一種新型LED驅動電路設計
2014-10-30 16:27:48李夢
物聯網技術 2014年10期
李夢
摘 要：隨著節能環保要求的提高，發光二極管的應用日趨廣泛，然而LED驅動電路的穩定性與價格限制了其進一步發展。對此，設計一種高性價比的LED驅動電路，具有電壓可調，結構簡單的特點。驅動電路主要由EMI濾波電路，調壓電路，恒壓恒流電路組成。利用軟件進行仿真測試，模擬電網波動，測試設計電路的調壓與恒壓恒流特性。仿真結果表明，該LED驅動電路達到了預期效果。
關鍵詞：LED，驅動電路，恒壓電路，恒流電路
中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）10-00-02
0 引 言
LED具有低功耗、無污染的特點，是節約型的綠色光源，是照明領域的發展趨勢[1]。LED驅動電路是介于電網電壓與LED之間的電源適配器，需滿足高可靠性、高效率、高功率因數等特點，還需要對LED起一定的保護作用[2]。因此，為充分發揮LED的優勢，需配備相應的恒壓恒流驅動電路。本文設計了一種性價比高的新型LED驅動電路，該電路采用光耦與電壓跌落補償電路保證恒壓恒流特性。此電路還具有電壓可調的特點，可驅動工作電流在20～40 mA的發光二極管。
1 電路結構與原理
本文設計的電路主要由濾波電路、調壓電路、光耦恒流電路三個部分組成。輸入電壓為220 V電網電壓，輸出為恒定電壓電流，此電路適用于普通LED燈具。LED驅動電路如圖1所示。
圖1 LED驅動電路圖
其中，第一部分為濾波電路，用于抑制電網諧波與干擾，由C1～C6與TR1組成雙向EMI濾波電路；第二部分為調壓電路，通過選擇合適的L1和TR2參數，滿足使用需求；第三部分為恒流控制電路，輸出與所驅動LED相接。圖1中，BR1為橋式整流電路，用于檢測整流效果，銜接調壓電路。下面詳述三個主要電路。
1.1 濾波電路設計
濾波器由C1～C6與TR1組成雙向電磁干擾（EMI）濾波器。其中，TR1為共模電感，選擇磁導率高、高頻性能好的共模電感可以有效抑制共模噪聲；C1，C2，C5，C6為共模電容，用于抑制高頻共模干擾信號；C3，C4為差模電容，用于抑制電網中的差模噪聲[3]。此濾波電路不僅能夠抑制電網存在的外部電磁干擾，還能避免驅動電路向外部發出噪聲干擾。
EMI濾波參數選擇：共模電感選擇要求磁導率高，高頻性能好。電感大小視額定電流選擇。共模電容取值范圍為2000～6 400 pF，差模電容取值范圍為0.1～1μF。本文的參數設計為，共模電感5 mH/100 Mhz，共模電容3 000 pF，差模電容取值1μF。
1.2 調壓電路設計
本文設計的調壓電路為阻感性負載的交流調壓電路[4]，等效電路如圖2。其中L為電感L1，C為C7，C9，C10等效電容，R為剩余所有元件等效電阻，要求 。
圖2 調壓電路等效電路圖
由等效電路知調壓負載電流應滿足：
其中，uC為電解電容最大儲能值。
解得：
其中：ω0為初始頻率，ω為輸出頻率，，β為輸出電壓滯后輸入電壓角度。
在本電路中，等效電路L1=1 500 mH時，經調壓電路輸出的電壓幅值為55 V，輸出頻率為100 Hz。輸出電壓接近正弦波，在幅值附近近似線性。
1.3 恒壓恒流電路
在恒壓恒流恒流電路中，D1，D4，R4，R10，R22組成電壓控制電路，Q1，R4與R5組成電壓跌落補償控制電路，R6，R7與U1組成恒流控制電路。L11與C14使驅動電路與負載電路隔離開來，避免相互影響[5]。
