直流LED光源驱动电路的选择与应用

2018-04-19孙菁阳

吉林化工学院学报 2018年3期

孙菁阳

(东北林业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨 150040)

LED光源就是发光二极管(LED)为发光体的光源，这种光源具有效率高、寿命长、耗电低、节能环保等特点，因此得到社会各界广泛关注，近年来LED光源得到了快速发展，其光效快速提高，成本持续下降[1]，平均使用寿命(维持到初始光通量70%的时间)达10万小时，大约是普通白炽灯寿命的100倍，大有一种取代传统光源的趋势.

LED光源同样也是电光源的一种，需要将电能转换为光能，我们常见的传统光源一般需要市电AC220V来驱动发光，而LED光源由于发光原理和其半导体的结构与传统光源不同，目前我国还没有AC220V驱动发光LED光源的成品灯具，市售LED光源一般均为直流驱动，即LED灯具是由LED光源和其直流驱动电路两部分组成.LED光源的理论寿命达10万小时，然而LED灯具是否也能达到10万小时，这决定于驱动电路的寿命，同时选择合理的驱动电路，也是LED灯具能够实现光源其他优点的一个有力地保障.

1　LED发光原理

LED主要由PN结芯片、电极和光学系统组成，半导体芯片被封装在洁净的环氧树脂物中.PN结芯片是由P型和N型半导体组成的，P型半导体中多数载流子是空穴，N型半导体中多数载流子是电子，二者紧密结合，形成PN结，如图1所示[2,3].

图1　LED发光示意图

未加电压，PN结也存在一定的势垒，当加正向偏压时，PN结处于导通状态.在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合，同时释放出相对应的能量而发光.当加反向偏压时，PN结截止，少数载流子难以注入，故不发光.

2　驱动电路

2.1　LED的特性

所谓伏安特性，即流过PN结的电流随电压变化的特性，如图2所示，LED的正常工作区域是图2中的AB段，超过B点，LED很可能被烧坏.

图2　LED伏安特性曲线

反向特性曲线变化较为陡峭，当电压超过Vc阈值时，电流会出现指数式上升，而且电流上升的极快，在这个范围更容易损坏LED光源.

2.2　驱动的原理

图3所示是某高亮度LED光源的正向电流与其发光的光通量的关系，随着两端的电压逐渐升高，流过LED的电流也在不断加大，LED所发出的光也就越来越亮.

正向电流/mA图3　LED正向电流与光通量的关系

不同种类的LED正向电流与其发光的光通量的关系虽有差异，但是差别非常小.由图2可知，当正向电压超过某个阈值VA，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，I与V成正比，当LED正向电流大于某一值时，LED才能有效地发光，因此可以通过控制LED的正向电流来控制其发光亮度.但不同LED通过可以发光的电流各不相同，如指示类的LED(小功率)大约为5～30 mA时就可发光.因此要使LED发光就必须要有一个可提供能够稳定的发光电流电源，这个低压电源即是驱动电路.

2.3　恒压、恒流电源

恒压电源又叫稳压电源，要求输出电压值固定，不随负载、输入电压等外部工作条件而变化，理想的恒压电源的内阻为零，使用时不能短路.

恒流源的开关电源实际上就是在恒压源的基础上，内部在输出电路上，加上取样电阻，电路保证这个取样电阻上的压降不变，来实现恒流输出的.恒流源则是在负载变化的情况下，能相应调整自己的输出电压，使得输出电流保持不变，理想的恒流电源的内阻为无穷大，使用时不能开路.

2.4　驱动电路的分类

LED的驱动电路就是保证光源正常工作的直流电源，其制约着LED灯具的各项性能指标，通常LED驱动电路有以下几种方式[4-6]：电阻驱动、恒压驱动、恒流驱动.

2.4.1电阻驱动电路

在LED的供电回路串联一个限流电阻，通过调节限流电阻的阻值，就可以改变LED的驱动电流，此方法最为简单,通过LED中的工作电流为

式中U为供电电源电压，UL为LED上PN结压降，R为供电回路限流电阻.

在设计此电路时，可根据LED光源的正常工作电流来选取R值，因为U和UL都是已知条件.需要注意的是，LED发光的工作电流不是一个点，而是一个范围，选取R值时，要考虑U的波动范围，只要U的波动在正常范围内，R就可以将通过LED的电流限制在其所允许的范围内，而不会使LED损坏.R值是通过理论计算得到的数值，实际阻值表中不一定正好有这个计算的电阻，这时我们可以通过凑值法来解决这个问题，即根据理论值，在标准阻值表中选取数个不同的电阻串联起来，使串联电阻值的和等于或约等于(最接近)理论值

R=R1+R2+…+Rn

式中R为计算理论阻值，R1…Rn阻值表中标准电阻.选取R值时，不仅仅选择阻值，还要根据LED通过的工作电流选取适合的电阻功率，防止限流电阻过热而损坏.正常工作时，U和UL都以固定值保持不变，限流电阻R就能将工作电流I稳定在额定发光的电流，即LED可正常工作.

