LED驅(qū)動電路概述

1． 概述
LED是一種固體光源，當(dāng)它兩端加上正向電壓，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，放出的過剩能量將引起光子發(fā)射。采用不同的材料，可制成不同顏色有發(fā)光二極管。作為一種新的光源，近年來各大公司和研究機(jī)構(gòu)對LED的研究方興未艾，使其光效得以大大提高，飛利浦與Agilent的合資公司目前已研發(fā)并生產(chǎn)出光效達(dá)到171m/W的白色LED，已達(dá)到白熾燈的水平。和白熾燈的相比較，LED在性能上具有很多優(yōu)點(diǎn)，見下表：
表1 白熾燈與白色LED的性能比較



隨著對LED研究的進(jìn)一步深入，其光效將進(jìn)一步得到提高，而其成本將一步下降，在不久的將來LED取代白熾燈甚至熒光燈而發(fā)展成21世紀(jì)的一種主要的照明光源將成為一種趨勢。
新的光源呼喚新的電子鎮(zhèn)流器，飛利浦照明電子在致力研發(fā)新的LED的同時，已于近年在全球各大開發(fā)中心開始了LED驅(qū)動電路的研究，在此研發(fā)領(lǐng)域已占據(jù)了世界領(lǐng)先的地位。

2． LED驅(qū)動電路概述
與熒光燈的電子鎮(zhèn)流器不同，LED驅(qū)動電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，并同時完成與LED的電壓和電流的匹配。
LED的正向伏安特性如圖1所示：



所以，LED伏安特性的數(shù)字模型可用下式表示
VF=Vturn-on+RsIF+（ΔVF/ΔT）（T-25℃） （1）
其中，Vturn-on 是LED的啟動電壓
Rs 表示伏安曲線的斜率
T 環(huán)境溫度
ΔVF/ΔT是LED正向電壓的溫度系數(shù)，對于多數(shù)LED而言典型值為-2V/℃。
從LED的伏安曲線及數(shù)字模型看，LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動將引起LED電流的很大變化，并且，環(huán)境溫度，LED老化時間等因素也將改變影響LED的電氣性能。而LED的光輸出直接與LED電流相關(guān)，所以LED驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下最好能控制LED電流的大小。否則，LED的光輸出將隨輸入電壓和溫度等因素變化而變化，并且，若LED電流失控，LED長期工作在大電流下將影響LED的可靠性和壽命，并有可能失效。

3． 各種LED驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡要分析
飛利浦照明電子近年來致力于LED驅(qū)動電路的開發(fā)，已研發(fā)出多種LED驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以適合各方面客戶的需求，產(chǎn)品已廣泛地運(yùn)用于照明，汽車電子，路標(biāo)，顯示背光等領(lǐng)域。
一種簡單的LED驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示：

 這種LED驅(qū)動電路主要由電源隔離變壓器，AC-DC整流器和限流電阻組成，變壓器起到隔離和變壓的作用，而限流電阻的作用主要是控制LED電流，限流電阻R應(yīng)該比LED的正向等效電阻Rs要大，這樣才能克服LED電流隨輸入電壓和環(huán)境溫度等因素而產(chǎn)生的變化，但是從效率角度，卻不應(yīng)取得太大。
在實際運(yùn)用中，負(fù)載常采用通過串并聯(lián)形成的LED陣列，這會使輸出電流隨輸入電壓和環(huán)境溫度等因素而發(fā)生的變化更加顯著，并且陣列形式或LED個數(shù)變化，限流電阻也應(yīng)相應(yīng)變化，所以采用這種簡單結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動電路一般只適合于驅(qū)動陣列形式固定的，并且燈個數(shù)較少的LED陳列。
在飛利浦開發(fā)的另外一個高檔次的LED驅(qū)動電路系列的產(chǎn)品中，引入了電壓或電流反饋控制環(huán)節(jié)。用戶可以根據(jù)需要改變負(fù)載LED陣列形式和LED個數(shù)，得到不同的輸出功率。同時該驅(qū)動電路也克服了因輸入電壓，環(huán)境溫度等因素而LED燈光的顏色易變動等弊端，功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，THD可做到20%以下，壽命可達(dá)到50000小時以上，同時還可完成從100%到1%的調(diào)光功能，并且此系列產(chǎn)品還具備過壓和過流保護(hù)功能。
其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

