基于恒流二極管的小功率LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

中心議題：

• LED連接方式
• 小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

解決方案：

• 電容降壓電路設(shè)計(jì)
• 市電供電的小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于小功率白光LED 價(jià)格低廉，發(fā)熱量小，光效高等特點(diǎn)，被大范圍的應(yīng)用到了普通照明，景觀照明，因此小功率LED 驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)和性能上的提高也就有了迫切的需求。LED 照明燈通常采用市電供電，由于LED 工作電壓低，電流小等特點(diǎn)，用市電驅(qū)動(dòng)LED 要解決降壓和整流問題，還要有比較高的效率，較小的體積和較低成本。LED 是電流驅(qū)動(dòng)器件，其亮度與正向電流成正比，為了保證LED 發(fā)光高效均勻、LED 驅(qū)動(dòng)源應(yīng)為恒電流輸出。因此設(shè)計(jì)高效簡單，價(jià)格低廉的LED 驅(qū)動(dòng)源成為當(dāng)前一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)一種基于恒流二極管的小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路，工頻市電供電，輸出電流恒定。

1 LED 連接方式

在設(shè)計(jì)LED 照明系統(tǒng)時(shí)，需要考慮選用什么樣的LED 驅(qū)動(dòng)器，以及LED 的連接方式，只有合理的匹配設(shè)計(jì)，才能保證LED 正常工作。小功率白光LED 的正向電壓范圍一般為2.8~4 V，工作電流為15~20 mA。照明用的LED 燈一般是多個(gè)這樣的小功率LED 通過串并聯(lián)方式組合在一起的，這些LED 通常需要匹配以產(chǎn)生均勻的亮度。另外還需要采用合理的方式將這些LED 連接在一起，不能因?yàn)槠渲幸活wLED 燈珠損壞而導(dǎo)致整個(gè)LED 燈組不能工作。

將多個(gè)同型號(hào)的LED 串接在一起，流過每個(gè)LED 的電流相等。LED 一致性較差時(shí)，雖然不同LED 燈珠正向電壓不同，但流過每個(gè)LED 的電流相等，每個(gè)LED 燈珠的亮度將會(huì)一致。LED 串聯(lián)連接驅(qū)動(dòng)源輸出電壓要求較大，電流必須恒定在20 mA 以下。當(dāng)其中一個(gè)LED 因?yàn)槠焚|(zhì)不良斷路后，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)LED 燈組不亮，這對LED 燈珠的品質(zhì)和焊接工藝要求較高。

多個(gè)LED 燈珠全部并聯(lián)，需要驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流，輸出電壓在3 V 左右。并聯(lián)連接方式可以避免一個(gè)LED 燒壞后整個(gè)燈組熄滅這一嚴(yán)重缺陷。由于LED 發(fā)光強(qiáng)度與工作電流成正比關(guān)系，LED 燈珠之間參數(shù)存在一定差異，流過每個(gè)LED燈珠的電流不一致，直接導(dǎo)致LED 發(fā)光亮度不均勻。采用恒流方式驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED 時(shí)，LED 燈珠應(yīng)盡量多的并聯(lián)，防止因?yàn)槠渲袔最wLED 燒壞，致使流過其他LED 的電流增加而燒壞。

為了提高可靠性、發(fā)光均勻性，提出了交叉陣列連接方式，圖1 為LED 交叉陣列連接方式圖。

從圖中可以看出當(dāng)其中個(gè)別LED 短路或斷路，也不會(huì)引起整個(gè)燈組熄滅。這種交叉陣列連接方式具有線路簡單，亮度穩(wěn)定，可靠性高，對驅(qū)動(dòng)要求較低等特點(diǎn)。

2 小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 電容降壓電路
LED 采用交流市電供電時(shí)，必須經(jīng)過AC/DC以及DC/DC 轉(zhuǎn)換將高電壓的交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，目前降壓電路主要有工頻變壓器線性降壓電路，高頻開關(guān)電路，基于IC 的降壓電路，電容降壓電路等幾類。考慮到驅(qū)動(dòng)電源的體積與成本，本文采用電容式降壓電路。圖2 為電容降壓電路：

圖2 中無極性降壓電容C1 的充放電電流為IC=2πfCU0 （U0 為交流電壓，f 為交流頻率），降壓電容C1 向負(fù)載提供的電流I0 實(shí)際上就是流過C1的充放電電流IC。當(dāng)負(fù)載電流小于的充放電電流時(shí) ,多余的電流就會(huì)流過濾波電容C2。若U0=220 V，f=50 Hz 則IC=69C（IC 的單位為mA，C 的單位為μF）。為了能夠保證降壓電容安全可靠工作，其耐壓值應(yīng)大于2 倍市電電壓，因此降壓電容宜選用耐壓值630 V 的獨(dú)石電容。R1 為1 MΩ 放電電阻，當(dāng)電路斷電C1 通過R1 快速放電，D1—D4 為IN4007組成的全波整流橋。為了獲得較好的濾波效果，選擇的濾波電容的容量應(yīng)滿足RLC=(3~5)T/2（RL 為負(fù)載電阻，T 為0.02 s），耐壓值應(yīng)大于1.1 2 U0（U0為電容降壓電路輸出電壓）。原則上，電容值取的越大，輸出電壓越平滑其紋波值越小。但是隨著電容容量的增大，一般其體積也隨之增大，在考慮電路板面積的情況下，應(yīng)盡量選擇大容量的濾波電容。

2.2 市電供電的小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路
基于恒流二極管的市電供電小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示：

圖中D5,D6 為恒流二極管，本設(shè)計(jì)采用的恒流二極管為貴州博越公司的2DHL 系列。2DHL 系列恒電流二極管是一種硅材料制造的基礎(chǔ)電子器件。

從圖可以看出電路在100 ms 時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài) ,穩(wěn)定后其輸出電壓為25V 輸出電流恒定為60 mA。基本驗(yàn)證了基于恒流二極管的小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路的可行性。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證了基于恒流二極管的小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路的可行性。制作了驅(qū)動(dòng)65 顆（5*15方式連接）0.06 W 白光LED 的驅(qū)動(dòng)源，其中降壓電容C1 為1.5 μF，濾波電容C2 為1000 μF，恒流二極管為兩顆2DHL040 并聯(lián)，并利用萬用表對電流電壓進(jìn)行測量。實(shí)際測得輸入電壓在196~248 V范圍內(nèi)輸出電流恒定為80 mA，相當(dāng)于流過每個(gè)LED 電流為 16 mA。在219 V 輸入電壓條件下，整個(gè)電路消耗的功率為 7.1 W ，則驅(qū)動(dòng)源的功率因素為 0.47。圖5 為制作的小功率驅(qū)動(dòng)源實(shí)物圖。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的基于恒流二極管小功率LED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、滿足LED 恒流驅(qū)動(dòng)的要求，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本驅(qū)動(dòng)電路可靠性很高。通過改變降壓電容可適合用作多種 LED 燈具電源。

雖然驅(qū)動(dòng)電路功率因素較低，但特別適合低端照明市場應(yīng)用。LED 相比傳統(tǒng)光源發(fā)光效率高，小功率LED 燈發(fā)光亮度即可與大功率的日光燈媲美，因此采用本驅(qū)動(dòng)源的LED 燈整體上還是節(jié)能的。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：在傳統(tǒng)電容降壓驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)上引入了恒流二極管，保證了驅(qū)動(dòng)源低壓恒流輸出。

負(fù)載小功率LED 采用交叉陣列方式連接，降低了滅燈率。