LED灯恒流驱动电源设计指导书(新)

LED高效恒流驱动电源的设计指导书

第1章绪论

1.1 LED工作原理

1.1.1 LED发光原理

发光二极管（LED）是一种将把电能变成光能的器件，发光二极管的主要部份是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在P型半导体中，空穴占有绝对地位，而在N型半导体中电子占绝大多数。在这两者之间是p-n结。的大体工作过程是一个电变光的过程，当LED的p-n结由外部电路加上正向偏压时，P区的正电荷将向N区扩散，同时N区的电子也向P区扩散，电子与空穴结合然后释放能量，一部分能量由光的形式散发出来，这就是发光的原因。不同大小的能量水平的差异，频率和波长的光的不同，相应的光的颜色是不同的，这便是LED发光原理。

1.1.2 LED光源的特点

1超低能耗

比起传统的白炽灯为首的白炽灯，至少节省20%以上的电量，节约了资源。

2超长寿命

传统的节能灯的寿命是2000~8000小时，而LED照明灯寿命可达5万~10万小时。

3响应时间短

LED灯的响应时间比传统的照明灯快几个数量级。

4工作电压低

LED的驱动电源既可以是高压电源又可以是低压电源，相比传统的照明灯，它更加适应电压的变化，电压发生变化的时候不容易损坏。

5绿色环保

符合欧盟标准，不会造成环境污染，并且LED可以被回收利用。

6坚固可靠

LED完全封装在循环氧树脂里面的LED，它比传统照明灯更加坚固不易损坏。

7不招蚊虫

因LED用二极管发光技术，使用的冷光源，所以不招蚊虫。

8自选颜色

可以通过不同的设计以及电流的大小来改变LED的颜色。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。

目前白色LED发光效率已经突破120LM/W，是白炽灯15LM/W的8倍，是荧光灯50LM/W的2倍多。LED的光谱中没有紫外线和红外线成分，所以有害辐射小。在散热良好的情况下，LED的光通量半衰期大于5万小时以上，可以正常使用20年，器件寿命一般都在10万小时以上，是荧光灯寿命的10倍，是白炽灯的100倍。这种灯具具有非常好的节能长寿命特性，随着白色LED价格的不断降低，LED照明灯不但在节日彩灯装饰中广泛应用，而且逐步延伸到路面照明、民用照明等低照度要求的领域，全面进入实用化，并且在环保方面废弃物可以回收，没有荧光灯的汞污染问题，是国家重点发展的继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明产业。

LED驱动电源原理

下图为超高亮LED的特性伏案特性曲线，即正向电流(IF)和正向压降(VF)的关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比。表中是当前主要超高亮LED的电气特性。当前超高亮LED的最高IF可达1A，而VF通常为2～4V。

（图1）

由于LED的光特性通常都表述为电流的函数，而不是电压的函数，（图2）是光通量(φV)与IF的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1V 以上)，而由（图1）中的VF-IF曲线可知，VF的微小变化会引起较大的，IF变化，从而引起亮度的较大变化。所以，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动。

（图2）

（图3）是LED的温度与光通量(φV)关系曲线，由（图3）可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的一半，而-40℃时光输出是25℃时的1.8倍。温度的变化对LFD的波长也有一些影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的前提。（图3）是LED的温度与光通量(φV)关系曲线。

（图3）

一般LED驱动电路介绍

由于受到LED功率水平的限制，通常需同时驱动多个LED以满足亮度需求，因此，需要专门的驱动电路来点亮LED。下面简要介绍LED概念型驱动电路。

阻限流电路

如（图4）所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算。

（图4）

式中：Vin为电路的输入电压：IF为IED的正向电流; VF为LED在正向电流IF时的压降; VD为防反二极管的压降(可选); y为每串LED的数目；x为并联LED的串数。由上图可得LED的线性化数学模型为：

式中：Vo为单个LED的开通压降; Rs为单个LED的线性化等效串联电阻。则上式限流电阻的计算可写为：

当电阻选定后，电阻限流电路的IF与VF的关系为

由上式可知电阻限流电路简单，但是，在输入电压波动时，通过LED的电流也会跟随变化，因此调节性能差。另外，由于电阻R的接人损失的功率为xRIF，因此效率低。

线性调节器介绍

线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或MOSFFET作为一动态可调电阻来控制负载。线性调节器有并联型和串联型两种。

（图5）a所示为并联型线性调节器又称为分流调节器(图中仅画出了一个LED，实际上负载可以是多个LED串联，下同)，它与LED并联，当输入电压增大或者LED减少时，通过分流调节器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使通过LED的电流保持恒定。

由于分流调节器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定的调节。

（图5）b所示为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持LED上的电压(电流)恒定。

（图5）

由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正确地工作。

开关调节器介绍

上述驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驱动时，由于电流只有几个mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百mA甚至更高的高亮LED的驱动时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。开关电源是目前能量变换中效率最高的，可以达到90%以上。Buek、Boost和Buck-Boost等功率变换器都可以用于LED的驱动，只是为了满足LED的恒流驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。

（图6）(a)为采用Buck变换器的LED驱动电路，与传统的Buek变换器不同，开关管S移到电感L 的后面，使得S源极接地，从而方便了G的驱动，LED 与L串联，而续流二极管D与该串联电路反并联，该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容，降低了成本。但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个LED串联的场合。