LED驅動電路的工作原理及特點

    led 驅動電路除了要滿足安全要求外，另外的基本功能應有兩個方面，一是盡可能保持恒流特性，尤其在電源電壓發(fā)生±15％的變動時，仍應能保持輸出電流在±10％的范圍內變動。二是驅動電路應保持較低的自身功耗，這樣才能使LED 的系統(tǒng)效率保持在較高水平。

    傳統(tǒng)的低效率電路：

  圖1

    圖1 是傳統(tǒng)的低效率電路，電網電源通過降壓變壓器降壓；橋式整流濾波后，通過電阻限流來使3 個LED 穩(wěn)定工作，這種電路的致命缺點是：電阻R 的存在是必須的，R 上的有功損耗直接影響了系統(tǒng)的效率，當R 分壓較小時，R 的壓降占總輸出電壓的40％，輸出電路在R 上的有功損耗已經占40％，再加上變壓器損耗，系統(tǒng)效率小于50％。當電源電壓在±10％的范圍內變動時，流過LED 的電流變化將≥25％，LED 上的功率變化將達到30％。當R 分壓較大時，在電源電壓在±10％的范圍內變動時，雖說能使輸出到LED 的功率變化減少，但系統(tǒng)效率將更低。

    圖2

    圖2是在圖1 的基礎上加了一個集成穩(wěn)壓元件MC7809，使輸出端的電壓基本穩(wěn)定在9V，限流電阻R 可用得很小也不會因為電源電壓的不穩(wěn)定造成LED 的超載。但是此電路除了保證LED 的基本恒定輸出外，效率還是很低的。因為MC7809 和R1 上的壓降仍占很大比例，其效率僅為40％左右。

    上述這類電路的應用，系統(tǒng)總的每瓦輸出流明僅為20lm/W～25lm/W，是根本不能稱為節(jié)能的照明產品的。為了達到既能使LED 穩(wěn)定工作，又能保持高的效率，應采用低功耗的限流元件和電路來使系統(tǒng)效率提高。

  圖3

    圖3 是采用集成恒流源NUD4001 的LED 驅動電路，這一電路的顯著特點是當電源電壓在±15％的范圍內變動時，輸出波動≤1％，可稱為恒功率驅動電路，另外這一IC 電路可在很低的串聯分壓下工作（即1 腳與輸出的各引腳之間的電壓在≥2.8V 時尚能工作），所以可保證在幾乎恒功率輸出的情況下，保持1 腳與輸出引腳之間的電壓在2.8V 左右就能使系統(tǒng)效率達70％左右。這一IC 電路的輸入電源可采用工頻交流，但最好采用鹵鎢燈電子變壓器作為前級，這樣能保證諧波和電源端子干擾都符合標準的要求。當電子變壓器內部實現Ⅱ類電器的隔離絕緣輸出時，圖3 電路可用于Ⅱ類燈具中，并且輸出端可以做成可觸及式。

  圖4

    電路是直接采用電容作為限流元件，在此電路中，由于電容上的分壓幾乎達到了全部電源電壓，所以具有良好的限流特性，當電源電壓在±10％波動時，輸出電流也在≤±10％內波動，只要在設計中把LED 的額定值留有一定的裕量，就能保證在電源電壓波動時LED 仍處于良好的工作狀態(tài)。由于電容的介質損耗極小，所以電路的損耗很小，電阻R 的作用是在斷電時，保證電容上的電壓能及時放掉，其阻值可≥3MΩ，每組串聯的LED 中，可加有一個IN4007 二極管，當兩組串聯的LED 有一個內部開路時，另一組有可能被反向電壓擊穿，如串入一個IN4007 二極管，則可保護剩余的LED 不損壞，當然IN4007 的加入也使效率略有下降，（當輸出電流30mA 時，IN4007 上的功耗約0.02W）。對于一體化小夜燈，可省略IN4007，此時這一驅動電路效率≥90％。用此驅動電路做成的LED 小夜燈，效率高于采用氣體放電光源的小夜燈，并且使用壽命遠大于采用其它光源的小夜燈。此電路在30 個LED 串聯時還能穩(wěn)定工作。但是此電路輸出的光具有一定的頻閃（在50Hz 時有100Hz 的頻閃），不適用于運動物的照明場合，并且使用時LED 應做成不可觸及，否則將影響安全。

    圖5

    電路是在原鹵鎢燈電子變壓器的基礎上，利用高頻電感限流來實現LED 的穩(wěn)定工作。此電路的特點是，負載可根據電子變壓器功率的大小帶上幾組LED，并且可做到次級完全隔離的安全特低電壓輸出，輸出電壓12V（此時每組的 LED 為3 個），(最高輸出電壓圖5 可以到25V/空載輸出電壓可以到33V)。由于采用了高頻電流來點亮LED，所以輸出光的頻閃現象基本可消除。輸出的限流電感，可以做得體積很小，每個電感的電感量僅為0.05mH～0.2mH

