一種線性恒流的LED驅動電路設計

鐘龍平，馬智杰，徐欣歌，陳文薌

（廈門大學 物理與機電工程學院，福建 廈門 361005）

LED是冷光源，工作電壓低、光效高，被認為是21世紀照明的新光源[1]。然而，目前LED照明設備沒有得到普及應用的關鍵問題有兩個，一是價格偏高；二是控制電路不穩定導致LED壽命大大降低。據統計，目前LED白光照明燈具出現的失效故障，70%左右是電源問題，20%左右是線路和結構問題，只有不到10%是LED單管的本身質量問題,所以電源管理方案的選擇對于節能而言也舉足輕重，這就要求在驅動電路設計中選擇最合適的AC-DC驅動器[2]。因此可靠、低成本的控制電路是LED照明推廣普及的前提。

由LED的電學特性可知，LED的平均正向電流隨著正向電壓的增大呈現大幅度的線性增長，LED在正向導通后其正向電壓的細小變動將引起LED電流的很大變化[3]，且電流對LED結溫影響很大，過大的電流很容易導致LED燈珠結溫升高而損壞。此外，由LED的光學特性可知隨著正向電流的增加，LED光通量隨之增大，即亮度增加。因此為了保持LED發光亮度的恒定，就要保證LED正向電流的穩定。因此設計合理的驅動電源對于LED照明燈具就顯得十分重要。

本文提出了一種LED線性恒流驅動電路，該電路具有成本低、結構簡單、效率高、體積小等特點，很適合做室內照明LED燈具（如LED日光燈）的驅動電源。

1 LED線性恒流驅動電路

LED燈在使用時需要多顆燈珠串聯或者并聯起來才能工作，采用并聯方式驅動多只LED雖然所需的電壓較低，但由于每只LED的正向壓降不同，使得每只LED的亮度不同，除非采用單獨的調節的方式來保證每只LED有相同的亮度[4]。所以并聯方式要保證亮度均勻一致，實現起來比較復雜。而采用串聯方式能夠保證流過每只LED的電流相同，亮度一致，是目前常用的結構。

當采用串聯型的驅動方式時，如果其中一個或幾個LED發生故障而斷路（短路對電路影響較小可忽略），會使電路發生斷路而不能正常工作。為了避免此缺陷，可在每個LED兩端反向并聯一個穩壓管（如圖1所示），當某個LED燈珠發生斷路時，其并聯的穩壓管投入工作，保證了串聯燈珠電流不變。要注意的是，穩壓管的穩壓值要比LED的導通電壓要高，否則并聯的穩壓管會分流掉一部分電流而使LED將變暗甚至不亮。

圖1 LED串聯驅動電路Fig.1 LED drive circuit with series

本文采用串聯驅動方式，其LED線性恒流控制電路如圖2所示。

圖2 LED恒流控制電路Fig.2LEDconstant-current control circuit

下面，進行線性恒流源電路的工作原理分析，電路采用互補型兩端恒流源結構，如圖3所示。

圖3 互補型兩端恒流源電路Fig.3 Complementary constant current source circuit with two terminals

晶體管VQ1，穩壓管VZ1和R1構成一個恒流源，此恒流源給穩壓管Z2提供穩定的工作電流，而晶體管VQ2，穩壓管VZ2和R2構成另一個恒流源共給穩壓管VZ1穩定的工作電流。由于兩個恒流源互相穩定對方的穩壓管工作點，使穩定電壓和VZ2以及流過該恒流單元的總電流均不再變化[5]，因此可以保證流過LED的工作電流的恒定。

圖中各電流與電壓之間關系如下：

我們采用的LED燈珠是0.06 W的LED，工作電流為20 mA，為了設計方便，選用的電路元器件是完全對稱的，參數分別為：

R1=R2=R=130 Ω，UZ1=UZ2=UZ=2 V，Ube1=Ube2=Ube=0.7 V，

流經LED的工作總電流ILED為：

恒流源電路提供工作電流為20 mA，滿足所用燈珠要求。

2 測試實驗結果及分析

測試接線如圖2所示，通過調節自耦變壓器改變電壓以模擬電網電壓的變化。通過模擬電網電壓的波動，測試此恒流控制電路在實際電網中的工作特性，觀察LED的工作電流是否會隨著外部電壓的波動而發生大的波動，并對此電路在不同電壓下的效率和LED的結溫進行了實際的測試。

2.1 LED正向電流隨輸入電壓變化的特性

圖4是LED燈珠串工作電流與電源電壓關系曲線。

圖4 電源電壓與LED電流的關系曲線Fig.4 Supply voltage-LED current curve

當電源電壓Ui從220 V增大到250 V時，整流后的直流電壓由310 V變為350 V，而LED燈珠串的工作電流If從20 mA變化到21.5 mA，只變化了1.5 mA。因此可以看出，電路有很好的恒流效果，保證了LED日光燈亮度的基本穩定。

