賈竹君

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大功率LED驅(qū)動電路的研究

賈竹君

（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

LED是一種固體發(fā)光光源，它是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿陌雽?dǎo)體器件，中文名叫發(fā)光二極管。發(fā)光二極管體積小，光線集中，能量損失少，具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長的特點。并且使用低壓直流電即可驅(qū)動，故被廣泛應(yīng)用于各種照明及電子設(shè)備中。隨著技術(shù)的進步，超高亮度、大功率的LED不斷被生產(chǎn)出來，傳統(tǒng)的白熾燈和節(jié)能燈已漸漸地被它取代。本論文先介紹LED的驅(qū)動技術(shù)，然后分析典型的大功率LED驅(qū)動電路及集成驅(qū)動電路。最后給出每種驅(qū)動方式的使用場合及發(fā)展前景。

LED ；驅(qū)動技術(shù)；驅(qū)動電路

LED（light emitting diode）即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體器件，它在通電以后發(fā)出各種各樣的光，發(fā)光二極管體積小，光線集中，能量損失少，具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長的特點。并且使用低壓直流電即可驅(qū)動，故被廣泛應(yīng)用于各種照明及電子設(shè)備中。隨著技術(shù)的進步，超高亮度、大功率的LED不斷被生產(chǎn)出來，大功率高亮度的藍光LED相繼問世。由于半導(dǎo)體二極管的伏安特點，大功率LED兩端的電壓稍微變化一下而其電流會出現(xiàn)很大的變化，這樣一來，很容易使 LED 因電流過大而燒毀，要想使 LED負載能正常運行，就必須要控制其電流。而控制電流最好的方法就是用驅(qū)動電路，并以輸出恒定電流的方式進行驅(qū)動大功率LED[1]。

1 LED驅(qū)動技術(shù)

1.1電路性能分析

在實際應(yīng)用中，我們?nèi)绻麑⑤^多的LED管串聯(lián)，將需要提供較高的電壓，如果將較多的LED管并聯(lián)使用，則需要提供較大的電流。將所有的LED單獨串聯(lián)或者單獨并聯(lián)都是不可取的，最好的解決辦法是采用混合聯(lián)接的方式。串、并聯(lián)分配恰當(dāng)，才能使串聯(lián)支路上的電壓相同，流過同一支路的每個LED上的電流大小也基本相同，亮度就會一致。我們采用先串聯(lián)后并聯(lián)的方式，并將LED管盡量并聯(lián)連接，當(dāng)某一只LED管出現(xiàn)故障或斷路時，其余的LED管中的電流不會變大，就可以保證其余的LED管的正常工作。這種先串聯(lián)后并聯(lián)電路線路結(jié)構(gòu)簡單、有穩(wěn)定的亮度和較高的可靠性，不需要每個LED都完全一樣。縱使個別LED單管失效，對整個發(fā)光組件的影響不大。在工作條件經(jīng)常變化時，使用這種連接形式的發(fā)光組件是不錯的選擇。我們也可以先并聯(lián)再串聯(lián)。并以恒定電流的方式進行驅(qū)動大功率LED。若某只LED管短路，則除了短路LED管不亮，其余的LED管均能正常工作。如果并聯(lián)的LED管較多，會使驅(qū)動器的驅(qū)動電流變大，流過這只短路的LED的電流也會變大，這只短路的LED會因過流而燒壞。但其余的LED管上的電流卻不變，依然可以正常點亮[2]。

1.2 驅(qū)動器的選擇

綜合上面的分析，驅(qū)動器的選擇與負載LED串、并聯(lián)方式的搭配密切相關(guān)。穩(wěn)壓式LED驅(qū)動器不適合選用串聯(lián)負載，因為輸出的電壓是恒定的，而輸出的直流電流卻隨著負載的大小在一定范圍內(nèi)變化，則LED的亮度不均勻。要在支路上串聯(lián)一個合適的電阻才能使每串LED亮度均勻。同樣，恒流式LED驅(qū)動器不適合選用并聯(lián)負載，因為輸出的電流是恒定的，而其輸出的直流電壓卻隨著負載的大小在一定范圍內(nèi)變化，阻值越小，輸出電壓就越低，阻值越大，輸出電壓就越高，使用恒流電路時不怕負載短路，卻嚴(yán)禁負載開路，其對LED的驅(qū)動是理想化的，而且相對價格比較高，所以應(yīng)注意其最大耐壓、耐流值，從而就限制了LED的使用數(shù)量。通過分析，我們認(rèn)為在工作電壓相等時，恒流驅(qū)動是大功率LED的最佳選擇。下面我們來舉幾種LED驅(qū)動電路。

2 典型LED驅(qū)動電路的研究

2.1電容降壓電路

電容降壓的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流，因為電容通交流阻直流。并聯(lián)電容降壓時應(yīng)注意下面幾點：要根據(jù)流過負載電流和交流電的頻率選取適當(dāng)?shù)碾娙萑萘?，無極性電容用作限流電容，一定不能用電解電容來限流。而且限流電容的耐壓必須在四百伏特以上，動態(tài)負載條件、大功率條件、容性和感性負載不能用電容來降壓，當(dāng)電路工作需要直流電壓時，應(yīng)盡量采用整流電路獲得。電容降壓電路因結(jié)構(gòu)簡單、電流恒定、價格低而用于LED驅(qū)動電路中。

圖1.最簡單的LED電容降壓電路

最簡單的LED電容降壓電路如圖1所示，電容在電路中起限流作用，在電源電壓和頻率一定時，根據(jù)電容阻抗與電容成反比的原理，電容大，電容阻抗小，則通過的電流大。兩只反向并聯(lián)的LED則輪流導(dǎo)通。指示燈和夜光燈常用此類電路作為驅(qū)動。

