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1、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
2、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
3、介绍，与同行作一次交流。此方案的原理电路图见图1。这是一种极其简单，自LED面世以二、镇流电阻方案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。U -U一般资料提供的镇流电阻R的计算公式是：R =匕产（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
4、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：电流稳定度孚；用电效率n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：K二（3） （电源电压与LED工作UL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：电流稳定度葺二(K 1K -1J( 4 )（假定AU沁0 ）；L用电效率n =100()(5);K镇流电阻R=（K- 1）Ul(Q)( 6 )；电源电压 U= KU( V )( 7 )L为简化计算，电流稳
5、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，可快速查出对应的孚和n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U =9V 1=20 mA；开关稳压电源供电，竺较小，按V LU5考虑。取K=1.3 （查电压系数计算表：匕=21.7% n=76.9%）I按（6）式：镇流电阻R= （1.3-1）丄 =135 Q; 取150Q0.02按（7）式：电源电压U= 11.7 V 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，
6、K值取1.31.4;而电源电压波动较大的条件下，K值取1.51.6。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。O玄一丘 II冬.也 冬冬电冬冬g平巫一whwhmit w也冬 冬宅 W冬冬 48 - -1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
7、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36 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
8、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U 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：I二NI x0.8（ N支路数；0.8安全系数）（8）0U 一 U
9、镇流电容容抗：X二（Q）（9）（近似估算）CI0电容：C = 106（口 F）（10）（近似估算）2兀fXC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K =仃MI CP（峰值与平均值之比）控制在1.21.3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
10、。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（【/【达2050%）,用电效率也低（约5070%）,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)
11、1.25I =R1.25 V是LM337的基准电压。反过来，根据所要求的恒流值I,可计算1.25电流取样电阻：R =12)图吐IC-LB337HUlR- 3.6 IT设计说明，1工作电iSo.35a 工作压差4-8V；nit?- fi. k a L/yC-Ll.l 11 F 1UIJ1-丄卅皿,匸作匝生4 SW;乂-芈创卷內石幻休由，酷阳幻休界垦a:+-工性时英.熱.一定至保证散塾艮吁”图H3. 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
12、较大的输出 电流，调整管VT2采用了 达林顿管TIP137 （8A， 100V，70W）。说明电流取样电阻R1的值，可根据所要求的恒流值I来计算：R1 -be（15）U 三极管VT1发射结电压，约0.6V。Ibe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：Iff UI I I I-Il；当R1b1C1b 2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
13、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
