柳國(guó)憲

（長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410014）

基于綠色光源LED的開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

柳國(guó)憲

（長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410014）

針對(duì)LED的特點(diǎn)提出開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電流與電壓負(fù)反饋技術(shù)的采用，將LED的輸入電流控制在一個(gè)穩(wěn)定的電流數(shù)值下，同時(shí)使電路防止過(guò)電壓的能力提高，可靠性大為增強(qiáng)。

綠色光源LED;恒流驅(qū)動(dòng);安全可靠

現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的發(fā)展迫切需要一種高效節(jié)能、無(wú)污染、無(wú)公害的綠色照明技術(shù)取代傳統(tǒng)照明技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一種新型光源—LED照明技術(shù)正在趨于成熟，并開始投入生產(chǎn)，走向市場(chǎng)。作為第四代照明光源或稱綠色光源的LED，它相對(duì)傳統(tǒng)的照明技術(shù)具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

LED屬于直流驅(qū)動(dòng)，擁有超低的功耗，單管可以達(dá)到0．03～0．06瓦，電光的能源轉(zhuǎn)換效率接近100%，同樣的照明效果，比傳統(tǒng)光源節(jié)能90%以上，比普通節(jié)能燈節(jié)能50%以上，壽命比傳統(tǒng)光源長(zhǎng)10倍。LED光源非常利于環(huán)保。它的光源中沒(méi)有紫外線和紅外線，沒(méi)有熱量，也沒(méi)有輻射，不會(huì)產(chǎn)生眩光效果。在制造過(guò)程中，LED不會(huì)涉及汞等重金屬元素，使用中對(duì)人無(wú)害，廢棄之后可以回收利用。它又是固態(tài)冷光源，沒(méi)有熱量的產(chǎn)生，可以安全觸摸，屬于典型的綠色光源。［1］

但在研發(fā)和應(yīng)用LED新型燈具的過(guò)程中一個(gè)不容忽視的事實(shí)是與LED燈配套的驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有及時(shí)跟上，驅(qū)動(dòng)電路性能不佳，故障率較高，成了LED應(yīng)用的瓶頸。工作狀態(tài)下的LED需要施加正向偏置，其正向伏安特性非常陡，要給LED供電比較困難。不能像普通白熾燈一樣，直接用電壓源供電，否則電源電壓稍有波動(dòng)，LED工作就不正常甚至導(dǎo)致電流急劇增加將其燒毀。怎樣穩(wěn)定LED工作電流，成為驅(qū)動(dòng)電路的核心問(wèn)題。

針對(duì)影響LED驅(qū)動(dòng)電路性能的恒流問(wèn)題，提出開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案來(lái)加以研討。

1 直流低壓開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電路

1．1 由分立元件構(gòu)成的開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電路

圖1是一種能將直流6V升壓至24V，恒流輸出100mA的自激開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電路。其調(diào)整管VTl的工作狀態(tài)，是通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)其占空比D的大小來(lái)穩(wěn)定輸出。［2］

高頻變壓器T有3組繞組：N1：初級(jí)繞組、N2：反饋繞組、N3：次級(jí)繞組。磁芯采用軟磁鐵氧體材料，為防止N1通過(guò)單向工作電流（包含有較大的直流分量），使磁芯飽和，磁路中必須加上0．05～0．15mm的空氣隙。

具體工作過(guò)程：接通6V電源，通過(guò)R2給VT2提供小量的基極電流，經(jīng)VT2放大后，再輸入VT1基極，使VT1進(jìn)入放大區(qū)。當(dāng)VT1進(jìn)入放大區(qū)后，在N1與N2強(qiáng)正反饋?zhàn)饔孟?，VTl很快進(jìn)入自激開關(guān)振蕩狀態(tài)。

振蕩頻率高達(dá)50～100KHZ。在VT1飽和導(dǎo)通期間，6V電壓全部加到N1上，N1上的感應(yīng)電勢(shì)是上+下－，N3上的感應(yīng)電勢(shì)是上－下+，接在N3上的二極管VD3是截止的。此時(shí)N1就像一只電感接到6V電源上，其線圈電流隨時(shí)間增長(zhǎng)，電能逐漸轉(zhuǎn)化成磁能存儲(chǔ)在磁芯中。在VTl截止關(guān)斷期間，感應(yīng)電勢(shì)反向，接在N3上的二極管VD3導(dǎo)通。N3通過(guò)VD3給電容C3充電，將磁能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)到濾波電容C3中。C3兩端電壓經(jīng)反復(fù)充電后迅速上升，將LED燈點(diǎn)亮。

圖1 分立元件構(gòu)成的開頭恒流驅(qū)動(dòng)電路

工作電流在取樣電阻R9上產(chǎn)生壓降，當(dāng)此壓降增大到大于VT3（占空比控制管）的發(fā)射結(jié)壓降Ube（約0．6V）時(shí)，通過(guò)R8給VT3基極提供負(fù)反饋電流，經(jīng)VT3放大，其集電極電流增大，使VT3對(duì)VT2基極電流的旁路作用加大，即使VTl的導(dǎo)通時(shí)間縮短，截止時(shí)間增長(zhǎng)，占空比D減小，N1儲(chǔ)能減少，C3儲(chǔ)能也減少，C3兩端電壓下降，抑制了LED工作電流的繼續(xù)增長(zhǎng)，依靠電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，維持在一個(gè)穩(wěn)定值。