2.2PWM驅(qū)動白光LED電路

PWM（Pulse-Width Modulation）是脈沖寬度調(diào)變的意思。PWM調(diào)光是通過調(diào)整亮、暗的時間比例來調(diào)整LED的亮度[4]。通過調(diào)整占空比和頻率來調(diào)光，調(diào)光的范圍不是很寬，與內(nèi)部電路的軟啟動和恢復(fù)正常工作的速度有關(guān)[5]。PWM驅(qū)動白光LED電路如圖2所示。

圖2.PWM驅(qū)動白光LED電路

PWM原理是用開關(guān)控制通過的直流電壓，從而控制和改變LED上的電壓。設(shè)LED管允許通過的最大電流為Imax。開關(guān)開閉周期為T，開關(guān)閉合時間為t，則占空比為D=t／T[5]，LED的平均電流為：

I=ID (1)

由式(1)可見，當(dāng)開關(guān)周期不變時，改變導(dǎo)通時間，則流過LED管兩端的平均電流也會改變，LED的亮度跟著改變。

3 LED集成驅(qū)動電路

3.1LM3404驅(qū)動電路

LM3404是單片降壓型高亮度LED恒流驅(qū)動集成電路，它適用于新一代大功率高亮度LED組件，工業(yè)照明和汽車照明用的較多。LM3404內(nèi)部集成了功率MOSFET、Buck開關(guān)電路。LM3404能夠為3W至5W的LED組件提供700mA至lA的電流，輸出電流高達l.2A，利用效率高達95%，在DIM端子上用PWM信號調(diào)節(jié)LED管的亮度，在LED損壞、斷路時能夠?qū)﹄娐愤M行有效可靠的保護[6]。LM3404采用8引腳的小型SO-8和PSOP-8封裝，其典型應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3.LM3404典型應(yīng)用電路

3.2CAT4016驅(qū)動白光LED電路

CAT4016典型應(yīng)用電路如圖4所示。特點是多種串聯(lián)LED連接，不同通道有不同的電流匹配，CAT4106支持16通道，LED電流范圍均為2 mA至100 mA，常應(yīng)用于廣告牌標(biāo)志、滾動橫幅、智能車輛標(biāo)志和體育計分板等。

圖4.CAT4016典型應(yīng)用電路

3.3 MAX1910/MAX1912電荷泵驅(qū)動白光LED的電路

專為驅(qū)動LED設(shè)計的電荷泵可以把輸入電壓提升到剛好使LED工作的電平。連接到SET引腳的電阻器網(wǎng)絡(luò)保證在所有LED中有相同的電流。內(nèi)部電路使SET端的電壓保持在200mV，流經(jīng)任何LED的電流為I=200/10=20（mA）。MAX1912的輸出電流可達60mA，可以同時并聯(lián)驅(qū)動3只以上的LED。采用MAX1910/MAX1912電荷泵驅(qū)動白光LED的電路如圖5 所示。

圖5.MAX1910/MAX1912電荷泵驅(qū)動白光LED的電路圖

MAX1910/MAX1912內(nèi)部包括電荷泵和電流控制電路，電荷泵為白光LED提供足夠的驅(qū)動電壓，而電流控制電路通過給每只LED加載同樣的電流來確保LED發(fā)出均勻的白光。

綜上所述，電容降壓式LED驅(qū)動電路體積小、成本低、電流相對恒定，通常應(yīng)用在夜光燈、按鈕指示燈及一些要求不高的位置指示燈等場合。PWM驅(qū)動白光LED電路是通過調(diào)整亮、暗的時間比例來調(diào)整LED的亮度，通過調(diào)整占空比和頻率來調(diào)光，能適應(yīng)需要智能調(diào)光的場合。LM3404是單片降壓型高亮度LED恒流驅(qū)動集成電路，適用于新一代大功率高亮度LED組件，工業(yè)照明和汽車照明用的較多。CAT4106恒流LED汲入型驅(qū)動器，輸出電流范圍均為2至100mA，常應(yīng)用于滾動橫幅、廣告牌和體育計分板等。至于MAX1910/MAX1912電荷泵驅(qū)動白光LED的電路，它們可以驅(qū)動3只以上的同時并聯(lián)的LED，最大輸出電流可達60mA。非常適合在那些結(jié)構(gòu)緊湊的應(yīng)用中用做大功率、高效率的輔助電源。

[1]任兵.大功率LED照明驅(qū)動電路的研究設(shè)計[D].電子科技大學(xué),2011.

[2]張成功.LED背光源驅(qū)動及光學(xué)設(shè)計技術(shù)研究[D].中國海洋大學(xué),2009.

[3]楊婧婧;電容降壓電路工作原理[J].機床電器,2012.(12):50-51.

[4]田立東.40W可調(diào)光LED驅(qū)動器的技術(shù)研究[D].杭州電子科技大學(xué),2011.

[5]程安寧,王晉,尚相榮.白光LED的PWM驅(qū)動方式分析[J].電子設(shè)計工程,2010,(2):109-111.

[6]鄭德超.汽車燈光集中控制系統(tǒng)的研究[D].大連理工大學(xué)，2009.

（責(zé)任編校：宮彥軍）

2017－01－26

湖南省自科基金項目（項目編號14JJ7079）；湖南科技學(xué)院電路與系統(tǒng)重點學(xué)科建設(shè)項目資助。

賈竹君（1964－），女，湖南永州人，湖南科技學(xué)院副教授，碩士，研究方向為電子技術(shù)，光電通信。

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1673-2219（2017）10-0039-03