照明LED驅動電路探討

周巨青

摘要： 對幾種照明LED驅動電路作了比較和分析，論述了恒流驅動的必要性。

關鍵詞：LED照明；恒流驅動；離線驅動；隔離式

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）34-0217-03

LED照明已經成為必然趨勢。LED照明燈具節能、環保、安全、可靠、壽命長、體積小，光效可達到50 ～200lm /W，在相同照明效果的情況下，耗電量遠低于過去的普通照明燈。它不像熒光燈那樣含有有毒的汞，也沒有紫外線輻射。超高亮度LED的迅猛發展，使得LED照明的普及越來越近了。LED照明燈具將進入普通家庭，成為一種廣泛使用的照明光源。

LED光源不同于其他光源的一個方面是驅動。驅動技術的研究成為LED照明發展的關鍵問題。恒流驅動有其獨特的優越性。

1 為什么要恒流驅動

LED是一款典型的電流驅動型器件。從以下幾個方面可以理解恒流驅動的必要性。首先，由于 LED的非線性，其正向電壓微小的變化會引起正向電流很大的變化，甚至燒毀LED。如圖1為某1W的白光LED的伏—安特性：在線性區間電流隨電壓變化迅速導致亮度變化。而且白光LED在大電流下會出現飽和現象，溫度變化也會引起電流的變化，使燈具亮度不穩。可見，必須控制照明LED恒流工作才行。

采用照明LED恒流驅動，可保證白光LED工作在其額定電流的范圍內，提高白光LED工作的可靠性；可以獲得預期的白光LED工作電流的匹配度，使各白光LED的亮度和色度保持一致。為了實現較理想的驅動效果，產生了不同的驅動電路，其中離線LED驅動電路是其中的一類。

2 照明LED驅動電路探討

目前照明LED均采用直流驅動，在市電與LED之間需要加一個LED驅動電源，它的基本功能是把交流市電轉換成合適LED的直流電，同時進行其他控制，如恒流驅動、開關、調光等。照明LED 驅動器必須提供最高效率以確保節省功率。出于安全考慮，可能需要提供電氣隔離。必須提供功率因數校正 （PFC） 和低諧波失真性能，以適用于多種應用。在很多住宅應用中，照明LED 驅動器還必須提供用現有 TRIAC 調光器調光的能力，總體體積應該適當的小，以便安裝在有限的空間里。適當的低成本以吸引商用和住宅用戶用 LED 燈更換現有照明燈。為了提高電源的效率，需要增加LED串中LED數目。如果做成LED燈具，就需要幾十只或更多LED。通常使用 “串并串”或“并串并”等交叉陣列形式以改善其可靠性。市電供電的LED驅動電路有多種分類方法。

1） 按照是不是恒流驅動

分為穩壓式和恒流式驅動。恒流式驅動電路符合LED 特性，能夠保證在一定的電壓變化范圍內有恒流輸出。恒流電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。相對而言價格較高、LED數量受限。穩壓式電路輸出的電流卻隨著負載的增減而變化，在開路時保護性好但不能發生負載完全短路現象。

2） 按照燈具與市電是否隔離來分

隔離式開關電源：通過脈沖變壓器傳輸能量，輸入輸出電氣隔離，使用光電耦合器進行負反饋控制，因此認為比較安全。電路形式有單端正激式、單端反激式、推挽式、全橋式、半橋式等。

隔離式開關電源效率較高，一般可以做到70%～80%，應用較廣。但是，由于其振蕩頻率是不連續，開關頻率控制難度較大，輸出的電壓波紋系數比較大。PWM控制方式的開關電源的輸出電壓或電流穩定，效率極高，一般可以做到80%～90%以上，輸出電壓、電流穩定。一般都有完善的保護措施，屬高可靠性電源。

非隔離式開關電源的輸出端與輸入端電氣相通，觸及電路會有危險。其結構有串聯式結構、并聯式結構、極性反轉型變換器結構等。一般認為隔離型驅動安全但效率較低，非隔離型驅動效率較高，應按實際使用的要求來選。

