LED驅(qū)動電路的工作原理及特點

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(wǎng)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(dāng)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(jīng)占40％，再加上變壓器損耗，系統(tǒng)效率小于50％。當(dāng)電源電壓在±10％的范圍內(nèi)變動時，流過LED 的電流變化將≥25％，LED 上的功率變化將達(dá)到30％。當(dāng)R 分壓較大時，在電源電壓在±10％的范圍內(nèi)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(chǔ)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(yīng)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(chǎn)品的。為了達(dá)到既能使LED 穩(wěn)定工作，又能保持高的效率，應(yīng)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(qū)動電路，這一電路的顯著特點是當(dāng)電源電壓在±15％的范圍內(nèi)變動時，輸出波動≤1％，可稱為恒功率驅(qū)動電路，另外這一IC 電路可在很低的串聯(lián)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)電子變壓器內(nèi)部實現(xiàn)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(dá)到了全部電源電壓，所以具有良好的限流特性，當(dāng)電源電壓在±10％波動時，輸出電流也在≤±10％內(nèi)波動，只要在設(shè)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(zhì)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(lián)的LED 中，可加有一個IN4007 二極管，當(dāng)兩組串聯(lián)的LED 有一個內(nèi)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(hù)剩余的LED 不損壞，當(dāng)然IN4007 的加入也使效率略有下降，（當(dāng)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(qū)動電路效率≥90％。用此驅(qū)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(yuǎn)大于采用其它光源的小夜燈。此電路在30 個LED 串聯(lián)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(yīng)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(chǔ)上，利用高頻電感限流來實現(xiàn)LED 的穩(wěn)定工作。此電路的特點是，負(fù)載可根據(jù)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(xiàn)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(jù)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(xì)，電子變壓器的調(diào)試水平較高，這一電路在輸出功率為8W～70W 時，總體效率可達(dá)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(yīng)保證在額定電源電壓下，使輸出給LED 的功率適當(dāng)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(qū)動電路，該電路采用IC1 型號VIPEr22A 是ST公司生產(chǎn)的智能功率開關(guān)集成模塊，內(nèi)部具有PWM 控制電路和一個0.7A/730V 的VDMOS 場效應(yīng)功率管，IC2 的型號為TSM1101，該IC 內(nèi)部具有2.5V 的基準(zhǔn)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(chǎn)生高頻信號來使自身的VDMOS 管不斷地工作在導(dǎo)通與截止之間，當(dāng)電源電壓變化時造成N3 上電壓變化以及當(dāng)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(chǎn)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(yīng)功率管的導(dǎo)通/截止時間比例發(fā)生變化，從而達(dá)到使N2 輸出的電壓和電流實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)的要求，輸出電路與和電網(wǎng)有直接連接的電路必須實現(xiàn)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(nèi)的N2 和N4 與NI 和N3 之間在結(jié)構(gòu)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(nèi)工作時，（約180V～265V）能保證LED 的恒功率輸出，并且LED 可實現(xiàn)無頻閃輸出。

2、實現(xiàn)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(xiàn)0～100％的光輸出連續(xù)調(diào)節(jié)。

應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換效率達(dá)到較高的程度，當(dāng)LED 輸出功率為8W時，效率約在80％～85％之間，當(dāng)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(yīng)具備自身承擔(dān)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(qū)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(yīng)盡可能不采用電阻或串聯(lián)穩(wěn)壓電路來作為LED 驅(qū)動器的限流主電路，而應(yīng)該采用電容，電感或有源開關(guān)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(lián)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(nèi)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(guān)電路可以保證在較高的轉(zhuǎn)換效率下實現(xiàn)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(yuǎn)未達(dá)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(nèi)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(fēng)能等），以及應(yīng)急照明方面也有著其獨特的優(yōu)勢。尤其在調(diào)光方面，LED 不僅可實現(xiàn)0～100％的調(diào)光，并且可保證在整個調(diào)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。