關(guān)于LED驅(qū)動技術(shù)分析

　一、 LED驅(qū)動電路的原理

　　1 概述

　　LED的發(fā)光原理是在它兩端加上正向電壓，使半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩能量，從而引起光子的發(fā)射。LED驅(qū)動電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，同時按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配。

　　2 LED恒流驅(qū)動工作原理

　　LED線性恒流（CC）驅(qū)動具有電路簡單、使用元器件數(shù)量少和EMI小的特點。

　　LED采用串聯(lián)工作方式可以確保通過每只LED的工作電流一致，而LED恒壓（CV）驅(qū)動LED并聯(lián)使用時則不能確保通過每只LED的工作電流一致。

　　1）LED恒壓驅(qū)動工作原理

　　LED負(fù)載恒壓驅(qū)動工作原理圖如下圖2所示，通過調(diào)節(jié)輸出取樣電阻RFB1和RFB2的取值，可以調(diào)節(jié)輸出電壓數(shù)值。由于LED的發(fā)光色溫、輸出流明數(shù)和LED的正向工作電流有關(guān)，為穩(wěn)定LED光輸出，實用中不宜采用恒壓LED驅(qū)動工作方式。

　　2）LED恒流驅(qū)動工作原理

　　LED恒流驅(qū)動工作原理圖如圖3所示，穩(wěn)定的LED負(fù)載工作電流對穩(wěn)定LED的發(fā)光色溫和輸出流明數(shù)有利。所以，實用中LED負(fù)載采用恒流驅(qū)動較為有利。在圖3中，調(diào)節(jié)電流取樣電阻RFB的參數(shù)就可以實現(xiàn)LED負(fù)載驅(qū)動工作電流的調(diào)節(jié)。

　　常用LED驅(qū)動電路拓?fù)渑c特點如表1所示，公式中D表示開關(guān)變換脈沖占空比。

　　二、LED驅(qū)動電路主要特點

　　1 直流控制

　　LED是由電流驅(qū)動的器件，其亮度與正向電流呈比例關(guān)系。有兩種方法可以控制正向電流。

　　第一種方法是采用LED V-I曲線來確定產(chǎn)生預(yù)期正向電流所需要向LED施加的電壓。其實現(xiàn)方法一般采用一個電壓電源和一個鎮(zhèn)流電阻器。如下所述，此方法有 多項不足之處。LED正向電壓的任何變化都會導(dǎo)致LED電流的變化。如果額定正向電壓為3.6V,則圖1中LED的電流為20mA.如果電壓變?yōu)?4.0V,這是溫度或制造變化引起的特定壓變，那么正向電流則降低到14mA.正向電壓變化11%會導(dǎo)致更大的正向電流變化，達(dá)30%.另外，根據(jù)可用的 輸入電壓，鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會浪費功率和降低電池使用壽命。

　　第二種方法、也是首選的LED電流調(diào)整方法是利用恒流電源來驅(qū)動LED.恒流電源可消除正向電壓變化所導(dǎo)致的電流變化。因此可產(chǎn)生恒定的LED亮度，無論 正向電流如何變化。產(chǎn)生恒流電源很容易。只需要調(diào)整通過電流檢測電阻器的電壓，而不用調(diào)整電源的輸出電壓。圖2說明了這種方法。電源參考電壓和電流檢測電 阻器值決定了LED電流。在驅(qū)動多個LED時，只需把它們串聯(lián)就可以在每個LED中實現(xiàn)恒定電流。驅(qū)動并聯(lián)LED需要在每個LED串中放置一個鎮(zhèn)流電阻， 這會導(dǎo)致效率降低和電流失配。

　　2 高效率

　　便攜式應(yīng)用中電池使用壽命是至關(guān)重要的。LED驅(qū)動器如果實用，就必須具備高效性。LED驅(qū)動器的效率測量與典型電源的效率測量不同。典型電源效率測量的 定義是輸出功率除以輸入功率。而對于LED驅(qū)動器來說，輸出功率并非相關(guān)參數(shù)。重要的是產(chǎn)生預(yù)期LED亮度所需要的輸入功率值。這可以簡單地通過使LED 功率除以輸入功率來確定。請注意：如果這樣定義效率的話，則電流檢測電阻器中的功耗會導(dǎo)致電源功率耗散。通過圖3所示的公式，我們可以看出較小的電流傳感 電壓會產(chǎn)生較高效率的LED驅(qū)動器。圖4說明了選用0.25V參考電壓的電源與選用1V參考電壓的電源相比，二者的效率提高情況。較低的電流傳感電壓電源 更為有效，無論輸入電壓或LED電流如何，只要其他條件相同，較低的參考電壓都可以提高效率并延長電池的使用壽命。