2.4.2恒压驱动电路

恒压驱动就是保持LED两端电压不变来驱动其发光的.我国市电均为AC220V，满足LED所要求的工作电压就必须经过将AC220V降压、整流、滤波，稳压等过程才能满足要求，常见的、简单的整流电路就是单项全桥，整流输出的直流是一个脉动的电压波形，尽管滤波、稳压，但局限于LED光源的尺寸及安装的外部环境，要达到一条标准的直线电压波形比较困难.

如图2所示，LED正常工作在第一象限中的AB段，这是一个较短的工作区，电压的微小波动都有可能导致流过LED的电流成倍增加，从而易导致LED过流损坏.

LED发出的光谱范围是比较窄的，由于每种材料的禁带宽度不相同，所释放出的光子波长也不同，我们能看见的可见光颜色也就不同.目前，市面上LED的种类较多，形状各异，应用的场所也各不相同，发光颜色不同，其管压降也不相同，其中：红色的压降为2.0～2.2 V；黄色的压降为1.8～2.0 V；绿色的压降为3.0～3.2 V；白色的压降约为3.5 V.如采用恒压驱动电路，为保证每一种颜色LED发光，就必须配备各种电压等级的电源，这样就使得驱动电路过于杂乱，规格难以统一，给生产和维护造成很大的困难.同时，对输出电压波形的品质要求极高(生产成本也随之升高)，而输出波形的微小波动，都可能对LED造成很大的损害.

2.4.3恒流驱动电路

恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高，所以说恒流驱动是驱动LED较为理想的电路[7-9].恒流驱动电路分为交流输入(AC220V和AC12V)和DC直流输入，本文以美国国家半导体芯片为例，简要介绍AC12V/DC恒流驱动的一些特点.

AC12V是酒店及商场中广泛应用的卤素灯的电源，现有的LED可以在保留现有交流12 V的条件下，针对替代卤素灯进行设计，美国国家半导体LM2734的主要优势是体积小、可靠性高、输出电流高达1A，该芯片采用可提高功率密度的高性能工艺技术制造，并且采用具有更高散热能力的SOT封装，恰好适合卤素灯灯口直径小的特点，且LED能满足卤素灯原亮度的要求.

如图4所示，采用美国国家半导体芯LM2734的恒流驱动电路，利用LM321运算放大器获取采样电阻Rset上的电压，结合其它电阻和电容就可以构成一个完整、高效率的大功率LED恒流驱动电路，LM2734各个引脚功能如下：

BOOST为驱动内部NMOS控制开关的升压电压.在BOOST和SW引脚之间连接一个自举电容.

GND为信号和电源地引脚.将反馈网络的底部电阻尽可能靠近该引脚进行精确调节.

FB为反馈引脚.将FB连接到外部电阻分压器来设置输出电压.

EN为启用控制输入.逻辑高电平使能操作.不要允许该引脚悬空或大于VIN+ 0.3 V.

VIN为输入电源电压.连接一个旁路电容到这个引脚.

SW为输出开关.连接到电感，钳位二极管和自举电容.

图4　LM2734组成AC12V/DC电路

图4所示举例的LED工作电压1.25 V，工作电流是350 mA，为防止FB反馈引脚产生更大的功耗，在FB脚采用LM321运算放大器反馈输入，LM321的输入均是高阻输入，能有效降低如采用反馈电阻引入FB其电阻功耗，为进一步降低LED灯具功耗，采样电阻RSET的阻值也要尽可能选取小数值，采样电阻RSET(假定RSET=1Ω)功耗为

式中IF为LED的工作电流，由此可以看出，采样电阻RSET对恒流驱动电路非常重要，不仅影响驱动电路的效率和输出电流，如其功率选择过小，更易发热烧坏，将直接减少驱动电路的使用寿命.

驱动电路图中LM2734的反馈回路是由运算放大器LM321、采样电阻RSET和电容CC、电阻RC、RFB2、RFB1及稳压管VD3组成的，而LM321本身的反馈回路是由电容CC、电阻RC、RFB2、RFB1及稳压管VD3组成.

驱动电路正常工作时IF保持不变，如果负载或输入发生变化，导致IF发生改变，则采样电阻RSET上的电压URSET=IF×RSET也随即发生变化ΔU，使LM321的两输入端不平衡，其输出端即产生一个变化的输出，这个输出便由FB脚输入到LM2734 的内部电路进行计算，控制输出端SW的输出电压U发生变化.由于电路采用的是负反馈，如IF增加，输出端SW的电压U就减少；IF减少，输出端SW的电压U就增加，来维持IF的恒定，以确保驱动电路的恒流输出.

