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led灯电路驱动原理

LED灯电路驱动电路研究

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、

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。

LED工作电流I按下式计算：

（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：

（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

；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：

（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

（％）（4）（假定

）；

用电效率η=

（％）（5）;

镇流电阻R=

（Ω）（6）；

电源电压U=

（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

和η值。

从表中数据看出：

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

=9VI=20mA；开关稳压电源供电，

较小，按＜5％考虑。

取K=1.3（查电压系数计算表：

=21.7％η=76.9％）

按（6）式：

镇流电阻R=

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：

直流输出电压

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:

（N—支路数；0.8—安全系数）（8）

镇流电容容抗：

（Ω）（9）（近似估算）

电容：

（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

（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：

（11）

1.25V是LM337的基准电压。

反过来，根据所要求的恒流值I，可计算电流取样电阻：

（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=

I，在恒流值I已定的情况下，只有降低工作压差

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：

（13）

N—LED串联个数；

—单只LED正向工作电压；

—恒流驱动电路额定工作压差，一般取6V计算。

用电效率η=

（14）

分析上式：

降低

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：

1．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：

（15）

—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↑→

↑→

↓→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。

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

（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：

（16）

因发射结压降

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：

输出短路时，电阻R9仍能对短路电流取样，所以不用增加任何元件，利用原有电流负反馈作用，，就能将短路电流限制在正常恒流值上。

2．开路过压保护：

输出开路时，电阻R9没有电流流过，电流负反馈不起作用，占空比失控，输出电压会升高到危险的程度，使电路元件发生大面积击穿损害。

在输出端加接电阻R7和稳压管VDw引入电压负反馈后，就能起到过压保护作用，将过压值限制在VDw的击穿值上。

因正常工作时输出电压低于VDw的击穿电压，所以电压负反馈不起作用，不会影响正常恒流工作。

b.由IC构成的开关恒流驱动电路

下面再介绍一种由集成电路MC34063A构成的它激开关恒流电路。

它的内部结构框图见图8。

其中包含有占空比控制单元电路：

1.25V基准电压、误差比较器、振荡器、RS触发器等，还包含有驱动管VT2和输出开关管VT1。

在它的外围接上高频变压器T及少量电子元件就构成如图9所示，将6V电源升压至12V0.3A的开关恒流电路。

图中

为限流电阻，它检测开关管VT1流过的电流，使VT1的电流不超过1.5A。

R1为驱动管VT2的集电极电阻。

是振荡器定时电容，选用470P时，开关频率约70KHZ。

DV1、R2、C2构成过压吸收电路，在VT1关断瞬间，将在VT1集电极上所产生的反冲电压尖峰（下＋上－）吸收掉，防止VT1被击穿。

同时串接在次级绕组N2上的DV2、C3完成整流滤波作用，并给LED供电。

R5是电流取样电阻，当LED工作电流在其上产生的压降等于1.25V时，占空比受控，输出电流就进入恒流状态。

恒流值计算公式：

（17）

本电路的输出短路保护和开路过压保护与图7电路类同：

利用R5电流取样，抑制短路电流；利用

击穿后，R4+R5电压取样，抑制开路过电压。

MC34063A的输入电压范围为3～40V，既可构成升压电路，也可构成降压电路，如有必要，还可外接开关管扩大输出电流和功率。

使用灵活方便。

B．交流220V开关恒流驱动电路

上面介绍的都是直流低压开关恒流电路。

它适用于干电池、蓄电池、开关稳压电源供电的场合。

如果能直接用市电～220V给LED灯供电，那是最方便不过了。

要实现这一点，需解决降压、整流、变换效率、较小的体积、较低的成本、还有安全隔离等一系列问题。

单片集成开关电路TOPSwitch系列产品几乎全面满足了上述要求，应属首选方案。

由单片集成开关电路TOP224Y构成的输入～220V，输出恒流0.4A输出电压10～32V的开关恒流电路，如图10所示。

TOP224Y是三端器件（见图11）。

从外表看，它像一只普通的功率三极管，但看一下它的内部结构框图（见图12），就会发现内部电路异常复杂，它把开关电源所必需的PWM控制器、100KHZ高频振荡器、高压启动偏置电路、误差放大器及过流、过热保护等，还有功率开关管MOSFET都集成在一起了。

