照明LED驱动电路探讨

摘要： 对几种照明LED驱动电路作了比较和分析，论述了恒流驱动的必要性。

关键词：LED照明；恒流驱动；离线驱动；隔离式

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）34-0217-03

LED照明已经成为必然趨势。LED照明灯具节能、环保、安全、可靠、寿命长、体积小，光效可达到50 ～200lm /W，在相同照明效果的情况下，耗电量远低于过去的普通照明灯。它不像荧光灯那样含有有毒的汞，也没有紫外线辐射。超高亮度LED的迅猛发展，使得LED照明的普及越来越近了。LED照明灯具将进入普通家庭，成为一种广泛使用的照明光源。

LED光源不同于其他光源的一个方面是驱动。驱动技术的研究成为LED照明发展的关键问题。恒流驱动有其独特的优越性。

1 为什么要恒流驱动

LED是一款典型的电流驱动型器件。从以下几个方面可以理解恒流驱动的必要性。首先，由于 LED的非线性，其正向电压微小的变化会引起正向电流很大的变化，甚至烧毁LED。如图1为某1W的白光LED的伏—安特性：在线性区间电流随电压变化迅速导致亮度变化。而且白光LED在大电流下会出现饱和现象，温度变化也会引起电流的变化，使灯具亮度不稳。可见，必须控制照明LED恒流工作才行。

采用照明LED恒流驱动，可保证白光LED工作在其额定电流的范围内，提高白光LED工作的可靠性；可以获得预期的白光LED工作电流的匹配度，使各白光LED的亮度和色度保持一致。为了实现较理想的驱动效果，产生了不同的驱动电路，其中离线LED驱动电路是其中的一类。

2 照明LED驱动电路探讨

目前照明LED均采用直流驱动，在市电与LED之间需要加一个LED驱动电源，它的基本功能是把交流市电转换成合适LED的直流电，同时进行其他控制，如恒流驱动、开关、调光等。照明LED 驱动器必须提供最高效率以确保节省功率。出于安全考虑，可能需要提供电气隔离。必须提供功率因数校正 （PFC） 和低谐波失真性能，以适用于多种应用。在很多住宅应用中，照明LED 驱动器还必须提供用现有 TRIAC 调光器调光的能力，总体体积应该适当的小，以便安装在有限的空间里。适当的低成本以吸引商用和住宅用户用 LED 灯更换现有照明灯。为了提高电源的效率，需要增加LED串中LED数目。如果做成LED灯具，就需要几十只或更多LED。通常使用 “串并串”或“并串并”等交叉阵列形式以改善其可靠性。市电供电的LED驱动电路有多种分类方法。

1） 按照是不是恒流驱动

分为稳压式和恒流式驱动。恒流式驱动电路符合LED 特性，能够保证在一定的电压变化范围内有恒流输出。恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。相对而言价格较高、LED数量受限。稳压式电路输出的电流却随着负载的增减而变化，在开路时保护性好但不能发生负载完全短路现象。

2） 按照灯具与市电是否隔离来分

隔离式开关电源：通过脉冲变压器传输能量，输入输出电气隔离，使用光电耦合器进行负反馈控制，因此认为比较安全。电路形式有单端正激式、单端反激式、推挽式、全桥式、半桥式等。

隔离式开关电源效率较高，一般可以做到70%～80%，应用较广。但是，由于其振荡频率是不连续，开关频率控制难度较大，输出的电压波纹系数比较大。PWM控制方式的开关电源的输出电压或电流稳定，效率极高，一般可以做到80%～90%以上，输出电压、电流稳定。一般都有完善的保护措施，属高可靠性电源。

非隔离式开关电源的输出端与输入端电气相通，触及电路会有危险。其结构有串联式结构、并联式结构、极性反转型变换器结构等。一般认为隔离型驱动安全但效率较低，非隔离型驱动效率较高，应按实际使用的要求来选。

