一種新穎的大功率LED驅(qū)動(dòng)電路

　　1 引言

　　LED被公認(rèn)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(zhǎng)、安全環(huán)保、體積小、高可靠性、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前達(dá)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(guó)家和地區(qū)相繼出臺(tái)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(guó)家重要產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，孕育著巨大的商機(jī)。LED驅(qū)動(dòng)電路對(duì)LED來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，而LED調(diào)光控制可以節(jié)能，高亮度白光LED的驅(qū)動(dòng)和調(diào)光是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。本文在這方面進(jìn)行了研究，針對(duì)現(xiàn)有電路的不足，設(shè)計(jì)了一款新穎的帶有調(diào)光功能的LED燈驅(qū)動(dòng)電路。

　　2 LED的特性

　　LED的理論光效為300 lm/W。目前實(shí)驗(yàn)室水平達(dá)260 lm/W，市場(chǎng)化水平在120 lm/W以上。高亮度LED的一般導(dǎo)通電壓約為3.0~4.3V，其核心是PN結(jié)，其伏安特性與普通二極管相同。其電流電壓關(guān)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(xué)溫度，常數(shù)β近似取2。當(dāng)加在LED上的電壓小于其導(dǎo)通電壓時(shí)，LED上幾乎沒(méi)有電流通過(guò)。但當(dāng)LED導(dǎo)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(dòng)就會(huì)引起很大的電流變化。在導(dǎo)通區(qū)電壓從額定值的80%上升到100%時(shí)，電流則從其額定值的0%上升到100%。

　　圖1為某種LED相對(duì)光通量和其正向電流IF的關(guān)系，其他種類(lèi)的大功率LED光通量與正向電流的關(guān)系與此雖有差異，但是差別非常小。圖中可以看出， 當(dāng)白光LED正向電流大于某一值時(shí)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(guān)系，因此可以通過(guò)控制LED的正向電流來(lái)控制其發(fā)光亮度。LED若采用恒壓源驅(qū)動(dòng)，很小的電壓變化將引起很大的電流變化，因此恒壓驅(qū)動(dòng)只適用于要求不高的小功率場(chǎng)合下，在要求高的場(chǎng)合和大功率場(chǎng)合下LED都要采用恒流驅(qū)動(dòng)。

　　研究表明，LED發(fā)光亮度隨工作時(shí)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(dòng)電流成飽和關(guān)系。LED的電流達(dá)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(dòng)電流宜為工作電流額定電流的70%~80%。

　　3 LED驅(qū)動(dòng)電路分類(lèi)

　　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(duì)電荷的累積效應(yīng)儲(chǔ)存電能，把電容作用能量耦合元件，通過(guò)控制電力電子器件進(jìn)行高頻的開(kāi)關(guān)切換，在一個(gè)周期一部分時(shí)間內(nèi)讓電容儲(chǔ)能，在剩余時(shí)間內(nèi)電容釋放能量。這種電路是通過(guò)電容的充電和放電時(shí)的不同連接方式得到不同的輸出電壓，整個(gè)電路不需任何電感。

　　電荷泵電路相對(duì)來(lái)說(shuō)體積較小，采用的元件較少，成本較低，但其所用的開(kāi)關(guān)元件相對(duì)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(huì)隨輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系變化。多個(gè)LED時(shí)必須并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，為防止支路電流分布不均，必須采用鎮(zhèn)流電阻，這會(huì)使得系統(tǒng)效率大為降低。因此，電荷泵式驅(qū)動(dòng)電路在大功率LED的照明驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中受到了限制，其多在小功率情況下使用。

　　3.2 開(kāi)關(guān)電源電路

　　開(kāi)關(guān)電源電路是一種依靠改變開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間比來(lái)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(kāi)關(guān)電源分為輸入輸出無(wú)隔離即“直通”型和輸入輸出隔離型兩種類(lèi)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(lèi)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(lèi)型。開(kāi)關(guān)電源電路相對(duì)來(lái)說(shuō)可實(shí)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(chǎng)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(dǎo)體功率器件看作動(dòng)態(tài)電阻，通過(guò)對(duì)其控制級(jí)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)。線性控制電路的缺點(diǎn)在于效率比較低，但其對(duì)輸入電壓和負(fù)載的變化有較快的響應(yīng)，電路相對(duì)較簡(jiǎn)單，直接控制LED的電流，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的較高精度的控制。