2.2 輸入電壓變化對驅動電路參數的影響

圖5、圖6是隨著輸入電壓變化，加在LED工作電路上的直流電壓與加在LED燈珠串上的電壓及恒流源承擔電壓的變化情況。從圖5、圖6可以看到，輸入電壓經整流后，形成的直流電壓由LED燈珠串與線性恒流源分壓，LED燈珠串上的分壓越多，表明輸入電壓的效率越高，因此通過圖6的分析，可看出本LED驅動電路的電源效率較高。

圖5 輸入電壓Ui（AC）變化對電路的影響Fig.5 Impact of changes in input voltage on circuit

圖6 輸入電壓Ui（AC）變化與電源效率的關系Fig.6 Relationship between changes in input voltage and power efficiency

從圖5可以看出，當電源輸入電壓在200～220 V區間時，通過整流濾波后的直流電壓Ui（DC）大部分都加載在LED的兩端，而恒流控制電路分壓較小；從圖6也可以看出電源輸入電壓小于或等于220 V，電源效率較高，220 V時可達到98.31%。

當電源輸入電壓Ui（AC）高于220 V時，隨著輸入電壓增加，LED兩端的電壓U（led）基本不變（291 V左右），輸入電壓增加的部分基本上由恒流控制電路的電壓U（恒）承擔，這保證了單個LED的正向電壓基本不變（3.1 V），處于恒功率工作狀態，電流及發光量維持了穩定。

2.3 輸入電壓變化對LED結溫的影響

LED的光衰與結溫有很大關系，當結溫升高時正向電壓下降，結電壓下降導致電流增大，增大的電流反過來又引起結電壓下降，形成一個惡性循環。結溫是光衰的一個重要原因，結溫越高越早出現光衰，壽命越短。因此結溫的變化也是考察一個驅動電路的重要指標，這里采用了文獻[6]的方法測量結溫：

其中， Tj（LED）是 LED 結溫，T0是測試的環境溫度（20 ℃），V0是LED的初始正向電壓，VT是LED的熱平衡后的正向電壓（1小時后測定），K是 LED的溫度系數（－2 mV/℃），具體測量是改變輸入電壓，在不同輸入電壓下，先讓LED燈充分冷卻，測量 LED 兩端總電壓，該電壓為 U（led初），過 1個小時，在相同輸入電壓的條件下再次測量LED總電壓，該電壓為U（led末），將U（led初）除總LED個數即可得到單個LED的初始正向電壓VT，將 U（led末）除總 LED個數即可得到單個LED的熱平衡后的正向電壓V0，帶入公式（2）求得LED的結溫，實驗結果如圖7、圖8所示。

圖7 不同輸入電壓下LED電壓變化Fig.7 LED voltage changes under different input voltage

圖8 不同輸入電壓下LED結溫的變化Fig.8 LED junction temperature changes under different input voltage

從圖 7、圖 8可以看出，電源輸入電壓 Ui（AC）不同，但LED兩端的電壓基本保持不變，過一個小時其電壓變化量也很小，且在這個時間段內結溫低低，單個LED的結溫基本不變或微小變化，所以此恒流源控制電路能保證LED的結溫基本穩定且較小，可以減少光衰，有效提高LED日光燈的使用壽命。

3 結論

本文給出的電路結構簡單可靠，創新之處在于把互補恒流電路應用LED的恒流驅動電路中，實驗結果表明，該電路在輸入200～250 V變化的情況下，驅動電流變化僅為1.5 mA，LED結溫低于37℃。這是影響LED燈珠工作最突出的兩個關鍵參數，表明該電路能夠為LED[7]提供一個良好的工作條件。此外，實驗結果表明該電路在正常市電供電情況下（220 V）有很高的電源效率。該電路已用在1.2 m LED日光燈管上，使用效果良好，在設計過程中應該注意根據具體電路的工作電流來進行電路參數的匹配。

[1] 易安.半導體照明21世紀的節能新光源[J].中國創業投資與高科技，2004（8）：28－30.YI An.Semiconductor lighting new energy-saving light sources in 21st century [J].China’s Venture Capital and High Technology,2004 （8） :28－30.

[2] 半導體照明產業發展須關注一個重點[J].電源世界,2009（10）：8.A focus of concern on semiconductor lighting industry[J].The power in the world,2009 （10）：8.

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[4] 馮瑋.白光LED驅動技術[J].現代顯示， 2008（83）：39－42.FENG Wei.The technology of the white LED driver[J].Modern display ，2008 （83）:39－42.

[5] 陳凱良,竺樹聲.恒流源及其應用電路[M].浙江：浙江科學技術出版社，1992.

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