　　3 PWM調(diào)光

　　許多便攜式LED應(yīng)用都需要進(jìn)行光度調(diào)節(jié)。在LCD背光等應(yīng)用中，調(diào)光功能可提供亮度及對比度調(diào)節(jié)。我們可采用兩種調(diào)光方法：模擬與 PWM.利用模擬調(diào)光，通過向LED施加50%的最大電流可實現(xiàn)50%的亮度。這種方法的缺點是會出現(xiàn)LED顏色偏移并且需要采用模擬控制信號，因此使用 率一般不高。以更低忙閑度向LED施加滿電流可實現(xiàn)PWM調(diào)光。在50%忙閑度施加滿電流可達(dá)到50%亮度。為確保人的肉眼看不到PWM脈沖，PWM信號 的頻率必須高于100Hz.最大PWM頻率取決于電源啟動與響應(yīng)時間。為提供最大的靈活性以及集成簡易性，LED驅(qū)動器應(yīng)能夠接受高達(dá)50kHz的PWM 頻率。

　　4 過壓保護(hù)

　　在恒流模式中操作電源需要采用過壓保護(hù)功能。無論負(fù)載為多少，恒流電源都可產(chǎn)生恒定輸出電流。如果負(fù)載電阻增大，電源的輸出電壓也必須隨之增大。這就是電 源保持恒流輸出的方法。如果電源檢測到過大的負(fù)載電阻，或者負(fù)載斷開的話，輸出電壓可提高到超出IC或其他分立電路元件的額定電壓范圍。恒流 LED驅(qū)動器可采用多種過壓保護(hù)方法。其中一個方法是使齊納二極管與LED并聯(lián)。這種方法可以將輸出電壓限制到齊納擊穿電壓和電源的參考電壓。在過壓條件 下，輸出電壓會提高到齊納擊穿點并開始傳導(dǎo)。輸出電流會通過齊納二極管，然后通過電流檢測電阻器接地。在齊納二極管限制最大輸出情況下電源可連續(xù)產(chǎn)生恒定 的輸出電流。更佳的過壓保護(hù)方法是監(jiān)控輸出電壓并在達(dá)到過壓分界點時關(guān)閉電源。如果出現(xiàn)故障，在過壓條件下關(guān)斷電源可降低功耗并延長電池使用壽命。

　　5 負(fù)載斷開

　　LED驅(qū)動電源中一個經(jīng)常被忽視的功能是負(fù)載斷開。在電源失效時負(fù)載斷開功能可以把LED從電源斷開。這種功能在下列兩種情況下至關(guān)重要，即斷電和PWM 調(diào)光。在升壓轉(zhuǎn)換器斷電期間，負(fù)載仍然通過電感器和捕獲二極管與輸入電壓連接。由于輸入電壓仍然與LED連接，即使電源已經(jīng)失效，就會繼續(xù)產(chǎn) 生一個小電流。即使很小的泄漏電流也會在很長的空閑期間極大縮短電池壽命。負(fù)載斷開在PWM調(diào)光時也很重要。在PWM空閑期間，電源已經(jīng)失效，但是輸出電 容器仍然與LED連接。如果沒有負(fù)載斷開功能，輸出電容器會通過LED放電，直到PWM脈沖再次打開電源。由于電容器在每個PWM循環(huán)開始都部分放電，一 次電源必須在每個PWM循環(huán)開始時給輸出電容器充電。因此會在每個PWM循環(huán)產(chǎn)生突入電流脈沖。突入電流會降低系統(tǒng)效率并在輸入總線上產(chǎn)生瞬時電壓。而如 果具有負(fù)載斷開功能，LED就會從電路斷開，這樣，在電源失效時就不會存在泄漏電流，而且在PWM調(diào)光循環(huán)之間輸出電容器都是充滿的。實施負(fù)載斷開電路時 最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個MOSFET.在電流傳感電阻器和接地之間放置MOSFET會產(chǎn)生一個附加壓降，其在輸出電流設(shè)定點會把自身顯 示為一個差錯。

