LED驱动电路的研究

1LED驱动电路研究北京良业照明工程有限公司钟金元内容摘要：论文提出了几种有代表性的实用LED驱动电路方案，并对每一种驱动电路的工作原理，优缺点及适用范围进行了较详尽的论述。对LED用户合理选用驱动电路有一定的指导作用。论文并附电压系数计算表、LED恒流驱动器型谱图、恒流驱动器性能对比表、恒流驱动器接线图等图表4张。一、概述LED是一种节能、环保、小尺寸、快速、多色彩、长寿命的新型光源。近年来国内许多厂家都在积极研发LED新型灯具。但是一个不容忽视的事实是与LED灯配套的驱动器却没有及时跟上来，驱动电路性能不佳，故障率高，成了LED推广应用的瓶颈，其中还有许多技术问题需要研究解决。接触过LED的人都知道：由于LED正向伏安特性非常陡（正向动态电阻非常小），要给LED供电就比较困难。不能像普通白炽灯一样，直接用电压源供电，否则电压波动稍增，电流就会增大到将LED烧毁的程度。为了稳住LED的工作电流，保证LED能正常可靠地工作，各种各样的LED驱动电路就应运而生。最简单的是串联一只镇流电阻，而复杂的是用许多电子元件构成的“恒流驱动器”。近两年来，我公司为解决研发LED灯的需要，广开思路对各种可能有使用价值的LED驱动电路，从简单到复杂，从小功率到大功率，从直流到交流，全面深入地进行了试验研究，从中提炼出了几种有代表性的驱动电路方案，经试用效果良好。下面逐一介绍，与同行作一次交流。二、镇流电阻方案此方案的原理电路图见图1。这是一种极其简单，自LED面世以来至今还一直在用的经典电路。2LED工作电流I按下式计算：LUUIR（1）I与镇流电阻R成反比；当电源电压U上升时，R能限制I的过量增长，使I不超出LED的允许范围。此电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用于小功率LED范围。一般资料提供的镇流电阻R的计算公式是：LUURI(2)按此公式计算出的R值仅满足了一个条件：工作电流I。而对驱动电路另两个重要的性能指标：电流稳定度和用电效率，则全然没有顾及。因此用它设计出的电路，性能没有保证。笔者摸索出一种新的设计计算方法，取名叫“电压系数法”。它是从电流稳定度和用电效率的要求出发，再计算出镇流电阻R和电源电压U的值。这样设计出来的电路，就能满足三个条件：电流稳定度II；用电效率η和工作电流I。电压系数法的内容如下：（公式中用到的符号见图1）首先建立电压系数定义：LUKU（3）（电源电压与LED工作电压之比）;根据原始公式（1），经数学推导（过程省略）可得下列计算公式：电流稳定度1IKUIKU(％)（4）（假定0LU）；用电效率η=100K(％)（5）;镇流电阻R=1LUKI(Ω)（6）；电源电压U=LKU（V）（7）为简化计算，电流稳定度与用电效率两项的计算结果，已做成电压系数（K）计算表（见附表1）。据选定的K值，可快速查出对应的II和η值。从表中数据3看出：随着K值的增加，电流稳定度增加，但用电效率则下降。因此设计选取K值时，应兼顾这两者的不同要求，取一个折中值。电压系数法设计举例：已知：LED参数LU=9VI=20mA；开关稳压电源供电，UU较小，按＜5％考虑。取K=1.3（查电压系数计算表：II=21.7％η=76.9％）按（6）式：镇流电阻R=91.311350.02Ω;取150Ω按（7）式：电源电压U=11.7V取12V电压系数法的核心是正确选择K值，笔者建议：用稳压电源供电，K值取1.3～1.4;而电源电压波动较大的条件下，K值取1.5～1.6。在实际应用中，单只小功率LED仅能做信号灯。要想做成LED灯具，有时要用到几十甚至数百只超高亮度小功率LED，才能达到使用的要求。为便于供电（高电压、小电流）或最好直接由市电～220V供电，通常将许多LED串联后，再串一只镇流电阻组成一条支路，最后将若干条支路并联起来构成整个灯具电路（见图2右），这种接法简称为“串并”接法。此接法有一个明显的缺点是支路中的任一只LED断路时，该支路所有LED都不亮，故障影响4面大。一种经改进的“串并串”接法对这问题解决得较好（见图2左）。所谓“串并串”是先用少量LED串联再串镇流电阻组成一条支路，再将若干条支路并联组成“支路组”，最后将若干“支路组”再串联构成整个灯具电路。此种接法不仅缩小了断一只LED的故障影响面，而且将镇流电阻化整为零，将几只大功率电阻变成几十只小功率电阻，由集中安装变成分散安装，这样既利于电阻散热，又可以将灯具设计得更紧凑。根据经验：支路串联LED数不宜多，一般取3—6只；支路并联数不宜少，至少应大于5条。这样当1条支路断路时，其余4条支路电流都将增加25％，因此在选定LED正常工作电流时要留出过载余量。三、镇流电容方案此方案的原理电路见图3。电路的工作是基于在交流电路中，电容存在容抗XC也有镇流作用的原理。另外电容消耗无功功率，不发热；而电阻则消耗有功功率，会转化为热能耗散掉，所以镇流电容比镇流电阻，能节省一部分电能，并能设计成将LED灯直接接到市电～220V上，使用更为方便。此方案的优点是简单，成本低，供电方便；缺点是电流稳定度不高，效率也不高。仅适用于小功率LED范围。当LED的数量较多，串联后LED支路电压较高的场合更为适用。电路设计计算：5直流输出电压0U和支路镇流电阻R:可按“电压系数法”的公式（7）和公式（6）计算。直流输出电流:00.8INI(N—支路数；0.8—安全系数)（8）镇流电容容抗：~00CUUXI(Ω)（9）（近似估算）电容：C=6102CfX(μF)（10）（近似估算）因电路输入侧是交流，输出侧经整流滤波成直流，很难计算。公式（10）计算出的C值精度很低，只能作为参考值，准确值只有通过试验来确定。