外围元件减至最少，这样大大地简化了开关电源的设计和制作。

它的三个端子分别叫控制极C、源极S、漏极D。

三个极都是一极多用。

控制极C的作用：

1.利用反馈控制电流

的大小来调节输出开关管的占空比D（见图13）。

从图看出

增大，D减小；反之，

减小，D增大。

2.与内部并联调整器/误差放大器相连，能为芯片提供正常工作所需偏流。

3.作为电源旁路、自动重启动和补偿电容的连接点。

漏极D的作用：

1.与片内功率开关管的漏极相连。

2.在启动期间，高压电流源经过内部开关给内部电路提供偏置电流。

3.它还是内部功率开关管工作电流的检测点。

源极S的作用：

4.与片内功率开关管的源极相连，作为高压电源返回端。

5.作为一次侧控制电路的公共地和基准点。

图10所示电路是典型的单端反激式开关电路，工作频率已内部设定为100KHZ。

工作过程：

～220V经电阻R1、R2，整流桥VD1整流，电容C1滤波，在C1两端建立起约280V的直流高压作为本电路的实际电源。

这里说一下几个阻容元件的作用：

R1为RF10型保险电阻。

在电路发生短路时将被烧断起短路保护作用；R2为NTC型负温度系数热敏电阻，起限制合闸冲击电流的作用。

在接通电源初，在常温下，它有较大的电阻值能将合闸电流限制在允许值。

随着工作电流的流过，其温度逐渐上升，阻值下降至某一较小的稳定值，正常功耗不大，对电路正常工作无不良影响。

VD2、R3、C2组成漏极过电压吸收电路，用以限制在关断瞬间高频变压器漏感所产生的尖峰电压，保护功率MOSFET不被损坏。

C6为控制端旁路电容，它能对控制回路进行补偿并设定自动重启动频率。

当C6=47μF时，自动重启动频率为1.2

。

正常工作时，控制电压

的典型值为5.7V。

本电路的恒流作用同样依靠电流负反馈原理：

R10是电流取样电阻。

VT1是误差放大器，其发射结压降

（约0.6V）还充当基准电压的角色。

当输出电压

↑或LED压降

↓→LED电流

↑→

↑﹥

→VT1/

↑→VT1/

↑→光耦/发光二极管

↑→光耦/接收管

↑→IC1/控制端电流

↑→IC1/占空比D↓→输出电压

↓→LED电流

↓，从而实现了恒流目的。

反之亦然。

输出恒流计算公式：

（18）

本电路的开路过压保护作用同样依靠电压负反馈原理：

输出电压

经电阻R8、R9分压，当

击穿后，给VT1提供反馈基极电流，后面的过程与恒流时一样，最终将输出电压限制在设定值上。

本电路的短路保护作用不能像图7、图9电路那样借用恒流作用来实现。

因为输出短路时，输出电压和反馈电压都很低，使VT1和光耦IC2失去了工作能力。

好在，片内设置有过流保护，可起短路保护作用。

本电路有过热保护：

当芯片结温

135℃时，自动关断输出级。

笔者在调试本电路的过程中，曾经历多次失败，并且找不出原因。

故障表现是：

输出电流不稳；开关振荡也不稳，不起振或常仃振，无法工作。

检查电路元件参数又与原理电路图相符，首先怀疑到TOP224Y质量有问题，换了一块新的，故障依旧。

后将电路元件参数作大范围的改变再试，也未见好的效果。

正当寸步难行时，突然想到故障不在原理上，可能就在接线工艺上：

是否控制地与电源地没有严格分开（混用），导致电源大电流通过公共地线所形成的压降对控制端产生了干扰？

后按以下规范去做：

1.在试验接线及制作印制电路板时，控制地与电源地必须严格分开，不能混用，仅允许它们在S极点上相连接。

2.控制极旁路支路R12、C6应尽可能靠近C、S极连接。

再一试，全部故障现象消失，难题迎刃而解，试验获得成功。

这两条经验教训值得记取，是一笔终生受益的财富。

为验证电路的恒流效果，实测如下数据：

从表中数据可见：

在宽输入电压范围（150～250V）和宽LED负载变化范围（1～3LED串联，输出电压范围11.4～31.5V）条件下，输出电流的变化很小,为0.41～0.44A,恒流精度达±5﹪，完全能满足LED的供电要求。

另外由于芯片采用CMOS电路，本身功耗很低，电源效率可达80﹪以上，有很好的应用前景。

六、LED驱动器使用中应注意的问题

1.LED降容使用。

LED的使用寿命号称5万小时，但实际使用发现远小于此值。

究其原因之一是散热条件达不到要求，造成LED工作结温过高（﹥90℃）。

为降低温度，提高发光效率，延长使用寿命可采取两项措施：

改进散热器；将LED工作电流降至0.7～0.8额定值来使用。

工作电流减小后，光通量虽有下降，但不明显，可能是从发光效率提高，得到了补偿所至。

2.使用线性恒流驱动器，特别注意其工作压差。

正常的工作压差为4～8V，﹤3V时电流减小将退出恒流区；﹥8V时恒流正常，但恒流驱动器损耗增加，发热严重，既降低了效率，又可能损坏恒流驱动器。

合适的工作压差，只能按公式（14），对电源电压和LED负载电压作严格匹配来实现。

电路装好通电后，一定要对工作压差作一次实际检测。

3.隔离式开关恒流驱动器次级输出电源不宜悬空，负极应接地。

如图14所示。

恒流驱动器初级工作在高频（100KHZ）高压（500~600V）状态，相当于一个强干扰源。

此干扰源通过高频变压器初、次级绕组之间的分布电容

作用到整个次级回路，使其对地可产生数十伏的共模电压。

此电压也是LED要承受的对地电压，有可能造成LED对地击穿损坏。

当将次级电源负极接地后，共模电压被地线短接消失为零，LED对地击穿的问题就不存在了。

4.对开关恒流驱动器，要严格遵守：

先接好LED灯，再接通驱动器电源的操作顺序。

如果相反操作，在接通LED灯瞬间，将会有极大的冲击电流通过LED灯，威胁LED灯的使用安全。

现以图10电路为例，对此冲击电流值作一下计算，并对其产生原因作一次分析。