一種新穎的大功率LED燈驅(qū)動電路

1 引言

LED被公認為是綠色的第四代光源，是一種固體冷光源，具有高效、壽命長、安全環(huán)保、體積小、高可靠性、響應速度快等諸多優(yōu)點。目前達到同樣的照明效果，LED的耗電量大約是白熾燈的1/10,熒光燈的1/2 .很多國家和地區(qū)相繼出臺各種政策扶持LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以期該產(chǎn)業(yè)能夠成為國家重要產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，孕育著巨大的商機。LED驅(qū)動電路對LED來說至關重要，而LED調(diào)光控制可以節(jié)能，高亮度白光LED的驅(qū)動和調(diào)光是近年來研究的熱點。本文在這方面進行了研究，針對現(xiàn)有電路的不足，設計了一款新穎的帶有調(diào)光功能的LED燈驅(qū)動電路。

2 LED的特性

LED的理論光效為300 lm/W.目前實驗室水平達260 lm/W,市場化水平在120 lm/W以上。高亮度LED的一般導通電壓約為3.0~4.3V,其核心是PN結，其伏安特性與普通二極管相同。其電流電壓關系如式(1)：

式中，VF為二極管正向電壓，I0是反向飽和電流，為定值，q為電子電荷1.6×1019,k為波爾茲曼常數(shù)，大小為1.38×10-23,T是熱力學溫度，常數(shù)β近似取2.當加在LED上的電壓小于其導通電壓時，LED上幾乎沒有電流通過。但當LED導通后，其正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化，很小的電壓波動就會引起很大的電流變化。在導通區(qū)電壓從額定值的80%上升到100%時，電流則從其額定值的0%上升到100%.

圖1為某種LED相對光通量和其正向電流IF的關系，其他種類的大功率LED光通量與正向電流的關系與此雖有差異，但是差別非常小。圖中可以看出，當白光LED正向電流大于某一值時白光LED才能有效地發(fā)光，LED的光通量和其正向電流成正比的關系，因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發(fā)光亮度。LED若采用恒壓源驅(qū)動，很小的電壓變化將引起很大的電流變化，因此恒壓驅(qū)動只適用于要求不高的小功率場合下，在要求高的場合和大功率場合下LED都要采用恒流驅(qū)動。

研究表明，LED發(fā)光亮度隨工作時間下降，亮度下降后光效隨電流的增加而減少，LED的亮度與驅(qū)動電流成飽和關系。LED的電流達到其額定電流的70%~80%后，很大比例的電流轉(zhuǎn)化成了熱能，因此LED的驅(qū)動電流宜為工作電流額定電流的70%~80%.

3 LED驅(qū)動電路分類

3.1 電荷泵電路

電荷泵電路也是一種DC/DC變換電路。電荷泵電路利用電容對電荷的累積效應儲存電能，把電容作用能量耦合元件，通過控制電力電子器件進行高頻的開關切換，在一個周期一部分時間內(nèi)讓電容儲能，在剩余時間內(nèi)電容釋放能量。這種電路是通過電容的充電和放電時的不同連接方式得到不同的輸出電壓，整個電路不需任何電感。

電荷泵電路相對來說體積較小，采用的元件較少，成本較低，但其所用的開關元件相對較多，輸入電壓一定的情況下，輸出電壓變化的范圍比較小，輸出電壓大都為輸入電壓的1/3~3倍，且電路功率較小，效率會隨輸出電壓與輸入電壓的關系變化。多個LED時必須并聯(lián)驅(qū)動，為防止支路電流分布不均，必須采用鎮(zhèn)流電阻，這會使得系統(tǒng)效率大為降低。因此，電荷泵式驅(qū)動電路在大功率LED的照明驅(qū)動應用中受到了限制，其多在小功率情況下使用。

3.2 開關電源電路

開關電源電路是一種依靠改變開關管導通與關斷的時間比來改變輸出電壓大小的DC/DC變換電路。從電路上看，和電荷泵電路相比它包含磁性元件，即電感或高頻變壓器。開關電源分為輸入輸出無隔離即“直通”型和輸入輸出隔離型兩種類型的DC/DC變換器。

“直通”型DC/DC變換器的典型電路有Buck型、Boost型、Buck-Boost式和Cuk型等幾種類型。

輸入與輸出有隔離型的DC/DC變換器的典型電路有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式等幾種類型。開關電源電路相對來說可實現(xiàn)大范圍的電壓輸出，且輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出功率大，因此適用范圍更廣，特別在中大功率場合下是首選。

3.3 線性電路

線性控制電路是把工作在線性區(qū)域的半導體功率器件看作動態(tài)電阻，通過對其控制級控制來實現(xiàn)恒流驅(qū)動。線性控制電路的缺點在于效率比較低，但其對輸入電壓和負載的變化有較快的響應，電路相對較簡單，直接控制LED的電流，易于實現(xiàn)對電流的較高精度的控制。