恒壓工作原理：電路正常工作時，輸入電壓經D2，R3，R5，R4為Q1提供基極偏執電流，輸出電壓為R5壓降與穩壓管D4之和。當電壓發生跌落情況，負載電流通過R3，由此在R3上產生的壓降使D1導通，經過R22，為Q1提供基極偏置電流，使得負載電流增加，輸出電壓增加，補償電壓跌落直至電路正常工作，由此保證電路輸出電壓恒定。
恒流工作原理：恒流電路可以根據需求預先設定恒流電流大小。當U1引腳1上輸出電流沒有達到恒流設定點，R7壓降很低，接近于地，此時光耦不發揮作用，為電流輸出。當U1引腳1上輸出電流到達設定點，集電極端R7上壓降增大，此電壓經過電阻R6轉換為電流又增加到引腳1端，使輸出電流趨于穩定，穩定電流與設定恒流電流相等。
2 調壓電路仿真測試
在電壓輸出端接3盞LED，串聯電阻為1 kΩ。將調壓電路輸出端接示波器信號A，將恒壓恒流電路輸出端接示波器B，示波器上得到波形如圖3（其中黑色為信號A，紅色為信號B），調整電感L1，得到調壓電路測試數據如表1。 由表1可知，電感L1在500～2 000 mH之間變化時，驅動電路輸出電壓在55.5～20.5 V內連續可調。
3 恒壓恒流電路仿真測試
在測試中電感L1固定不變（本文L1=1 000 mH），即調壓電壓輸出端不變，電流輸出端串聯1盞LED，將恒流恒壓電路輸出端接示波器信號A，在電流輸出端接電流探針。調整電源電壓在±10%內波動，得到恒流恒壓電路測試數據如表2。由表2可以看出，輸入電壓在±10%內波動時，輸出電流波動不超過5%，輸出電壓波動不超過9%，滿足LED驅動電路設計要求。
圖3 LED驅動電路輸出波形圖
表1 調壓電路測試數電感L（mH） 調壓電路輸出
電壓最大值（V） 調壓電路輸出
電壓最小值（V） 驅動電路
電壓輸出（V）
500 150 -200 55.57
800 100 -132 39.85
1 300 65 -80 27.76
1 500 54 -75 25.04
2 000 45 -53 20.54
表2 恒流恒壓電路測試數據
輸入電壓值（V） 驅動電路輸出電流（mA） 輸出
電流波動 驅動電路輸出電壓（V） 輸出
電壓波動
237.6 22.94 0.79% 35.96 6.08%
227.7 22.87 0.48% 34.84 2.78%
220 22.76 0 33.9 0
212.3 22.50 -1.14% 33.1 -2.36%
205.7 22.36 -1.76% 32.35 -4.57%
198 21.98 -3.43% 31.35 -7.52%
4 結 語
本文設計了一種新型LED驅動電路，此電路不僅具有較好的恒流恒壓特性，還具有輸出電壓可調的特點，且輸出電壓與輸出電流端都與驅動電路相互隔離，避免驅動電路和LED負載電路相互影響。測試結果表明，在電網電壓波動±10%內，輸出電壓與電流波動在4%和8%之間，電感在500～2000 mH范圍內變化時，相應輸出電壓變化范圍為20.5～55.5 V之間，滿足LED驅動電路的使用要求。
參考文獻
[1].半導體照明產業發展須關注一個重點[J].電源世界，2009（10）：8.
[2]甘彬，馮紅年，金尚忠.大功率白色發光二極管的特性研究[J].光學儀器，2005（5）：34-36.
[3]裘喬安，余萬能，褚建新.通用變頻器輸出濾波電路設計[J].上海海事大學學報，2007（4）：45-49.
[4]何華斌.改善諧波影響的電子調壓電路設計與仿真分析[J].計算機仿真，2013，30（4）：125-128，434.