3　驱动电路的选择及应用

LED光源比较突出的优点就是节能、环保、寿命长，寿命由光衰决定，光通量随结温升高急剧下降，造成LED的寿命缩短[10,11]，同时LED伏安特性具有负温度系数的特点，也就是随着PN结温度的升高，其伏安特性左移，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会增加.即温度升高，电流增加，光通量下降，从而温度继续升高，电流继续增加，光通量继续下降，进入使LED寿命缩短的恶性循环，因此在选择驱动电路时，必须在设计的原理上和实际应用中都要避免进入这个恶性循环，来配合LED光源使灯具的综合寿命得以有效地延长.

LED光源的灯具种类多、品种杂、应用范围广，本文不一一列举，根据上述的分析就目前常见的LED及驱动进行归纳总结，如下：

(1) 指示类

交流、直流电源或开关提示工作状态的一类LED光源，采用电阻驱动(非常成熟).

(2) 背光类

作为装饰照明的灯带(灯条)，一般多为12 V驱动，也有24 V驱动.常规12 V的LED灯带电路结构为串并联电路，就是采用三颗LED加一颗贴片电阻进行串联，组合成一组分电路；而每条LED灯带是由10组分电路组合并联而成.一般情况，目前市面工程大都采用恒压(开关电源)驱动，但必须根据LED的数量确定灯条的功率，计算开关电源的输出电流.

(3) 室内照明类

室内照明LED产品较多：LED日光灯，LED射灯，LED球泡灯，LED天花灯，LED柜台灯等，尽管种类较多，其连接的方式也就是串联型、并联型和既采用串联又采用并联的混连形式[12].

每种连接方式有其各自的特点和适用情况，串联型连接方式的特点是所有 LED的恒流特性一致性好，但是当串联数目较多时，其中一颗 LED灯珠发生损坏时，对其他所有的灯珠都会造成影响.并联型的特点是并联的LED之间相互独立性好，其中某个LED发生损坏不至于影响到其它的灯珠正常工作，但是并联数目的增大必然导致线路总电流的增大.混连方式是一种结合了串联和并联各自的优势的连接方式，尤其适合LED个数较多、应用功率较大的时候.如果考虑到无论什么时候当其中一个LED灯珠发生损坏时其他灯珠的照明不受影响.从LED寿命方面考虑，采用恒流驱动(价格高)为最好的选择[13,14]，但目前市售灯具也有采用恒流驱动(价格低).

(4) 直流电源供电类

这一类的LED产品涵盖手持式移动照明和汽车应用照明，即理论上的DC/DC驱动电路，可采用DC/DC转换芯片，构成恒流驱动电路，以实现产品的成本与寿命的最优配合.电阻驱动电路效率不高，可考虑应用于手持式且结构较简单的产品上，以降低其成本.

总之，一般情况下，如LED采用恒压源驱动，很小的电压变化将引起很大的电流变化，电流变化势必会影响发光强度，使其忽明忽暗，因此恒压驱动只适用于要求不高的小功率场合下，在要求高的场合和大功率场合下LED都要采用恒流驱动.

4　结　　论

直流LED驱动电路的电阻驱动应用较为广泛，而利用开关电源组成的恒压驱动，可以说也应用的非常之多(其实在LED的内部大多数已经集成了限流电阻，本质上仍是电阻驱动，只是外部提供的开关电源是恒压电源，才称为恒压驱动)，大功率LED是指拥有大额定工作电流的发光二极管，普通LED功率一般为0.05 W、工作电流为20 mA，而大功率LED可以达到1 W、2 W、甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安，对大功率驱动应采用恒流驱动，但也有采用开关电源恒压驱动.

市售的LED灯具，在广告宣传上使用寿命一般是5万小时，可有些灯具使用不到两个月就坏掉了，去除一些无良厂商的假冒伪劣产品外，百分之九十以上的LED灯具，都是驱动电路损坏导致的.驱动电路大都由半导体元件，如电阻、电容、电感等组成，这些元件任何一个损坏，都会导致驱动电路整体报废或者是部分功能的丧失，因此说驱动电路是LED灯具最重要也是最薄弱的环节.

最重要是指无论LED光源质量有多好，技术多先进，离开驱动电路，LED灯具就无法点亮发光，最薄弱是指驱动电路的正常工作寿命远远低于LED光源的使用寿命.延长驱动电路寿命又不易增加太多的成本，通用的作法是驱动电路的成本不宜超过LED灯具总成本的三分之一，而驱动电路本身的发热又与LED光源发热进行叠加，又对光源寿命造成严重的影响.可以说，驱动电路与LED光源不同步、不均衡的发展，是制约着LED灯具寿命长的重要因素，因此选择、应用适合的驱动电路是LED灯具成本与寿命良好的结合，是推动LED光源快速、稳健发展的重要环节.

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