一种新颖的大功率LED灯驱动电路

1 引言

LED被公认为是绿色的第四代光源，是一种固体冷光源，具有高效、寿命长、安全环保、体积小、高可靠性、响应速度快等诸多优点。目前达到同样的照明效果，LED的耗电量大约是白炽灯的1/10,荧光灯的1/2 .很多国家和地区相继出台各种政策扶持LED产业的发展，以期该产业能够成为国家重要产业的重要组成部分，孕育着巨大的商机。LED驱动电路对LED来说至关重要，而LED调光控制可以节能，高亮度白光LED的驱动和调光是近年来研究的热点。本文在这方面进行了研究，针对现有电路的不足，设计了一款新颖的带有调光功能的LED灯驱动电路。

2 LED的特性

LED的理论光效为300 lm/W.目前实验室水平达260 lm/W,市场化水平在120 lm/W以上。高亮度LED的一般导通电压约为3.0~4.3V,其核心是PN结，其伏安特性与普通二极管相同。其电流电压关系如式(1)：

式中，VF为二极管正向电压，I0是反向饱和电流，为定值，q为电子电荷1.6×1019,k为波尔兹曼常数，大小为1.38×10-23,T是热力学温度，常数β近似取2.当加在LED上的电压小于其导通电压时，LED上几乎没有电流通过。但当LED导通后，其正向电流随正向电压按指数规律变化，很小的电压波动就会引起很大的电流变化。在导通区电压从额定值的80%上升到100%时，电流则从其额定值的0%上升到100%.

图1为某种LED相对光通量和其正向电流IF的关系，其他种类的大功率LED光通量与正向电流的关系与此虽有差异，但是差别非常小。图中可以看出，当白光LED正向电流大于某一值时白光LED才能有效地发光，LED的光通量和其正向电流成正比的关系，因此可以通过控制LED的正向电流来控制其发光亮度。LED若采用恒压源驱动，很小的电压变化将引起很大的电流变化，因此恒压驱动只适用于要求不高的小功率场合下，在要求高的场合和大功率场合下LED都要采用恒流驱动。

研究表明，LED发光亮度随工作时间下降，亮度下降后光效随电流的增加而减少，LED的亮度与驱动电流成饱和关系。LED的电流达到其额定电流的70%~80%后，很大比例的电流转化成了热能，因此LED的驱动电流宜为工作电流额定电流的70%~80%.

3 LED驱动电路分类

3.1 电荷泵电路

电荷泵电路也是一种DC/DC变换电路。电荷泵电路利用电容对电荷的累积效应储存电能，把电容作用能量耦合元件，通过控制电力电子器件进行高频的开关切换，在一个周期一部分时间内让电容储能，在剩余时间内电容释放能量。这种电路是通过电容的充电和放电时的不同连接方式得到不同的输出电压，整个电路不需任何电感。

电荷泵电路相对来说体积较小，采用的元件较少，成本较低，但其所用的开关元件相对较多，输入电压一定的情况下，输出电压变化的范围比较小，输出电压大都为输入电压的1/3~3倍，且电路功率较小，效率会随输出电压与输入电压的关系变化。多个LED时必须并联驱动，为防止支路电流分布不均，必须采用镇流电阻，这会使得系统效率大为降低。因此，电荷泵式驱动电路在大功率LED的照明驱动应用中受到了限制，其多在小功率情况下使用。

3.2 开关电源电路

开关电源电路是一种依靠改变开关管导通与关断的时间比来改变输出电压大小的DC/DC变换电路。从电路上看，和电荷泵电路相比它包含磁性元件，即电感或高频变压器。开关电源分为输入输出无隔离即“直通”型和输入输出隔离型两种类型的DC/DC变换器。

“直通”型DC/DC变换器的典型电路有Buck型、Boost型、Buck-Boost式和Cuk型等几种类型。

输入与输出有隔离型的DC/DC变换器的典型电路有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式等几种类型。开关电源电路相对来说可实现大范围的电压输出，且输出电压连续可调，输出功率大，因此适用范围更广，特别在中大功率场合下是首选。

3.3 线性电路

线性控制电路是把工作在线性区域的半导体功率器件看作动态电阻，通过对其控制级控制来实现恒流驱动。线性控制电路的缺点在于效率比较低，但其对输入电压和负载的变化有较快的响应，电路相对较简单，直接控制LED的电流，易于实现对电流的较高精度的控制。[p]

4 新颖的驱动电路设计

开关电源反馈控制的实际是输出电压，对输出电流控制不太容易做到精确，且单纯开关电源控制有偏差时易损坏LED灯;线性电路效率不高。

基于以上原因，本文设计了一新颖的LED驱动电路，该电路以单端反激式开关电源作为前级控制，线性的压控制恒流源作为控制的后级。市电经单端反激式电源变换后可得到直流电压输出，该输出作为后级的压控制恒流源的输入。由于压控制恒流源的输入电压是由高效率的单反激式开关电源供电，压控制恒流源精确控制LED的同时可在较大范围改变其恒流源的输入电压，故效率和精度都有保证，且可由市电供电。同时，两级控制不易损坏LED灯。

系统电路如图2所示。图中变压器T1、开关管Q1、二极管D1和电容C1构成单端反激式开关电源;运算放大器U1、U2和功率管Q2等器件构成压控制恒流源;单片机STC89C51为核心控制器件。灰度值变化时，单片机根据其得到的灰度值产生一相应的亮度控制电压。亮度控制电压加在U1的同相输入端，U1的反向输入端是经U2得到的LED的电流信号，R12为电流检测电阻。U1的输出电压即为MOS管Q2的控制电压，由运算放大器虚短概念知，U1的反向输入电压要等于其正向输入端上的电压，也就是稳定时R12上的电流受亮度控制电压的控制，而不随负载的变化而变化。单片机根据其得到的灰度值产生一相应的亮度控制电压的同时还产生一PWM信号，该PWM信号与 TL431上的信号相遇后去控制Q1的开关，然后单片机根据得到的LED电流信号，改变PWM信号的占空比，改变开关电源的输出电压，也即改变恒流源的输入电压使功率管Q2上的电压减少，使其在输出电流不变的情况下工作在可调电阻区或接近于可调电阻区，以提高效率。TL431是三端可调分流基准，在这里TL431及其相应电相的存在是为了限制开关电源的最高输出电压，进一步提高系统的安全性。

光线相对较好时，单片机根据得到的灰度值，控制其输出的亮度控制电压，使恒流源的输出电流相对较小，可达到节能效果。图2中单片机输出的亮度控制电压要经D/A转换才能供给恒流源，图2未画出D/A部分。

5 总结

驱动电路采用开关电源作为控制的第一级，压控制恒流源作为控制的第二极，结合了二者优点，效率和控制精度上都有保证，且可由市电直接供电，两级驱动，安全性高，不易损坏价格较高的LED灯。实验表明，该系统效率可达83%以上，功率和单端反激式开关电源相同，很值得推广。