[5]鄭祺，劉廷章，楊潔翔.基于初級控制的LED恒流驅動電路的設計[J].電力電子技術，2011，45（7）：78-80
摘 要：隨著節能環保要求的提高，發光二極管的應用日趨廣泛，然而LED驅動電路的穩定性與價格限制了其進一步發展。對此，設計一種高性價比的LED驅動電路，具有電壓可調，結構簡單的特點。驅動電路主要由EMI濾波電路，調壓電路，恒壓恒流電路組成。利用軟件進行仿真測試，模擬電網波動，測試設計電路的調壓與恒壓恒流特性。仿真結果表明，該LED驅動電路達到了預期效果。
關鍵詞：LED，驅動電路，恒壓電路，恒流電路
中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）10-00-02
0 引 言
LED具有低功耗、無污染的特點，是節約型的綠色光源，是照明領域的發展趨勢[1]。LED驅動電路是介于電網電壓與LED之間的電源適配器，需滿足高可靠性、高效率、高功率因數等特點，還需要對LED起一定的保護作用[2]。因此，為充分發揮LED的優勢，需配備相應的恒壓恒流驅動電路。本文設計了一種性價比高的新型LED驅動電路，該電路采用光耦與電壓跌落補償電路保證恒壓恒流特性。此電路還具有電壓可調的特點，可驅動工作電流在20～40 mA的發光二極管。
1 電路結構與原理
本文設計的電路主要由濾波電路、調壓電路、光耦恒流電路三個部分組成。輸入電壓為220 V電網電壓，輸出為恒定電壓電流，此電路適用于普通LED燈具。LED驅動電路如圖1所示。
圖1 LED驅動電路圖
其中，第一部分為濾波電路，用于抑制電網諧波與干擾，由C1～C6與TR1組成雙向EMI濾波電路；第二部分為調壓電路，通過選擇合適的L1和TR2參數，滿足使用需求；第三部分為恒流控制電路，輸出與所驅動LED相接。圖1中，BR1為橋式整流電路，用于檢測整流效果，銜接調壓電路。下面詳述三個主要電路。
1.1 濾波電路設計
濾波器由C1～C6與TR1組成雙向電磁干擾（EMI）濾波器。其中，TR1為共模電感，選擇磁導率高、高頻性能好的共模電感可以有效抑制共模噪聲；C1，C2，C5，C6為共模電容，用于抑制高頻共模干擾信號；C3，C4為差模電容，用于抑制電網中的差模噪聲[3]。此濾波電路不僅能夠抑制電網存在的外部電磁干擾，還能避免驅動電路向外部發出噪聲干擾。
EMI濾波參數選擇：共模電感選擇要求磁導率高，高頻性能好。電感大小視額定電流選擇。共模電容取值范圍為2000～6 400 pF，差模電容取值范圍為0.1～1μF。本文的參數設計為，共模電感5 mH/100 Mhz，共模電容3 000 pF，差模電容取值1μF。
1.2 調壓電路設計
本文設計的調壓電路為阻感性負載的交流調壓電路[4]，等效電路如圖2。其中L為電感L1，C為C7，C9，C10等效電容，R為剩余所有元件等效電阻，要求 。
圖2 調壓電路等效電路圖
由等效電路知調壓負載電流應滿足：
其中，uC為電解電容最大儲能值。
解得：
其中：ω0為初始頻率，ω為輸出頻率，，β為輸出電壓滯后輸入電壓角度。
在本電路中，等效電路L1=1 500 mH時，經調壓電路輸出的電壓幅值為55 V，輸出頻率為100 Hz。輸出電壓接近正弦波，在幅值附近近似線性。
1.3 恒壓恒流電路
在恒壓恒流恒流電路中，D1，D4，R4，R10，R22組成電壓控制電路，Q1，R4與R5組成電壓跌落補償控制電路，R6，R7與U1組成恒流控制電路。L11與C14使驅動電路與負載電路隔離開來，避免相互影響[5]。