3） 按照PWM調節方式

大功率LED不適合采用線性手段來調節亮度，因此優先選用PWM調節方式。主要方式有：①脈寬調制方式。②頻率調制方式。③位角調制方式。位角調制是采用一串含有二開關穩壓器，是最昂貴及技術最復雜的LED電流控制方案。

4） 按照驅動方式分為線性驅動和開關型驅動

線性驅動是最為簡單和直接的驅動方式。但是在照明級白光LED應用中存在著效率低、調節性差等問題。

開關型驅動方式主要分為降壓式、升壓式和升壓-降壓式等。

在電源電壓高于LED需要的端電壓時，可以采用降壓式開關驅動。在電源電壓低于LED需要的電壓時可以采用升壓式開關驅動。

5） 按照電路的基本結構

可以分為電容降壓LED驅動電路、變壓器降壓LED驅動電路、線性電流源LED驅動電路、高壓控制器LED驅動電路、開關恒流驅動電路及帶隔離的開關電源等。大多數的LED驅動電路都屬于降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC和反激式拓撲等。

3 LED驅動電路分析

3.1 電容降壓整流電路

這是非隔離式。由于LED的電壓低，如果LED串中二極管的數目有限，便需要串聯降壓電阻或降壓電容。電阻降壓在市電供電時也能見到，多用于指示電路。圖2電路中串聯電阻起限流作用。

電容降壓LED驅動電路如圖3所示，其后可以安排線性電流源等用于驅動LED。降壓電容為C1，R1為C1的泄放電阻。通過選擇合適的電容量，便可以適應負載LED的需要。電容降壓電路簡單，成本低廉，但是它不能實現恒流驅動，當電源電壓波動時LED電流會隨之波動，而且它效率很低，功率越大問題越明顯。除了簡單應用外，一般不采用。

3.2 變壓器降壓整流電路

變壓器降壓LED驅動電路如圖4所示。這是隔離式。一般地將電源用變壓器降壓、整流濾波后供給LED串。變壓器降壓LED驅動電路的電源效率不高、電流穩定性很差。endprint

在需要多個LED串并聯使用時，為了保證各個并聯分支LED亮度一致性，可以使用多個恒電流源，如圖5。相對比較而言，恒電流輸出模式比恒電壓模式更適合在照明領域中使用，無論在能量轉換效率、發光亮度穩定性方面都更好些。

對于一些恒流驅動電路，往往都要引入負反饋，構成恒流源LED驅動電路，使線性恒流源驅動電路的電流穩定度比前一個有了提升。它往往具有過壓、過熱保護、靈活的開關及調光控制功能等，電路簡單、實用。但是受器件功率限制，它并不適合大功率應用。

使用低壓差新型線性電流源（LDO）可以進一步提高電源效率。一些LDO的輸出電壓與輸入電壓的差值可以很小，可以達到0.1V甚至更低。因此它在便攜式電子產品中越來越受歡迎。

3.3 開關型DC-DC變換器

PWM開關穩壓的基本原理是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下，通過將被控制信號與基準信號進行比較、閉環反饋，調節主電路開關器件導通的脈沖寬度，使得開關電源的輸出電壓或電流穩定（即相應穩壓電源或恒流電源）。這種電源效率很高，一般可以做到80%～90%以上，輸出電壓、電流穩定。一般這種電路都有完善的保護措施，屬高可靠性電源。

（1） 變壓器降壓整流+DC-DC變換器

這是隔離式。變壓器降壓整流之后，可以連接電感降壓開關變換器、電感升壓開關變換器、電荷泵開關驅動器或電感升壓-降壓開關變換器等構成LED恒流驅動電路。開關型驅動器具有更高的電源效率和控制靈活性。

①電荷泵驅動電路：電容式電荷泵可以組成升壓式或降壓式結構。電荷泵電路輸出電流受限制，電源效率也比電感升壓的要低，約為70%，LED 串數目也受限制。電荷泵型不但開關數量多，而且沖擊電流較大。