LED驅(qū)動電路主體結(jié)構(gòu)采用flyback拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Mosfet的通斷由控制IC控制。這種結(jié)構(gòu)在完成向負(fù)載提供直流電壓的同時，既實現(xiàn)了功率因數(shù)的校正，又完成了負(fù)載與電源的隔離。 
LED驅(qū)動電路的另一個任務(wù)是使LED的負(fù)載電流能夠在各種因素的影響下都能控制在預(yù)先設(shè)計的水平上。電路將一個基準(zhǔn)電壓或電流信號Sref與LED負(fù)載電壓或電流信號Sload送入信號控制模塊中進(jìn)行比較，誤差信號經(jīng)處理后送回初級控制IC中進(jìn)行處理，當(dāng)負(fù)載電流因各種因素而產(chǎn)生變化時，初級控制IC可以通過控制開關(guān)使負(fù)載電流回到初始設(shè)計值上。

4． LED數(shù)字RGB混合控制系統(tǒng)
為了進(jìn)一步開拓LED的應(yīng)用領(lǐng)域，飛利浦近期研發(fā)成功了一種針對LED的數(shù)字控制系統(tǒng)，使用戶能夠在很大范圍內(nèi)對LED的亮度，顏色和色調(diào)進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，獲得了很大的成功。
大日常生活中，照明的顏色，色調(diào)，亮度和方向都會極大地影響氛圍和人的情緒，看書時你也許需要光亮一點(diǎn)，看電視時則希望光暗一些，而如果想開一個聚會，那您可能希望用紅色并柔和的光來渲染節(jié)日的氣氛。近年來不同顏色LED的不斷研發(fā)成功使這種需求有了實現(xiàn)的可能，而飛利浦LED數(shù)字RGB混合控制系統(tǒng)的研發(fā)成功則使這種可能轉(zhuǎn)化為了現(xiàn)實。當(dāng)然，這種系統(tǒng)也可用于LED的背光照明系統(tǒng)，這樣您就可以根據(jù)您的需要任意改變LED的背景顏色，色調(diào)和亮度。
飛利浦研發(fā)的LED數(shù)字RGB控制系統(tǒng)通過調(diào)配紅、綠、藍(lán)三種LED發(fā)出光的強(qiáng)度，在一定溫度范圍內(nèi)和在LED整個壽命周期內(nèi)都能達(dá)到不同亮度不同顏色不同色調(diào)的光輸出。利用光電二極管對三種顏色的光進(jìn)行采樣，然后利用DSP及控制算法完成對三種光的混合從而最終達(dá)到對光的強(qiáng)度，顏色和色調(diào)的控制。三個光電二極管分別對三種顏色進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大濾波后分別進(jìn)入三個PWM轉(zhuǎn)換器，DSP對三個采樣信號進(jìn)行軟件處理后通過對PWM的調(diào)節(jié)控制以達(dá)到對流經(jīng)三個LED電流的控制，進(jìn)而完成對光最終的強(qiáng)度，顏色和色調(diào)的控制。
本系統(tǒng)克服了LED因批量性能容差，環(huán)境溫度等因素而產(chǎn)生的性能偏差，通過精確的軟件控制，在任意情形下都能達(dá)到穩(wěn)定的，高質(zhì)量的，顏色，色調(diào)和亮度都可隨意調(diào)控的光。并且在本系統(tǒng)中也設(shè)計了友好的人界面，使用戶能夠?qū)刂茀?shù)任意設(shè)定，從而能自如地使用這種人性化的照明系統(tǒng)。