恒壓工作原理：電路正常工作時，輸入電壓經D2，R3，R5，R4為Q1提供基極偏執電流，輸出電壓為R5壓降與穩壓管D4之和。當電壓發生跌落情況，負載電流通過R3，由此在R3上產生的壓降使D1導通，經過R22，為Q1提供基極偏置電流，使得負載電流增加，輸出電壓增加，補償電壓跌落直至電路正常工作，由此保證電路輸出電壓恒定。
恒流工作原理：恒流電路可以根據需求預先設定恒流電流大小。當U1引腳1上輸出電流沒有達到恒流設定點，R7壓降很低，接近于地，此時光耦不發揮作用，為電流輸出。當U1引腳1上輸出電流到達設定點，集電極端R7上壓降增大，此電壓經過電阻R6轉換為電流又增加到引腳1端，使輸出電流趨于穩定，穩定電流與設定恒流電流相等。
2 調壓電路仿真測試
在電壓輸出端接3盞LED，串聯電阻為1 kΩ。將調壓電路輸出端接示波器信號A，將恒壓恒流電路輸出端接示波器B，示波器上得到波形如圖3（其中黑色為信號A，紅色為信號B），調整電感L1，得到調壓電路測試數據如表1。 由表1可知，電感L1在500～2 000 mH之間變化時，驅動電路輸出電壓在55.5～20.5 V內連續可調。
3 恒壓恒流電路仿真測試
在測試中電感L1固定不變（本文L1=1 000 mH），即調壓電壓輸出端不變，電流輸出端串聯1盞LED，將恒流恒壓電路輸出端接示波器信號A，在電流輸出端接電流探針。調整電源電壓在±10%內波動，得到恒流恒壓電路測試數據如表2。由表2可以看出，輸入電壓在±10%內波動時，輸出電流波動不超過5%，輸出電壓波動不超過9%，滿足LED驅動電路設計要求。
圖3 LED驅動電路輸出波形圖
表1 調壓電路測試數電感L（mH） 調壓電路輸出
電壓最大值（V） 調壓電路輸出
電壓最小值（V） 驅動電路
電壓輸出（V）
500 150 -200 55.57
800 100 -132 39.85
1 300 65 -80 27.76
1 500 54 -75 25.04
2 000 45 -53 20.54
表2 恒流恒壓電路測試數據
輸入電壓值（V） 驅動電路輸出電流（mA） 輸出
電流波動 驅動電路輸出電壓（V） 輸出
電壓波動
237.6 22.94 0.79% 35.96 6.08%
227.7 22.87 0.48% 34.84 2.78%
220 22.76 0 33.9 0
212.3 22.50 -1.14% 33.1 -2.36%
205.7 22.36 -1.76% 32.35 -4.57%
198 21.98 -3.43% 31.35 -7.52%
4 結 語
本文設計了一種新型LED驅動電路，此電路不僅具有較好的恒流恒壓特性，還具有輸出電壓可調的特點，且輸出電壓與輸出電流端都與驅動電路相互隔離，避免驅動電路和LED負載電路相互影響。測試結果表明，在電網電壓波動±10%內，輸出電壓與電流波動在4%和8%之間，電感在500～2000 mH范圍內變化時，相應輸出電壓變化范圍為20.5～55.5 V之間，滿足LED驅動電路的使用要求。
參考文獻
[1].半導體照明產業發展須關注一個重點[J].電源世界，2009（10）：8.
[2]甘彬，馮紅年，金尚忠.大功率白色發光二極管的特性研究[J].光學儀器，2005（5）：34-36.
[3]裘喬安，余萬能，褚建新.通用變頻器輸出濾波電路設計[J].上海海事大學學報，2007（4）：45-49.
[4]何華斌.改善諧波影響的電子調壓電路設計與仿真分析[J].計算機仿真，2013，30（4）：125-128，434.