3） 按照PWM调节方式

大功率LED不适合采用线性手段来调节亮度，因此优先选用PWM调节方式。主要方式有：①脉宽调制方式。②频率调制方式。③位角调制方式。位角调制是采用一串含有二开关稳压器，是最昂贵及技术最复杂的LED电流控制方案。

4） 按照驱动方式分为线性驱动和开关型驱动

线性驱动是最为简单和直接的驱动方式。但是在照明级白光LED应用中存在着效率低、调节性差等问题。

开关型驱动方式主要分为降压式、升压式和升压-降压式等。

在电源电压高于LED需要的端电压时，可以采用降压式开关驱动。在电源电压低于LED需要的电压时可以采用升压式开关驱动。

5） 按照电路的基本结构

可以分为电容降压LED驱动电路、变压器降压LED驱动电路、线性电流源LED驱动电路、高压控制器LED驱动电路、开关恒流驱动电路及带隔离的开关电源等。大多数的LED驱动电路都属于降压型、升压型、降压-升压型、SEPIC和反激式拓扑等。

3 LED驱动电路分析

3.1 电容降压整流电路

这是非隔离式。由于LED的电压低，如果LED串中二极管的数目有限，便需要串联降压电阻或降压电容。电阻降压在市电供电时也能见到，多用于指示电路。图2电路中串联电阻起限流作用。

电容降压LED驱动电路如图3所示，其后可以安排线性电流源等用于驱动LED。降压电容为C1，R1为C1的泄放电阻。通过选择合适的电容量，便可以适应负载LED的需要。电容降压电路简单，成本低廉，但是它不能实现恒流驱动，当电源电压波动时LED电流会随之波动，而且它效率很低，功率越大问题越明显。除了简单应用外，一般不采用。

3.2 变压器降压整流电路

变压器降压LED驱动电路如图4所示。这是隔离式。一般地将电源用变压器降压、整流滤波后供给LED串。变压器降压LED驱动电路的电源效率不高、电流稳定性很差。

在需要多个LED串并联使用时，为了保证各个并联分支LED亮度一致性，可以使用多个恒电流源，如图5。相对比较而言，恒电流输出模式比恒电压模式更适合在照明领域中使用，无论在能量转换效率、发光亮度稳定性方面都更好些。

对于一些恒流驱动电路，往往都要引入负反馈，构成恒流源LED驱动电路，使线性恒流源驱动电路的电流稳定度比前一个有了提升。它往往具有过压、过热保护、灵活的开关及调光控制功能等，电路简单、实用。但是受器件功率限制，它并不适合大功率应用。

使用低压差新型线性电流源（LDO）可以进一步提高电源效率。一些LDO的输出电压与输入电压的差值可以很小，可以达到0.1V甚至更低。因此它在便携式电子产品中越来越受欢迎。

3.3 开关型DC-DC变换器

PWM开关稳压的基本原理是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，通过将被控制信号与基准信号进行比较、闭环反馈，调节主电路开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定（即相应稳压电源或恒流电源）。这种电源效率很高，一般可以做到80%～90%以上，输出电压、电流稳定。一般这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。

（1） 变压器降压整流+DC-DC变换器

这是隔离式。变压器降压整流之后，可以连接电感降压开关变换器、电感升压开关变换器、电荷泵开关驱动器或电感升压-降压开关变换器等构成LED恒流驱动电路。开关型驱动器具有更高的电源效率和控制灵活性。

①电荷泵驱动电路：电容式电荷泵可以组成升压式或降压式结构。电荷泵电路输出电流受限制，电源效率也比电感升压的要低，约为70%，LED 串数目也受限制。电荷泵型不但开关数量多，而且冲击电流较大。