　　4 新穎的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　開(kāi)關(guān)電源反饋控制的實(shí)際是輸出電壓，對(duì)輸出電流控制不太容易做到精確，且單純開(kāi)關(guān)電源控制有偏差時(shí)易損壞LED燈;線性電路效率不高。

　　基于以上原因，本文設(shè)計(jì)了一新穎的LED驅(qū)動(dòng)電路，該電路以單端反激式開(kāi)關(guān)電源作為前級(jí)控制，線性的壓控制恒流源作為控制的后級(jí)。市電經(jīng)單端反激式電源變換后可得到直流電壓輸出，該輸出作為后級(jí)的壓控制恒流源的輸入。由于壓控制恒流源的輸入電壓是由高效率的單反激式開(kāi)關(guān)電源供電，壓控制恒流源精確控制LED的同時(shí)可在較大范圍改變其恒流源的輸入電壓，故效率和精度都有保證，且可由市電供電。同時(shí)，兩級(jí)控制不易損壞LED燈。

　　系統(tǒng)電路如圖2所示。圖中變壓器T1、開(kāi)關(guān)管Q1、二極管D1和電容C1構(gòu)成單端反激式開(kāi)關(guān)電源;運(yùn)算放大器U1、U2和功率管Q2等器件構(gòu)成壓控制恒流源;單片機(jī)STC89C51為核心控制器件?；叶戎底兓瘯r(shí)，單片機(jī)根據(jù)其得到的灰度值產(chǎn)生一相應(yīng)的亮度控制電壓。亮度控制電壓加在U1的同相輸入端，U1的反向輸入端是經(jīng)U2得到的LED的電流信號(hào)，R12為電流檢測(cè)電阻。U1的輸出電壓即為MOS管Q2的控制電壓，由運(yùn)算放大器虛短概念知，U1 的反向輸入電壓要等于其正向輸入端上的電壓，也就是穩(wěn)定時(shí)R12上的電流受亮度控制電壓的控制，而不隨負(fù)載的變化而變化。單片機(jī)根據(jù)其得到的灰度值產(chǎn)生一相應(yīng)的亮度控制電壓的同時(shí)還產(chǎn)生一PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)與 TL431上的信號(hào)相遇后去控制Q1的開(kāi)關(guān)，然后單片機(jī)根據(jù)得到的LED電流信號(hào)，改變PWM信號(hào)的占空比，改變開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓，也即改變恒流源的輸入電壓使功率管Q2上的電壓減少，使其在輸出電流不變的情況下工作在可調(diào)電阻區(qū)或接近于可調(diào)電阻區(qū)，以提高效率。TL431是三端可調(diào)分流基準(zhǔn)，在這里 TL431及其相應(yīng)電相的存在是為了限制開(kāi)關(guān)電源的最高輸出電壓，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

　　光線相對(duì)較好時(shí)，單片機(jī)根據(jù)得到的灰度值，控制其輸出的亮度控制電壓，使恒流源的輸出電流相對(duì)較小，可達(dá)到節(jié)能效果。圖2中單片機(jī)輸出的亮度控制電壓要經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換才能供給恒流源，圖2未畫(huà)出D/A部分。

　　5 總結(jié)

　　驅(qū)動(dòng)電路采用開(kāi)關(guān)電源作為控制的第一級(jí)，壓控制恒流源作為控制的第二極，結(jié)合了二者優(yōu)點(diǎn)，效率和控制精度上都有保證，且可由市電直接供電，兩級(jí)驅(qū)動(dòng)，安全性高，不易損壞價(jià)格較高的LED燈。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)效率可達(dá)83%以上，功率和單端反激式開(kāi)關(guān)電源相同，很值得推廣。