　　6 簡便易用

　　簡便易用是相對而言的。在評估電路的簡便易用性時，不但必須考慮初始設(shè)計的復(fù)雜性，而且還必須要考慮在未來進(jìn)行快速修改并把電路用于其他有不同輸入或輸出 要求的程序時需要做的工作?？傊?，滯后控制器非常簡便易用。滯后控制器可消除傳統(tǒng)電源設(shè)計中必需的復(fù)雜頻率補(bǔ)償功能。雖然頻率補(bǔ)償對于有經(jīng)驗的電源設(shè)計人 員來說是小菜一碟，但是對于新手來說就不那么輕松了。由于最佳的補(bǔ)償隨輸入和輸出條件的不同而不同，傳統(tǒng)的電源設(shè)計不能實現(xiàn)針對不同操作條件的快速修改。 而滯后控制器具有內(nèi)在的穩(wěn)定性從而在輸出/輸出條件改變時無需改變。

　　7 小尺寸

　　小尺寸是便攜式電路的一個重要特性。電路元件的尺寸受多種因素的影響。其中一個因素是切換頻率。高切換頻率允許采用小型無源元件。用于便攜應(yīng)用的現(xiàn)代 LED驅(qū)動器應(yīng)能夠以高達(dá)1MHz頻率切換。由于切換頻率并不能明顯縮小電路尺寸，而且較高的切換損耗會降低效率和縮短電池壽命，所以建議切換頻率一般不 超過1MHz.把各種功能集成到控制IC是實現(xiàn)小型驅(qū)動解決方案的一個最重要的因素。如果上述所有功能都通過分離的元件實現(xiàn)的話，它們所需要的電路板空間 將超出電源自身占用的空間。把它們集成到控制IC可大大縮小整體驅(qū)動器尺寸。功能集成的第二個同樣重要優(yōu)勢是可以降低解決方案總成本。如果分步執(zhí)行的話， LED驅(qū)動器中所有預(yù)期功能會導(dǎo)致每額外個別成本增加0.60~0.70美元。而當(dāng)集成到控制IC時，這些功能只會增加IC成本0.10~0.15美元。

　　由于受到LED功率水平的限制，通常需同時驅(qū)動多個LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的驅(qū)動電路來點亮LED.

　　1. 阻容降壓：利用電容在交流下的阻抗來限制輸入電流，從而獲得直流電平給LED供電。這種驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但是輸入非隔離方案，有安全隱患。而且轉(zhuǎn)換效率很低，無法做到恒流控制。

　　2. 隔離反激電路：利用反激電路，通過變壓器在副邊產(chǎn)生直流電平，

　　再通過光耦將此電平的紋波反饋回原邊，從而自激穩(wěn)定。此類電路符合安規(guī)認(rèn)定要求，而且輸出恒流精度較好，轉(zhuǎn)換效率較高。但由于需要光耦和副邊恒流控制電路，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，體積大，成本高。

　　3. 原邊方案：原邊方案就是通過完全在交流原邊控制輸出的電源和電流，最精確可以做到5%的恒流精度，副邊僅需簡單的輸出電路即可。原邊主要依靠輔助邊的反饋來控制輸出電壓，依靠限流電阻對原邊電流的控制，同時乘以匝比來控制輸出電流的精度。原邊方案繼承了隔離反激電路的種種優(yōu)點，同時架構(gòu)簡單，可以做到小體積和低成本。

　　三、LED驅(qū)動電路功能特性

　　LED的發(fā)光原理是在它兩端加上正向電壓，使半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩能量，從而引起光子的發(fā)射。LED驅(qū)動電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，同時按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配。

