【LED论文】浅析白光LED驱动电路及不同控制电路发展方向

前言

1996年，日亚化学的中村氏发现蓝光LED之后，白光LED就被视为照明光源最具发展潜力的组件，因此，有关白光LED性能的改善与商品化应用，立即成为各国研究的焦点。目前,白光LED已经分别应用于公共场所的步道灯、汽车照明、交通号志、可携式电子产品、液晶显示器等领域。由于白光LED还具备丰富的三原色色温与高发光效率的特性，一般认为非常适用于取代传统照明。因此，各LED照明公司各陆续推出白光LED专用驱动电路与相关组件。鉴于此，本文就LED专用驱动电路的特性与今后的发展动向进行简单阐述。

结合LED的工作特性，LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源，同时按照LED器件的要求完成与LED的电压和电流的匹配。通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流(即市电)、低压直流、高压直流、低压 高频交流(如电子变压器的输出)等。为保证能够匹配不同批次LED灯的不同VF值，LED驱动电源的输出大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压 的恒定电流源。

LED 驱动电路 在满足上述与LED灯的电压和电流的匹配外，也要满足安全要求，另外的基本功能应有两个方面：

一是尽可能保持恒流特性，尤其是在其输入电压发生±15%的波动时，应仍然能够保持输出电流在±10%的范围内不变。各种LED照明设备系统或背光源在采用LED作为其光源时，需要对其进行恒流驱动 ,主要原因是：

1、避免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性。

2、获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性。

二是驱动电路自身功耗要足够低，这样才能使LED整灯的系统效率保持在较高水准。无论在照明应用还是背光应用领域，产品设计者必须面对的问题就是提高驱动电路的转换效率。提高转换效率，不仅有利于可携式产品延长待机时间，同时也是解决LED散热问题的重要手段。在照明领域，提高转换效率意味着更多的功耗转移到LED发光上，而不是转移到热量上，这就解决了LED的散热问题，从而提高了发光效率，因此提高转换效率就显得尤为重要。

伴随着LED灯的发展，LED驱动电源发展至今，已经涌现出种种不同驱动方式、不同拓扑结构的LED驱动电路，其大致可分为一下几种：

1、LED的电容降压电路

通过利用两只反向并联的LED灯，在输入交流端接上如下图电路，在AC降压后对交流整流，在每个交流输入的半周期，D1/D2交替点亮，此电路在早期应用于夜光灯、按钮指示灯等上，电路架构简单明了，成本较低。缺点是可靠性较低，LED亮度随输入电压波动而变化，影响其特性;

图1 简单LED电容降压电路

2、阻容降压式LED驱动电路

图2 阻容降压式LED驱动电路

如上图所示，R1和C1组成降压限流电路，D1-D4组成整流电路，将输入交流转换成直流,C2、C3对直流电进行滤波，其耐压值为负载电压的1.2倍以上。R2在电路中实际意义不大，只是按照一般降压限流接入。因为在这种电路中，电容器与负载一定时，电流想大也大不起来，想小也小不下去。该电路具有恒流特性，但不恒压。与变压器恒压不恒流相反。R3的作用是防止输出端与LED灯之间发生开路现象。

整个电路开始工作时，在50HZ的市电频率下，通过对大电容C1的充放电延迟来调整输出电压的，后面那个R2 是限流电阻，只要是这个电路输出是恒压的，而LED 需要恒流，就用个电阻做限流，这种电路很不可靠，输出纹波较大，对负载有损伤。

3、可控硅的阻容降压LED驱动电路

可控硅SCR和R2组成保护电路，当流过LED两端的电流大于额定的设定值时，可控硅SCR导通一定角度，从而分流输出端的电流，使LED工作于恒流状态，从而避免LED两端电流加大而导致瞬间高压从而损坏。

图3 可控硅的电容降压LED驱动电路

4、非隔离LED驱动电路

在非隔离LED驱动电路中，非隔离开关变换器在工作期间交流输入端和输出负载共用一个共同的电流通路。

图4 降压式拓扑原理图

当开关接通时，电流流过LED线圈并发光。为了控制电流值，一个传感器电阻与地串联。通过检测该电阻上的电压，当其达到过流保护(OCP)值时，开关会断开。线圈中存储的能量则通过续流二极管和LED释放。

