反激式LED恒流驅動電路的設計與實現

包偉+田麗+杜道昶

摘 要 本文針對LED驅動電路質量參差不齊的現狀，設計了一種反激式變換LED恒流驅動電路，其輸出功率為120W，輸出電壓為33V～37V，該電路采用串并混合連接，結合功率因數校正電路和反激式變換電路等方法來實現恒流驅動電路的設計。性能測試表明，其輸出恒流效果較好，電流穩定度約2.7%，輸出電壓紋波低，可用于恒流驅動混聯方式組成的多只LED陣列。

關鍵詞 LED光源；反激式；恒流電路；功率因數校正；連續導通模式

中圖分類號TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）161-0174-03

LED即為發光二極管的縮寫，其英文全稱為Light Emitting Diode，它是在具備普通二極管性質的基礎上，具有發光特質的半導體組件。在其工作過程中，LED的核心為具有單向導電性能的PN結，當給予PN結正向電壓時，電能會被轉化為光能，這是由于電子會由N區移動至P區，當電子與多數載流子在P區進行復合是，便會以光的形式將多余的能量釋放出來。反之，當給予PN結負向電壓時，少數載流子難以與電子復合，空間電荷區變寬，則沒有多余的能量釋放，故不能發光。通常采用發光效率、發光強度、光通量、光強分布和波長等參數來表達LED的光學特性。

基于LED的壽命長、效率高和節能環保等特點，目前已經被廣泛應用于城市照明中。結合LED的光通量與電流關系曲線，以及伏安特性曲線的分析，可以得出電流大小對其光照強度有決定性的影響，電流也對其光通量有必然的影響，所以恒定的電流條件才能獲得穩定光照強度。基于此，本文對電流的恒定性進行研究，設計了一種反激式電路，其輸出功率為120W，輸出電壓為33V～37V，該電路可以通過結合功率因數校正電路和反激式變換電路的方法來進行設計，采用串聯和并聯混合使用的方法，為120只功率為1W的LED照明燈提供電流輸入。最終，本文建立了一種反激式LED恒流驅動電路。

1 LED恒流驅動電路組成

本文結合功率因數校正電路和反激式變換電路的理念，設計了一種恒流驅動的LED電路。它主要有220V交流電壓為輸入，通過EMI濾波、整波濾波、升壓交變等部分組成，其中，交變電流通過EMI濾波及整流濾波后，繼而進入到校正電路中對功率進行校正，而后續的反激式變換電路則進行降壓交換處理，恒流控制則采用AP4310芯片為核心的電路進行，繼而抽樣調整，最終將穩定的恒流輸入到LED光照設備中。該電路體系中，通過過流、過壓以及過溫3種保護方式來進行電路保護。

2 LED恒流驅動電路設計

2.1 LED負載為混聯方式

如圖1所示，LED負載排布為串聯和并聯混合使用的矩陣排布方式，對120只功率均為1W的LED燈組成。其中，串聯的LED上的電流基本一致，但由于數量較多，其輸出電壓則會較大；采用并聯方式連接是，其輸出電壓相對較低，但對驅動電流容量要求則相對高一些。

式中，I1-L表示支路電流，I0為總輸出電流，L為LED的并聯列數，V0為輸出電壓，Vi為單個LED燈的正向電壓，H為單個并聯支路中串聯的LED燈個數，RP則表示其單個LED的電阻。

2.2 LED恒流源輸入整流濾波電路設計

如圖2所示為EMI濾波及整流濾波電路，其中R1-3為壓敏電阻器，主要用來電路中的過電壓，R4為熱敏電阻，用來調整電路接通瞬間的浪通電流。而兩級共軛濾波電路則由LP1-2和R5-6等部分組成，RY1-2接機。B1為整流橋，主要實現電壓的直流轉換。