电容C1起滤波作用，这点非常重要。如果取消它，用示波器从R两端观察到LED将会承受很高的尖峰电流，威胁LED的使用安全。有了它可降低电流的峰值，提高平均值。C1的值也是通过实验来确定：使峰值系数MK=MCPII（峰值与平均值之比）控制在1.2～1.3比较合适。电阻R1是为限制合闸冲击电流而设置的，其值不宜大。电阻R2、R3是电容C、C1的放电电阻。保证断电后，电容C、C1存储的电荷能迅速泄放掉，避免触及遭电击。四、线性恒流驱动电路上面已经提到电阻、电容镇流电路的缺点是电流稳定度低（△I/I达±20～50％），用电效率也低（约50～70％），仅适用于小功率LED灯。为满足中、大功率LED灯的供电需要，利用电子技术常见的电流负反馈原理，设计出许多恒流驱动电路。像直流恒压电源一样，按其调整管是工作在线性，还是开关状态，恒流驱动电路也分成两类：线性恒流驱动电路和开关恒流驱动电路。图4是最简单的两端线性恒流驱动电路。它借用三端集成稳压器LM337组成恒流电路，外围仅用两个元件：电流取样电阻R和抗干扰消振电容C。恒流值I由R值来确定：1.25IR(11)1.25V是LM337的基准电压。反过来，根据所要求的恒流值I，可计算6电流取样电阻：1.25RI（12）LM337最大输出电流可达1.5A，工作压差≤40V，稳流精度高，可达±1～2％，内部设有过流、过热保护，使用安全可靠。LM337工作在线性状态，其功率损耗P=0UI，在恒流值I已定的情况下，只有降低工作压差0U才能降低功耗。合适的工作压差选择在4～8V范围。低于3V将不恒流了。线性恒流驱动电路一般与直流开关稳压电源配合使用。电源稳压值按下式计算：0LUNUU(13)N—LED串联个数；LU—单只LED正向工作电压；0U—恒流驱动电路额定工作压差，一般取6V计算。用电效率η=0LLLNUNUUNUU(14)分析上式：降低0U及增加N，提高电源电压，才能提高效率。如果直流电源采用负极接地（接机壳），集成块LM337可直接安装在机壳上，散热效果更好。LM337最大输出电流1.5A，为了得到比它更大的恒流值，可以有三种办法：71．将现有恒流电路多个并联使用，总恒流值等于各分路恒流值之和；2．在现有恒流电路的基础上，再增加一级电流放大（R2、VT）如图5。3．采用专门设计的大电流恒流驱动电路如图6。大电流恒流驱动电路结构也很简单，仅由6只电子元件组成：三极管VT1、VT2；电阻R1、R2、R3和电容C1。为了得到较高的电流放大倍数和较大的输出电流，调整管VT2采用了达林顿管TIP137（8A，100V，70W）。电流取样电阻R1的值，可根据所要求的恒流值I来计算：1beURI（15）beU—三极管VT1发射结电压，约0.6V。电路工作原理也很简单：当因电源电压上升或LED负载减少导致输出电流I上升时，电路发生以下调节作用：I↑→1RU↑→1bI↑→1CI↑→2bI↓→I↓；当输出电流I受扰下降时，调节作用相反。正是这种电流负反馈作用，维持了输8出电流I的基本恒定。五、开关恒流驱动电路上述线性恒流驱动电路虽具有电路简单、元件少、成本低、恒流精度高、工作可靠等优点，但使用中也发现几点不足：1.调整管工作在线性状态，工作时功耗高发热大（特别是工作压差过大时），不仅要求较大尺寸的散热器，而且降低了用电效率。2.电源电压要求按公式（13）与LED工作电压严格匹配，不允许大范围改变。也就是说它对电源电压及LED负载变化的适应性差。3.它仅能工作在降压状态，不能工作在升压状态。即电源电压必须高于LED工作电压。4.供电不太方便，一般要配开关稳压电源，不能直接用～220V供电。采用开关恒流驱动电路能较好地解决上述问题。下面分别介绍几种开关恒流驱动电路实例，以加深对它们工作原理和特性的了解。A．直流低压开关恒流驱动电路a.由分立元件构成的开关恒流驱动电路图7是一种能将6V电源升压至24V，恒流输出100mA的自激开关恒流驱动电路。其调整管VT1的工作状态同开关稳压电源完全一样，也是通过自动调节其占空比D的大小，来稳定输出。它们的区别是取样电路不同：开关稳压电源是输出电压取样，通过电压负反馈，稳定输出电压；而开关恒流电源是输出电流取样，通过电流负反馈，稳定输出电流。9接在VT1集电极上的高频变压器T有3组绕组：N1—初级绕组、N2—反馈绕组、N3—次级绕组,各绕组同名端在图中已标出。磁芯采用软磁铁氧体材料（R2KB），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。电路的具体工作过程是这样的：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，VT1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VT1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。同时LED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beU（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，也即使VT1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。恒流值的计算公式：9beUIR（16）因发射结压降beU随温度上升而下降，即具有负温度系数特性，所以导致恒流值也随温度上升而下降，这对防止LED工作过热，延长使用寿命有好处。另外恒流驱动电路的输出发生短路或开路是可能的。为保证使用安全，设置短路保护和开路过压保护是必需的。1．短路保护：输