这种拓扑有两大优点：

1、首先是效率非常高，特别是低功率应用时(小于10W)。使用这种拓扑的LED普通照明灯通常宣称其效率高于90%。

2、第二个优点是外形尺寸。总体外形尺寸对于灯具改良市场非常重要，因为最终的产品外形必须与传统白炽灯或卤素灯产品相近。降压式拓扑不使用变压器或光耦器件，因此线圈相对较小，特别在开关频率相对较高时尤其如此。

这种拓扑也有两个主要缺点

1、这种拓扑的主要缺点是不提供任何电气隔离。考虑到散热因素，LED通常安装在金属散热器上。这样，出于安全原因，会强制要求电气隔离。

2、第二个缺点是LED与线圈串联。这样就需要在二极管的总正向电压与转换器的最大损耗之间进行权衡。如果输入和输出之间压差过大，就会降低效率

5、隔离式LED驱动电路

5.1、传统次级反馈LED驱动电路

图5 次级反馈LED驱动电路

LED驱动电路主体结构采用Flyback拓扑结构，MOSFET的通断由控制IC控制，在向负载提供直流电压的同时，也完成负载与电网的隔离。通过电压和电流反馈，电路将一个基准电压或电流信号Sref与LED负载电压或电流信号Shoad送入信号控制器与之进行比较，误差信号经过处理后送回初级IC中进行处理，当负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值。

此方案可提供精确的电压、电流控制，但缺点是：

(1)组件数目较多，电路板空间较大，成本比较高，可靠性低;(2)采样电阻Ro增加功耗 ，效率降低; (3)光耦合器不能工作于高温环境下;(4)光耦合器存在一个低频极点(20-30kHz);

5.2、PSR原边反馈LED驱动电路

图6 原边反馈LED驱动电路

Np*Ipk=Ns*Ipks

Ipks=Np*Ipk/Ns,

将Ipks=Np*Ipk/Ns代入Io=(Td/T)*Ipsk/2，

得到Io=(Td/T)*(Np*Ipk/Ns)/2。

由上式可以得知：NP、NS为常数，只要固定Ipk、Td/T就可以得到固定的输出电流。固定Ipk的方式是限制初级MOS取样电阻上的峰值电压，同时为了避免寄生电容在导通时产生的电流尖峰，会加入一段消隐时间。Td/T是有IC内部固定的，为常量，因此输出为恒流。

与次级反馈电路相比，PSR原边反馈电路在变压器原边检测输出信息，消除了次级的采样电路，无须使用TL431和光耦合器，减少组件数目，降低了整体电路的复杂性，整体电路更为高效和优化。

在LED照明市场发展如火如荼的趋势下，随着技术创新越来越先进、开发人员技术水平、实践经验越来越成熟的情况下，LED驱动电源未来所面临的挑战越来越严峻。

1、成本压力：目前在小功率LED照明产品应用场合，小功率LED驱动电源(1-5W)成本所占的比重已经接近整体照明产品的三分之一，已经接近了光源的成本，这也在一定程度上影响了照明产品的市场推广。

2、效率追求：大功率LED驱动电源因其功率较大，系统损耗占其总功率比重不是很大，因而可以轻而易取的做到高效率。小功率LED驱动电源在效率上往往很难做到像大功率LED驱动电源一样。从而导致小功率LED照明产品因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥。

3、调光性：在对LED照明产品进行调光时，不仅要保证LED照明产品调光的平滑性，同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。

4、寿命追求：LED照明产品号称有5万小时的寿命，在保证散热良好的前提下，LED灯的确可以维持长寿命。然后LED照明产品的寿命瓶颈在于LED驱动电路的整体寿命，尤其是关键器件，比如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。

LED照明行业发展至今，困难重重，然而随着市场需求的加快，LED照明前景远大。LED照明产业市场的火热必将带来相关配套产业的火热，LED驱动电源作为其心脏一般重要的配件，必将得到越来越多的重视和关注。

【厦门大学物理与机电学院周珍富、厦门大学物理与机电学院王亚军副教授、陈艳玲 、贾迎春、郭捷、倪斌等人对本文均有贡献】

基金项目：1.福建省产学合作重大项目(2011H6025)、2.福建省科技重点项目(2012H0039)、3.福建省产学合作重大项目(2013H6024).

导师简介：王亚军(1969-)，男，浙江慈溪人，副教授，硕士研究生导师，主要从事新能源、半导体照明方面的研究.

作者简介：周珍富(1987-)，男，福建莆田人，硕士研究生，主要从事半导体照明、LED驱动模块方面的研究.