　　LED驅(qū)動

　　LED驅(qū)動電路的基本功能有以下兩個方面：

　　一是盡可能保持恒流特性，尤其在電源電壓發(fā)生±15%的變動時，仍應(yīng)能保持輸出電流在±10%的范圍內(nèi)變動。

　　1、避免驅(qū)動電流超出最大額定值，影響其可靠性。

　　2、獲得預(yù)期的亮度要求，并保證各個LED亮度、色度的一致性。

　　二是驅(qū)動電路應(yīng)保持較低的自身功耗，這樣才能使LED的系統(tǒng)效率保持在較高水準(zhǔn)。

　　LED驅(qū)動電路應(yīng)確保LED的恒流工作特性，尤其在電源供電電壓發(fā)生變化時，仍能保持LED工作電流的穩(wěn)定。實現(xiàn)：

　　1.確保LED負(fù)載工作電流穩(wěn)定；

　　2.避免LED驅(qū)動電流超出最大額定值，影響LED負(fù)載的工作可靠性；

　　3.獲得要求的流明輸出，并保證各LED發(fā)光亮度和發(fā)光色度的一致性。

　　同時，LED驅(qū)動電路應(yīng)保持較低的功耗，這樣才能使LED照明系統(tǒng)的工作效率保持在較高水平。

　　尤其在調(diào)光方面，LED 不僅可實現(xiàn)0~100%的調(diào)光，而且還可以保證在整個調(diào)光過程中有較高的發(fā)光效率，并不損害LED 的工作壽命，而氣體放電燈則很難做到這一點。

　　LED燈具中有關(guān)部件損壞比例如圖1所示，其中，LEDs的損壞率為10%,控制電路為7%,LED燈具的安裝為31%,LED驅(qū)動器為52%.可見在LED燈具中LEDs的損壞率并不高，LED驅(qū)動電路失效率相對較高為52%,LED燈具失效90%并非來自LED（數(shù)據(jù)來源：Appalachian Lighting Systems）。該數(shù)據(jù)的統(tǒng)計條件是在5400件LED燈具中失效燈具為29具（失效率為：0.54%）的實驗條件下進(jìn)行的。

　　四、LED驅(qū)動電路存在的一些問題

　　在LED驅(qū)動電路的使用過程中應(yīng)注意LED驅(qū)動電路的應(yīng)用場合，例如注意LED驅(qū)動電路的用途、安裝方式、環(huán)境噪聲干擾、正確使用LED驅(qū)動電路和有關(guān)技術(shù)支持會對提高LED驅(qū)動電源工作可靠性有幫助。

　　在使用LED驅(qū)動電路時還需注意LED驅(qū)動電路的輸入電壓適應(yīng)范圍、輸出電壓和輸出電流變化范圍，合理對LED及其驅(qū)動電路進(jìn)行熱管理，LED驅(qū)動電路應(yīng)選用合適型號的電解電容器。

　　對LED驅(qū)動電路的機(jī)械部件注意安裝機(jī)械應(yīng)力、抗震動性和防潮濕、防水等問題。注意有關(guān)光學(xué)部件和LED部件的光輸出、發(fā)光顏色、發(fā)光角等技術(shù)參數(shù)對使用環(huán)境的影響，注意LED驅(qū)動電路的抗UV/抗化學(xué)腐蝕性和正確使用LED驅(qū)動電路等問題。

　　1.質(zhì)量一般的LED驅(qū)動電路不采用閉環(huán)反饋控制技術(shù)；

　　2.很少LED驅(qū)動技術(shù)的研發(fā)是基于復(fù)雜知識產(chǎn)權(quán)的要求；

　　3.目前只有很少的LED驅(qū)動技術(shù)是采用RDM（遠(yuǎn)程部署管理）技術(shù)來實現(xiàn)對LED燈具工作狀態(tài)的遙控監(jiān)測。

從以上對LED驅(qū)動電路的概述、工作原理、主要特點、功能特性、存在的問題進(jìn)行分析而提出了LED驅(qū)動電路的技術(shù)指標(biāo)，更有利于我們?nèi)娴牧私釲ED驅(qū)動電路。

　　五、LED驅(qū)動電路的技術(shù)要求

　　對LED 驅(qū)動電路主要技術(shù)指標(biāo)有：最大輸出功率，允許工作溫度范圍，瞬態(tài)開/關(guān)工作特性，功率因數(shù)不低于0.9,輸入和輸出電壓變化范圍，允許的最大輸入電壓和電流，驅(qū)動電源的總諧波失真（THD）等。

　　對更高級的LED驅(qū)動器應(yīng)具有可以監(jiān)測和報告LED照明系統(tǒng)所有工作狀態(tài)參數(shù)和智能控制功能，例如可以實現(xiàn)對LED的VF值無需分級、對由于LED驅(qū)動器和LED燈具之間的線路電壓降進(jìn)行自動檢測和補(bǔ)償、光學(xué)反饋、自動進(jìn)行白光LED的相關(guān)色溫（CCT）控制、多色LED相關(guān)色溫（CCT）控制等控制功能。