2.3 功率因數校正電路設計

功率因素校正的主要有單級式和雙級式這兩種電路的結構[ 1 ]。在這篇文章里所采用的是雙極式的電路。這一功率校正電路的前級所采用的壓式變換器是以OB6563這一芯片組成的，由于功率因數的大大增加，使其能夠提供大概400V直流電壓以確保后級電路的工作。在連續導通CCM模式的控制之下，電路控制策略是由芯片的乘法器進行運算的。在這款高性能的PFC芯片，擁有著9.5V～28V的較為寬廣的工作范圍[2，3]，而與大電壓范圍對應的缺失較小的工作電流。對于其組成部分，則包含了場效應模式下的管驅動邏輯電路、零電流的檢測（ZCD）處理電路以及針對總諧波分布進行優化的乘法器等，能夠對電流進行逐周期的限制，并且還能夠在電壓不夠時進行限制，在電壓過高時進行保護的功能。

2.4 恒流控制電路設計

如圖3所示為恒流控制的電路圖，圖中運放負反饋元件為C4～5、R6～7，Rt為熱敏電阻，R13～14為電阻，其與Q3形成過溫補償電路。由圖可知，其中AP4310芯片為核心組成部分之一，且該芯片擁有獨立的兩路開環誤差放大器[4，5]。在其工作過程中，通過運放1來進行電壓的操控，由R1 1等進行輸出電壓LED到芯片2腳的等分壓輸入處理，且保持其3腳處擁有2.5V的穩定電壓。對于其二極管D1的光耦，則由放大器1進行輸出，以進行LED電壓的反饋電路的構建。而電流操控則由運放2進行。對R3電阻進行電流取樣，并將其轉換的電壓輸送到芯片6腳，對于二極管D3的光耦則由放大器2進行輸出，以進行LED電流的反饋電路的構建，且在此過程中，反饋位置為如前所述反激式變換級，以對電流進行穩定處理。

2.5 部分參數測試

論文的試驗結果如圖4所示。圖中的（a）圖是功率因數乘法器輸入電壓取樣點電壓，電壓值保持在0.8V左右。如圖4（b）所示為針對功率因數乘法器的輸出電壓的取樣結果，約為2.4V。如圖4（c）所示為反激變換場效應條件下的管漏極電壓的波形圖。從圖中能夠發現，漏極電壓幅值峰的最高值大概是340V，并保持在5.5μs左右的導通時間。如圖4（d）所示為對于反激變換電路進行電流取樣后的電阻電壓的波形圖，其電壓的最大極值約為0.24V左右，當達到峰值時，立馬停止場效應管。如圖4（e）所示為輸出電流-電壓的曲線，當其電壓處于220V時，該曲線則可以對調整負載進行檢測獲得。【560】在負載在10Ω到24Ω變化時（之中間隔1Ω），單只LED管電流開始從0.290A慢慢降低到0.282A，電流變化量大概是0.08A，電流穩定程度大概是2.7%，電壓從35.2V提升到約36.8V后，開始變得恒定。圖中的（f）是LED恒定電流源輸出電壓紋波曲線，在圖上可以發現，紋波比較小，最高值大概是70mV。利用針對LED恒定電流源開始長時間運作通電檢測，結論表示運作穩定，可以達到驅動數只大功率LED的目的。

3 結論

本文通過理論分析，核心內容是構造了一種輸出功率是120W的反激式變換LED恒定電流驅動電路，它的輸出電壓范圍是33V～37V，可以在120只功率是1W的LED管運用10串聯12并聯混合聯接的模式構成的LED陣列中供給驅動電源。借助對它們功率因數校正電路、反激式變換電路、恒定電流操控電路采取試驗和性能檢測，可以發現它們的負載在10Ω到24Ω變換時，恒定電流效果更好，電流穩定程度為2.7%左右，輸出電壓紋波較低，僅僅是70mV左右，有效地展現了該反激式LED恒定電流驅動電路，實現了大功率LED驅動和穩定電流的作用。

參考文獻

[1]李環平.LED驅動電源的研究與設計[D].華南理工大學，2010.

[2]李振森.單級PFC反激式LED驅動電源設計與研究[D].杭州電子科技大學，2010.

[3]蔣匯.一種離線反激式的LED恒流驅動芯片設計[D].電子科技大學，2014.

[4]王世松，劉廷章，尚曉鋒，沈晶杰.基于TNY279的LED恒流驅動電路的設計與實現[J].電力電子技術，2011（3）：93-96.

[5]劉濤.LED恒流驅動開關電源的研制[D].電子科技大學，2009.