[5]鄭祺，劉廷章，楊潔翔.基于初級控制的LED恒流驅動電路的設計[J].電力電子技術，2011，45（7）：78-80
摘 要：隨著節能環保要求的提高，發光二極管的應用日趨廣泛，然而LED驅動電路的穩定性與價格限制了其進一步發展。對此，設計一種高性價比的LED驅動電路，具有電壓可調，結構簡單的特點。驅動電路主要由EMI濾波電路，調壓電路，恒壓恒流電路組成。利用軟件進行仿真測試，模擬電網波動，測試設計電路的調壓與恒壓恒流特性。仿真結果表明，該LED驅動電路達到了預期效果。
關鍵詞：LED，驅動電路，恒壓電路，恒流電路
中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）10-00-02
0 引 言
LED具有低功耗、無污染的特點，是節約型的綠色光源，是照明領域的發展趨勢[1]。LED驅動電路是介于電網電壓與LED之間的電源適配器，需滿足高可靠性、高效率、高功率因數等特點，還需要對LED起一定的保護作用[2]。因此，為充分發揮LED的優勢，需配備相應的恒壓恒流驅動電路。本文設計了一種性價比高的新型LED驅動電路，該電路采用光耦與電壓跌落補償電路保證恒壓恒流特性。此電路還具有電壓可調的特點，可驅動工作電流在20～40 mA的發光二極管。
1 電路結構與原理
本文設計的電路主要由濾波電路、調壓電路、光耦恒流電路三個部分組成。輸入電壓為220 V電網電壓，輸出為恒定電壓電流，此電路適用于普通LED燈具。LED驅動電路如圖1所示。
圖1 LED驅動電路圖
其中，第一部分為濾波電路，用于抑制電網諧波與干擾，由C1～C6與TR1組成雙向EMI濾波電路；第二部分為調壓電路，通過選擇合適的L1和TR2參數，滿足使用需求；第三部分為恒流控制電路，輸出與所驅動LED相接。圖1中，BR1為橋式整流電路，用于檢測整流效果，銜接調壓電路。下面詳述三個主要電路。
1.1 濾波電路設計
濾波器由C1～C6與TR1組成雙向電磁干擾（EMI）濾波器。其中，TR1為共模電感，選擇磁導率高、高頻性能好的共模電感可以有效抑制共模噪聲；C1，C2，C5，C6為共模電容，用于抑制高頻共模干擾信號；C3，C4為差模電容，用于抑制電網中的差模噪聲[3]。此濾波電路不僅能夠抑制電網存在的外部電磁干擾，還能避免驅動電路向外部發出噪聲干擾。
EMI濾波參數選擇：共模電感選擇要求磁導率高，高頻性能好。電感大小視額定電流選擇。共模電容取值范圍為2000～6 400 pF，差模電容取值范圍為0.1～1μF。本文的參數設計為，共模電感5 mH/100 Mhz，共模電容3 000 pF，差模電容取值1μF。
1.2 調壓電路設計
本文設計的調壓電路為阻感性負載的交流調壓電路[4]，等效電路如圖2。其中L為電感L1，C為C7，C9，C10等效電容，R為剩余所有元件等效電阻，要求 。
圖2 調壓電路等效電路圖
由等效電路知調壓負載電流應滿足：
其中，uC為電解電容最大儲能值。
解得：
其中：ω0為初始頻率，ω為輸出頻率，，β為輸出電壓滯后輸入電壓角度。
在本電路中，等效電路L1=1 500 mH時，經調壓電路輸出的電壓幅值為55 V，輸出頻率為100 Hz。輸出電壓接近正弦波，在幅值附近近似線性。
1.3 恒壓恒流電路
在恒壓恒流恒流電路中，D1，D4，R4，R10，R22組成電壓控制電路，Q1，R4與R5組成電壓跌落補償控制電路，R6，R7與U1組成恒流控制電路。L11與C14使驅動電路與負載電路隔離開來，避免相互影響[5]。
