分考虑各种防干扰的设计。

3.2 系统实现

图3 为系统的方框图，系统设计为具有一定代表性的带保护和电池保护的LED 台灯驱动系统;系统主要由交流220 VAC-DC 12 V 稳压电源模块、3.7 V 锂电池供电模块、恒流源驱动电路模块、嵌入式计算机控制电路模块、充电控制电路模块这组成。

图3 系统的方框图

图4［8-9］为系统的LED 台灯恒流源驱动模块电路图，由嵌入式计算机控制，电路由两片IC(U3、U4)、三极管Q1 等元件组成无触点式三级LED 台灯恒流源驱动电路;U3、C8、C9组成稳压电路，将VDD(5 V)稳压为3.3 V，作为LED 台灯恒流源驱动模块的标准电压，用于恒流源电流恒定;稳压电路中C8、C9为滤电容，U3 为PWM 降压式稳压IC。

图4 LED 灯驱动模块电路图

图5 为系统嵌入式计算机［10］控制模块电路图，C1、C2、Y1 组成嵌入式计算机晶振电路，U1 为单片机，C3为电源滤波电容，R1、R5计算机信号COM1、COM2下拉电阻，R2、R3、R4、LED1、LED2、LED3 为三级电池显示电路。

图5 嵌入式计算机控制模块电路图

图6 为VUP5V 与DC5V 跳转智能控制［11-12］］电路图;系统正常工作时只能使用一种供电方式，当连接外部交流电源时，即用直流电源12 V 供电时，Q2 处于截止工作状态，锂电池3.7 V 电池供电断开;当没有外部直流电源输入时，Q2 处于饱和工作状态，切换到电池供电方式［13］。

图6 5 V 跳转智能控制电路图

3.3 测试结果［14-15］

表3 是工作电压18 V、12 W 的LED 模块的测试功率测试数据。LED 照明灯具选用的驱动必需有足够的电流输出，设计时必须使驱动工作在满负荷输出的70% ～90%的最佳工作区域;因此，由交流转换为直流电源的开关电源，不应有过大的冗余，通常只需大于LED 功率的1.5 倍左右即可。

表3 工作电压18 V，12 W 的LED 模块的测试功率测试数据表

图7 LED 台灯电磁辐射泄漏的极限测试曲线图

表4 LED 台灯电磁辐射泄漏极限测试结果数据 μV/m

图7、表4 是依据设计规范完成的LED 台灯驱动器的磁辐射泄漏的极限测试结果。测试是由香港STC完成，并提供测试数据，其数据表明所完成的设计是成功的。

4 结 语

系统的设计主要有以下的特点:系统采用独创的智能无触式电子开关用于系统中的供电方式的切换，而这种独创的方式，其最大的特点就是极大地减少如继电器开关通断切换所引起的电磁干扰。根据不同的开关特性要求，可采用不同阻抗的元件来构成电子智能无触式电子开关，若对阻抗参数要求不高，可采用三极管构成电子智能无触式电子开关用于双供电源的切换，场效应管开关电阻小;若要求较小的阻抗，则可用其代替晶体管。嵌入式计算机控制系统则采用软件与硬件结合的控制方式，用于LED 驱动及电池的电量检测控制;在锂电池供电模块和充电控制电路模块都设有过压、过流保护电路以确保电源不至于损坏。

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