電路的溫度特性和安全性設(shè)置：

1）利用BJT元件發(fā)射結(jié)電壓降Ube隨溫度上升而下降的負(fù)溫度系數(shù)特性，可以使恒流值隨溫度上升而下降。這對(duì)防止LED工作過(guò)熱，延長(zhǎng)使用壽命有好處。

2）短路保護(hù)

利用電阻R9對(duì)短路電流的取樣，當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時(shí)不用增加任何元件，利用電流負(fù)反饋的作用，將短路電流限制在正常恒流值上。

3）開路過(guò)壓保護(hù)

輸出開路時(shí)，電阻R9無(wú)采樣值，電流負(fù)反饋不起作用，占空比失控，輸出電壓會(huì)升高到危險(xiǎn)的程度，過(guò)電壓將危及LED元件的安全。在輸出端加接電阻R7和穩(wěn)壓管VDw引入電壓負(fù)反饋，能起到過(guò)壓保護(hù)作用，從而將過(guò)壓值限制在VDw的擊穿值上。

1．2 由IC構(gòu)成的開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電路

集成電路MC34063A構(gòu)成的它激開關(guān)恒流電路如圖2所示，其芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。［3］

圖2 IC構(gòu)成的開頭恒流驅(qū)動(dòng)電路

圖3 MC34063A內(nèi)部框圖

MC34063A占空比控制單元電路有：1．25V基準(zhǔn)電壓、誤差比較器、振蕩器、RS觸發(fā)器和驅(qū)動(dòng)管VT2、輸出開關(guān)管VTl。

芯片外圍接上高頻變壓器T及少量電子元件就構(gòu)成能將6V電源升壓至12V 0．3A的開關(guān)恒流電路。

圖中RSC為限流電阻，它檢測(cè)開關(guān)管VTl流過(guò)的電流，使VTl的電流不超過(guò)1．5A。Rl為驅(qū)動(dòng)管VT2的集電極電阻。CT是振蕩器定時(shí)電容，選用470P時(shí)，開關(guān)頻率約70KHZ。VD1、R2、C2構(gòu)成過(guò)壓吸收電路，在VTl關(guān)斷瞬間，將在VTl集電極上所產(chǎn)生的反沖電壓尖峰（下+上－）吸收掉，防止VTl被擊穿。

串接在次級(jí)繞組N2上的VD2、C3完成整流濾波作用，并給LED供電。R5是電流取樣電阻，當(dāng)LED工作電流在其上產(chǎn)生的壓降等于1．25V時(shí)，占空比受控，輸出電流就進(jìn)入恒流狀態(tài)。

本電路的輸出短路保護(hù)和開路過(guò)壓保護(hù)：利用R5電流取樣，抑制短路電流;利用VDW擊穿后，R4 +R5電壓取樣，抑制開路過(guò)電壓。

MC34063A的輸入電壓范圍為3～40V，既可構(gòu)成升壓電路，也可構(gòu)成降壓電路，如有必要，還可外接開關(guān)管擴(kuò)大輸出電流和功率，［4］使用方便靈活。

2 交流220V開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電路

傳統(tǒng)的LED是典型的低壓直流器件，不能直接使用市電～220V給LED燈供電。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需解決降壓、整流、效率變換、較小的體積、較低的成本以及安全隔離等一系列問(wèn)題。［5］單片集成開關(guān)電路TOPSwitch系列產(chǎn)品幾乎全面滿足上述要求。

由芯片TOP224Y構(gòu)成的輸入～220V，輸出恒流0．4A輸出電壓10～32V的開關(guān)恒流電路，如圖4所示。

圖4 交流220V開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電器

TOP224Y是三端器件（見圖5），從外表看，它像一只普通的功率三極管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見圖6）很復(fù)雜。

它將脈寬調(diào)制（PWM）控制系統(tǒng)的全部功能集成到三端芯片中。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、自動(dòng)偏值電路、保護(hù)電路、高壓?jiǎn)?dòng)電路和環(huán)路補(bǔ)償電路，通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)工頻變壓器、隔離、反激式開關(guān)電源的單片集成化，使用安全可靠。

2．1 三極的作用

它的三個(gè)管腳分別叫控制極C、源極S、漏極D，三個(gè)極都是一極多用。

圖5 反激式單片開關(guān)電源TOP224Y功能結(jié)構(gòu)圖

圖6 TOP224Y外形圖

控制極C的作用：

1）利用反饋控制電流IL的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出開關(guān)管的占空比D（見圖7）。從圖看出IC增大，D減小;反之，IC減小，D增大。