恒壓工作原理：電路正常工作時，輸入電壓經D2，R3，R5，R4為Q1提供基極偏執電流，輸出電壓為R5壓降與穩壓管D4之和。當電壓發生跌落情況，負載電流通過R3，由此在R3上產生的壓降使D1導通，經過R22，為Q1提供基極偏置電流，使得負載電流增加，輸出電壓增加，補償電壓跌落直至電路正常工作，由此保證電路輸出電壓恒定。
恒流工作原理：恒流電路可以根據需求預先設定恒流電流大小。當U1引腳1上輸出電流沒有達到恒流設定點，R7壓降很低，接近于地，此時光耦不發揮作用，為電流輸出。當U1引腳1上輸出電流到達設定點，集電極端R7上壓降增大，此電壓經過電阻R6轉換為電流又增加到引腳1端，使輸出電流趨于穩定，穩定電流與設定恒流電流相等。
2 調壓電路仿真測試
在電壓輸出端接3盞LED，串聯電阻為1 kΩ。將調壓電路輸出端接示波器信號A，將恒壓恒流電路輸出端接示波器B，示波器上得到波形如圖3（其中黑色為信號A，紅色為信號B），調整電感L1，得到調壓電路測試數據如表1。 由表1可知，電感L1在500～2 000 mH之間變化時，驅動電路輸出電壓在55.5～20.5 V內連續可調。
3 恒壓恒流電路仿真測試
在測試中電感L1固定不變（本文L1=1 000 mH），即調壓電壓輸出端不變，電流輸出端串聯1盞LED，將恒流恒壓電路輸出端接示波器信號A，在電流輸出端接電流探針。調整電源電壓在±10%內波動，得到恒流恒壓電路測試數據如表2。由表2可以看出，輸入電壓在±10%內波動時，輸出電流波動不超過5%，輸出電壓波動不超過9%，滿足LED驅動電路設計要求。
圖3 LED驅動電路輸出波形圖
表1 調壓電路測試數電感L（mH） 調壓電路輸出
電壓最大值（V） 調壓電路輸出
電壓最小值（V） 驅動電路
電壓輸出（V）
500 150 -200 55.57
800 100 -132 39.85
1 300 65 -80 27.76
1 500 54 -75 25.04
2 000 45 -53 20.54
表2 恒流恒壓電路測試數據
輸入電壓值（V） 驅動電路輸出電流（mA） 輸出
電流波動 驅動電路輸出電壓（V） 輸出
電壓波動
237.6 22.94 0.79% 35.96 6.08%
227.7 22.87 0.48% 34.84 2.78%
220 22.76 0 33.9 0
212.3 22.50 -1.14% 33.1 -2.36%
205.7 22.36 -1.76% 32.35 -4.57%
198 21.98 -3.43% 31.35 -7.52%
4 結 語
本文設計了一種新型LED驅動電路，此電路不僅具有較好的恒流恒壓特性，還具有輸出電壓可調的特點，且輸出電壓與輸出電流端都與驅動電路相互隔離，避免驅動電路和LED負載電路相互影響。測試結果表明，在電網電壓波動±10%內，輸出電壓與電流波動在4%和8%之間，電感在500～2000 mH范圍內變化時，相應輸出電壓變化范圍為20.5～55.5 V之間，滿足LED驅動電路的使用要求。
參考文獻
[1].半導體照明產業發展須關注一個重點[J].電源世界，2009（10）：8.
[2]甘彬，馮紅年，金尚忠.大功率白色發光二極管的特性研究[J].光學儀器，2005（5）：34-36.
[3]裘喬安，余萬能，褚建新.通用變頻器輸出濾波電路設計[J].上海海事大學學報，2007（4）：45-49.
[4]何華斌.改善諧波影響的電子調壓電路設計與仿真分析[J].計算機仿真，2013，30（4）：125-128，434.
[5]鄭祺，劉廷章，楊潔翔.基于初級控制的LED恒流驅動電路的設計[J].電力電子技術，2011，45（7）：78-80