②电感升压型开关变换器：一个实际电路如图6。

它是由CAT37构成的4只白光LED驱动电路。CAT37的输入电压是2.5～7V，工作于1.2MHz固定频率，有调光功能、负载开路和过电流保护功能等。在控制电路的作用下MOSFET处于导通和关断两种状态，状态的切换时间极短。当MOSFET管导通时，电感中电流增加，电能转换成电感L1中的磁场能。此期间电容C2中储存的能量对LED供电；当MOSFET截止时，电源电压VIN与电感L1中电动势同向串联叠加（升压变换）后对电容C2充电且对LED供电。此电路同时对MOSFET串联的电阻RSEN1和LED串电流检测电阻RSEN2中的电流进行检测，去控制MOSFET的开通时间长短，从而控制LED中电流稳定。

电感升压开关变换器的效率可达80～85%，比电荷泵驱动器的效率高；恒流控制特性保证了在较宽的电池电压范围内有稳定的亮度。但是，电感升压开关稳压器的價格较高、体积较大、LED串数量受限制。

③电感降压型变换器：如图7是降压式变换器的原理图。其中VT1是开关管，VD1是续流二极管，L为降压电感。在开关管导通时电流线性上升，电感中储存磁能；当开关管截止时，电感L经续流二极管构成电流回路，电流线性下降（因此LED中有连续的电流）。

降压式电源较适合用于AC220V。整流滤波后约300V，经过降压恒流驱动电路，一般可以适应需要。因为高压小电流输出，效率可以做得较高。一般选用MOSFET做开关管。

在升压式、升压-降压式和降压式三种标准的DC-DC变换器中，只有降压变换器有着与LED相等的电感平均电流，甚至可以在没有输出电容的情况下正常运行。相对来说，降压式DC-DC变换器的效率较高。

④升压-降压式变换器：输出电压可能高于、也可能低于输入电压，通常使用升压、降压变换器。这种方式不常见于市电供电的场合。

（2） 高压控制器LED驱动电路

为了不使用变压器，可以直接对市电整流，用高压控制器件来构成恒流驱动电路。

3.4 隔离式开关电源LED驱动电路

隔离式开关电路使用变压器隔离初次级，从而将二次侧与一次侧隔离，一般使用PWM控制方式。有三种基本类型：逆向隔离变换器（反激式）、正向隔离变换器（正激式）、推挽隔离变换器。其他变换电路，如单端正激，单端反激，半桥和全桥变换电路等。效率高（一般都有90%以上），因为是变压的主次级分开，安全性较高。

隔离式开关驱动电路的主回路一般包含供电输入端、开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器和负载端等。

（1） 反激式变换电路 ：反激式变换电路结构如图8所示。当功率开关器件导通的时候，输出回路中的二极管反偏截止。这种电路常常用在在中、小功率驱动。

除了反相激励，还有正激式变换电路、推挽式功率变换电路等。

（2） PWM控制方式开关电源。这种电源效率很高，可达80%到90%以上，输出电压和电流都很稳定，保护措施完善，属高可靠性电源。

开关型稳压恒流驱动电源的优点是效率高、控制灵活，亮度控制及调节性能都很好。在大功率应用场合、处理宽输入电压变化范围大的场合，开关型稳压恒流驱动电源是唯一可行的选择。开关型恒流驱动电源的缺点是，易受电磁干扰，设计难度较大。

4 结束语

LED均采用直流驱动，在市电与LED之间需要加一个LED驱动电源。它的基本功能是把交流市电转换成合适LED的直流电，检测LED电流、负反馈、横流控制，同时进行其他控制。恒流驱动电路符合LED 特性。

开关型稳压恒流恒流驱动电源具有良好的电流控制精度和较高的总体效率。但这种电路在开关管击穿的时候，会损坏LED灯。PWM控制开关电源恒流驱动器控制灵活、效率高、功率大、电流稳定，有完善的保护措施，但是电路复杂、有电磁兼容性问题等。电流大于500mA的大电流应用一般采用开关电源恒流驱动器。用市电驱动大功率LED还需要解决降压、隔离、PFC（功率因素校正）等问题，还需有较高的转换效率。

高亮度白光照明LED的调光是一种广泛的需求。采用脉宽调制方式进行调光控制是较好的选择。如果需要其他功能如相位控制调光和功率因子校正（PFC），电路就变得复杂。

参考文献：

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