②電感升壓型開關變換器：一個實際電路如圖6。

它是由CAT37構成的4只白光LED驅動電路。CAT37的輸入電壓是2.5～7V，工作于1.2MHz固定頻率，有調光功能、負載開路和過電流保護功能等。在控制電路的作用下MOSFET處于導通和關斷兩種狀態，狀態的切換時間極短。當MOSFET管導通時，電感中電流增加，電能轉換成電感L1中的磁場能。此期間電容C2中儲存的能量對LED供電；當MOSFET截止時，電源電壓VIN與電感L1中電動勢同向串聯疊加（升壓變換）后對電容C2充電且對LED供電。此電路同時對MOSFET串聯的電阻RSEN1和LED串電流檢測電阻RSEN2中的電流進行檢測，去控制MOSFET的開通時間長短，從而控制LED中電流穩定。

電感升壓開關變換器的效率可達80～85%，比電荷泵驅動器的效率高；恒流控制特性保證了在較寬的電池電壓范圍內有穩定的亮度。但是，電感升壓開關穩壓器的價格較高、體積較大、LED串數量受限制。

③電感降壓型變換器：如圖7是降壓式變換器的原理圖。其中VT1是開關管，VD1是續流二極管，L為降壓電感。在開關管導通時電流線性上升，電感中儲存磁能；當開關管截止時，電感L經續流二極管構成電流回路，電流線性下降（因此LED中有連續的電流）。

降壓式電源較適合用于AC220V。整流濾波后約300V，經過降壓恒流驅動電路，一般可以適應需要。因為高壓小電流輸出，效率可以做得較高。一般選用MOSFET做開關管。

在升壓式、升壓-降壓式和降壓式三種標準的DC-DC變換器中，只有降壓變換器有著與LED相等的電感平均電流，甚至可以在沒有輸出電容的情況下正常運行。相對來說，降壓式DC-DC變換器的效率較高。

④升壓-降壓式變換器：輸出電壓可能高于、也可能低于輸入電壓，通常使用升壓、降壓變換器。這種方式不常見于市電供電的場合。

（2） 高壓控制器LED驅動電路

為了不使用變壓器，可以直接對市電整流，用高壓控制器件來構成恒流驅動電路。

3.4 隔離式開關電源LED驅動電路

隔離式開關電路使用變壓器隔離初次級，從而將二次側與一次側隔離，一般使用PWM控制方式。有三種基本類型：逆向隔離變換器（反激式）、正向隔離變換器（正激式）、推挽隔離變換器。其他變換電路，如單端正激，單端反激，半橋和全橋變換電路等。效率高（一般都有90%以上），因為是變壓的主次級分開，安全性較高。

隔離式開關驅動電路的主回路一般包含供電輸入端、開關器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器和負載端等。

（1） 反激式變換電路 ：反激式變換電路結構如圖8所示。當功率開關器件導通的時候，輸出回路中的二極管反偏截止。這種電路常常用在在中、小功率驅動。

除了反相激勵，還有正激式變換電路、推挽式功率變換電路等。

（2） PWM控制方式開關電源。這種電源效率很高，可達80%到90%以上，輸出電壓和電流都很穩定，保護措施完善，屬高可靠性電源。

開關型穩壓恒流驅動電源的優點是效率高、控制靈活，亮度控制及調節性能都很好。在大功率應用場合、處理寬輸入電壓變化范圍大的場合，開關型穩壓恒流驅動電源是唯一可行的選擇。開關型恒流驅動電源的缺點是，易受電磁干擾，設計難度較大。

4 結束語

LED均采用直流驅動，在市電與LED之間需要加一個LED驅動電源。它的基本功能是把交流市電轉換成合適LED的直流電，檢測LED電流、負反饋、橫流控制，同時進行其他控制。恒流驅動電路符合LED 特性。

開關型穩壓恒流恒流驅動電源具有良好的電流控制精度和較高的總體效率。但這種電路在開關管擊穿的時候，會損壞LED燈。PWM控制開關電源恒流驅動器控制靈活、效率高、功率大、電流穩定，有完善的保護措施，但是電路復雜、有電磁兼容性問題等。電流大于500mA的大電流應用一般采用開關電源恒流驅動器。用市電驅動大功率LED還需要解決降壓、隔離、PFC（功率因素校正）等問題，還需有較高的轉換效率。

高亮度白光照明LED的調光是一種廣泛的需求。采用脈寬調制方式進行調光控制是較好的選擇。如果需要其他功能如相位控制調光和功率因子校正（PFC），電路就變得復雜。

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