2）與內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器相連，能為芯片提供正常工作所需偏流。

3）作為電源旁路、自動(dòng)重啟動(dòng)和補(bǔ)償電容的連接點(diǎn)。

圖7 MOSFET輸出脈沖占空比與控制極電流的關(guān)系

漏極D的作用：

1）與片內(nèi)功率開關(guān)管的漏極相連。

2）在啟動(dòng)期間，高壓電流源經(jīng)過(guò)內(nèi)部開關(guān)給內(nèi)部電路提供偏置電流。

3）它還是內(nèi)部功率開關(guān)管工作電流的檢測(cè)點(diǎn)。

源極S的作用：

1）與片內(nèi)功率開關(guān)管的源極相連，作為高壓電源返回端。

2）作為一次側(cè)控制電路的公共地和基準(zhǔn)點(diǎn)。

2．2 工作過(guò)程

～220V經(jīng)電阻R1、R2整流橋VDl整流，電容Cl濾波，在Cl兩端建立起約280V的直流高壓作為本電路的實(shí)際電源。

電路中Rl為RFl0型保險(xiǎn)電阻，在電路發(fā)生短路時(shí)將被燒斷起短路保護(hù)作用;R2為NTC型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，起限制合閘沖擊電流的作用。在接通電源初的常溫下，它有較大的電阻值，將合閘電流限制在允許值。隨著工作電流的流過(guò)，溫度逐漸上升，阻值下降至某一較小的穩(wěn)定值，正常功耗不大，對(duì)電路正常工作無(wú)不良影響。

VD2、R3、C2組成漏極過(guò)電壓吸收電路，用以限制在關(guān)斷瞬間高頻變壓器漏感所產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù)功率MOSFET不被損壞。C6為控制端旁路電容，它能對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償并設(shè)定自動(dòng)重啟動(dòng)頻率。當(dāng)C6=47 u F時(shí)，自動(dòng)重啟動(dòng)頻率為1．2Hz。正常工作時(shí)，控制電壓UC的典型值為5．7V。

本電路的恒流作用同樣依靠電流負(fù)反饋原理： Rl0為電流取樣電阻。VTl是誤差放大器，其發(fā)射結(jié)壓降Ueb（約0．6V）還充當(dāng)基準(zhǔn)電壓的角色。

2．3 恒流過(guò)程

當(dāng)輸出電壓U0↑或LED壓降UL↓→LED電流

I0↑→UR10↑＞Ueb→VT1/Ib↑→VT1/IC↑→光耦/發(fā)光二極管IF↑→光耦/接收管IE↑→IC1/控制端電流IC↑→IC1/占空比D↓→輸出電壓U0↓→LED電流I0↓，從而實(shí)現(xiàn)恒流目的。反之亦然。

該電路開路過(guò)壓保護(hù)依靠電壓負(fù)反饋原理：輸出電壓U0經(jīng)電阻R8、R9分壓，當(dāng)VDW擊穿后，給VTl提供反饋基極電流，最終將輸出電壓限制在設(shè)定值上。

電路的短路保護(hù)可以利用片內(nèi)的過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)作用。電路還有過(guò)熱保護(hù)：當(dāng)芯片結(jié)溫Tj＞135℃時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷輸出級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)LED的特點(diǎn)所提出的開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電流與電壓負(fù)反饋技術(shù)的采用，將LED的輸入電流控制在一個(gè)穩(wěn)定的電流數(shù)值下，同時(shí)使電路防止過(guò)電壓的能力提高，可靠性大為增強(qiáng)。應(yīng)用中應(yīng)注意LED散熱條件的改善，否則LED使用壽命會(huì)大為縮短。線性恒流驅(qū)動(dòng)器的正常工作壓差為4～8V，超過(guò)此范圍會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器損耗增加，因此對(duì)電源電壓和LED負(fù)載電壓需要做嚴(yán)格的匹配。使用開關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)器要先接好LED，再接通驅(qū)動(dòng)器電源，操作順序不當(dāng)，將會(huì)有極大地沖擊電流通過(guò)LED威脅使用安全。

［1］何希才．新型電源電路應(yīng)用實(shí)例［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2002．

［2］陳元燈．LED制造技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2007．

［3］王少坤．一種新思路下的綠色光源—AC LED技術(shù)［J］．中國(guó)電源博覽，2010，（5）．

［4］楊恒．LED照明驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)例精選［M］．北京：中國(guó)電力工業(yè)出版社，2008．

［5］顏重光．LED燈具低壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)［J］．中國(guó)電源博覽，2008，（9）．

［編校：劉敏］

Switching Constant Flow Drive Circuit Design Based on Green Light LED

LIU Guoxian
（Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410014）

The paper proposes switching constant flow drive circuit based on the characteristics of LED．By using electric current and a voltage’s negative feedback technology，the author controls LED’s incoming current under a steady electric current value，and also prevents the circuit from improving its capacity through the voltage so as to increase its reliability．

Green Light LED;constant flow drive;safe and reliable

TP391．41

A

1671－9654（2011）01－041－04

2011－01－19

柳國(guó)憲（1954－），男，山東文登人，副教授，研究方向?yàn)殡姎馀c自動(dòng)化技術(shù)工程。