    (根據LED 的電流不同，采用不同電感量的電感)，只要電感采用的線徑不要太細，電子變壓器的調試水平較高，這一電路在輸出功率為8W～70W 時，總體效率可達80％～92％。此電路在線路功率≥25W 時，還能全面滿足諧波和EMI 的要求。此電路在電源電壓變化±10%時，輸出給LED 的功率變化±20%，所以應保證在額定電源電壓下，使輸出給LED 的功率適當小于額定值，防止過電壓時LED 超載引起過熱而影響使用壽命。

   圖6

    電路是采用2 塊專用IC 電路的LED 驅動電路，該電路采用IC1 型號VIPEr22A 是ST公司生產的智能功率開關集成模塊，內部具有PWM 控制電路和一個0.7A/730V 的VDMOS 場效應功率管，IC2 的型號為TSM1101，該IC 內部具有2.5V 的基準電壓及兩個由運放器組成的比較器，從R6 上取得LED 的工作電流信號輸入到IC2 中的CC 比較器，通過比較放大后，反饋到前級。從R4 和R5 分壓器上取得LED 的工作電壓信號，輸入到IC2 中的CV 比較器，通過比較放大后也反饋到前級，兩個比較器的反饋信號都是通過光電耦合器（型號SFH610A）耦合到IC1 控制極。IC1 自身產生高頻信號來使自身的VDMOS 管不斷地工作在導通與截止之間，當電源電壓變化時造成N3 上電壓變化以及當LED 電流和電壓發(fā)生變化時，這些信號都被反饋到IC1控制極，使IC1 產生的高頻信號的占空比（或稱脈寬）發(fā)生變化，使自身的VDMOS 場效應功率管的導通/截止時間比例發(fā)生變化，從而達到使N2 輸出的電壓和電流實現恒定輸出的目的。圖6 中變壓器N1 是初級繞組，N2 為次級功率輸出繞組，N3 是IC1 的偏置（工作）繞組，N4是IC2 的偏置（工作）繞組.從電路分析可看出，N2 是附于隔離式安全電壓輸出(28V)繞組，N4 和N2 與輸出電路直接連接，為了保證安全標準的要求，輸出電路與和電網有直接連接的電路必須實現完全的隔離，所以電路中反饋信號通過高耐壓的光電耦合器再反饋到前級的，變壓器內的N2 和N4 與NI 和N3 之間在結構上必須滿足安全隔離變壓器的要求。

    圖6 電路的最大特點是：

    1、電源電壓在很寬的范圍內工作時，（約180V～265V）能保證LED 的恒功率輸出，并且LED 可實現無頻閃輸出。

    2、實現安全隔離的安全電壓輸出，甚至是安全超低電壓輸出。

    3、IC2 如果采用TSM104,可實現0～100％的光輸出連續(xù)調節(jié)。

    應注意：N1 和N2 以及高頻變壓器磁芯是功率輸入和輸出的通道，整個電路的效率高低主要取決于這三個因素。其它方面幾乎無潛力可挖。應采用磁芯截面足夠的磁芯以及保持N1 和N2 較低的電流密度，這樣才能使該電路的轉換效率達到較高的程度，當LED 輸出功率為8W時，效率約在80％～85％之間，當LED 輸出功率為20W～40W 時，效率約在85％～90％之間。

    綜上所述可以看出，LED 在工作時需要有穩(wěn)流、穩(wěn)壓的元件，但是此類元件應具備自身承擔的分壓高，但功耗要小的特性，否則將使具有較高效率的LED 因為驅動電路的工作功耗太大而使總體系統(tǒng)的效率大為降低，有悖于節(jié)能高效的宗旨。所以應盡可能不采用電阻或串聯穩(wěn)壓電路來作為LED 驅動器的限流主電路，而應該采用電容，電感或有源開關電路等高效電路，這樣才能保證LED 系統(tǒng)的高效率。采用串聯式集成恒功率輸出電路，可以使LED 的光輸出在很寬的電源范圍內保持恒定，但一般的IC 電路會因此而使效率有所下降。采用有源開關電路可以保證在較高的轉換效率下實現電源電壓大幅度變化時恒功率輸出。LED 在目前階段，其光效還遠未達到可以取代三基色熒光燈的程度，但是以其獨特的長處，可以在安全特地電壓（游泳池，劃水池內水下燈具，礦燈）條件下高效工作。此外，在直接采用綠色電能（太陽能，風能等），以及應急照明方面也有著其獨特的優(yōu)勢。尤其在調光方面，LED 不僅可實現0～100％的調光，并且可保證在整個調光過程保持較高光效，并且不損害LED 的壽命，而氣體放電燈則很難做到這一點。