LED驅動電源重要性技術方案

一、LED驅動電源的重要性

接觸過LED的人都知道：由于LED正向伏安特性非常陡 圖1.1（正向動態電阻非常?。?，要給LED正常供電就比較困難。不能像普通白熾燈一樣，直接用電壓源供電，否則電壓波動稍增，電流就會增大到將LED燒毀的程度。為了穩定LED的工作電流，保證LED能正?？煽康毓ぷ?，具有”鎮流功能”的各種各樣的LED驅動電路就應運而生。簡單的是串聯一只鎮流電阻，而比較復雜的是用許多電子元件構成的“恒流驅動器”。

二、LED驅動電源的技術方案

（一）、鎮流電阻方案

此方案的原理電路圖見圖1。這是一種極其簡單，自LED面世以來至今還一直在用的經典電路。

LED工作電流I按下式計算：

I與鎮流電阻R成反比；當電源電壓U上升時，R能限制I的過量增長，使I不超出LED的允許范圍。

此電路的優點是簡單，成本低；缺點是電流穩定度不高；電阻發熱消耗功率，導致用電效率低，僅適用于小功率LED范圍。

一般資料提供的鎮流電阻R的計算公式是：

按此公式計算出的R值僅滿足了一個條件：工作電流I 。而對驅動電路另兩個重要的性能指標：電流穩定度和用電效率，則全然沒有顧及。因此用它設計出的電路，性能沒有保證。

（二）、鎮流電容方案

電路的工作是基于在交流電路中，電容存在容抗XC也有”鎮流作用”的原理。另外電容消耗無功功率，不發熱；而電阻則消耗有功功率，會轉化為熱能耗散掉，所以鎮流電容比鎮流電阻，能節省一部分電能，并能設計成將LED燈直接接到市電～220V上，使用更為方便。

此方案的優點是簡單，成本低，供電方便；缺點是電流穩定度不高，效率也不高。僅適用于小功率LED范圍。當LED的數量較多，串聯后LED支路電壓較高的場合更為適用。

（三）、 線性恒流驅動電路

上面已經提到電阻、電容鎮流電路的缺點是電流穩定度低（△I/I達±20～50％），用電效率也低（約50～70％），僅適用于小功率LED燈。

為滿足中、大功率LED燈的供電需要，利用電子技術常見的電流負反饋原理，設計出恒流驅動電路。和直流恒壓電源一樣，按其調整管是工作在線性，還是開關狀態，恒流驅動電路也分成兩類：線性恒流驅動電路和開關恒流驅動電路。

圖4是簡單的兩端線性恒流驅動電路。它借用三端集成穩壓器LM337組成恒流電路，外圍僅用兩個元件：電流取樣電阻R和抗干擾消振電容C

（四）、開關電源驅動電路

上述線性恒流驅動電路雖具有電路簡單、元件少、成本低、恒流精度高、工作可靠等優點，但使用中也發現幾點不足：

a、調整管工作在線性狀態，工作時功耗高發熱大（特別是工作壓差過大時），不僅要求較大尺寸的散熱器，而且降低了用電效率。

b、電源電壓要求按公式（13）與LED工作電壓嚴格匹配，不允許大范圍改變。也就是說它對電源電壓及LED負載變化的適應性差。

c、它僅能工作在降壓狀態，不能工作在升壓狀態。即電源電壓必須高于LED工作電壓。

d、供電不太方便，一般要配開關穩壓電源，不能直接用～220V供電。

輸入整流:將正負變化的交流電變成單向變化的直流電

濾波:將變化的電壓波形平滑成波動較小的直流電壓波形

變壓器:儲存能量,產生需要的輸出電壓.原、副邊隔離

輸出穩壓:穩定輸出電壓

取樣反饋:將輸出電壓的變化反映到控制電路,以便采取相應的措施保證輸出電壓在規定的范圍內

PWM+開關:控制電路,根據反饋回來的信號控制變壓器儲存能量的多少,從而保證輸出的穩定

采用開關電源驅動的優點:效率高，一般可以做到80%～90%，輸出電壓、電流穩定。輸出紋波小。且這種電路都有完善的保護措施，屬高可靠性電源。

LED驅動電源主要有恒壓式和恒流式

（1）恒壓式：

a、當穩壓電路中的各項參數確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化；

b、恒壓電路不怕負載開路，但嚴禁負載完全短路。

c、 以穩壓驅動電路驅動LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均；

d、 亮度會受整流而來的電壓變化影響。

（2）恒流式：

a、 恒流驅動電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高；

b、 恒流電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開路。

c、 恒流驅動電路驅動LED是較為理想的，但相對而言價格較高。

d、 應注意所使用大承受電流及電壓值，它限制了LED的使用數量；

開關恒流驅動電路

恒流源和恒壓源不同之處就是恒流的那部分電路。

恒流部分：它主要由T1、R8、R9、R5組成。三級管的導通電壓0.7V是已知量。R8阻值也是已知量，當電路開始工作后，只要R8和流過R8的電流乘積大于0.7V，三極管開始工作,電路就進入恒流工作。

三、LED與LED驅動電源的匹配

我們已經很清楚的知道LED驅動電源只有兩種方式：

恒流式：電流不變電壓在一定范圍內變化(隨負載變化)

恒壓式：電壓不變電流在一定范圍內變化(隨負載變化)

而LED燈配合的方式有三種：串聯式， 并聯式，串并混聯式。

串聯式：

要求LED驅動器輸出較高的電壓。當LED的一致性差別較大時，分配在不同的LED兩端電壓不同，通過每顆LED的電流相同，LED的亮度一致。

當某一顆LED品質不良短路時，如果采用穩壓式驅動，由于驅動器輸出電壓不變，那么分配在剩余的LED兩端電壓將升高，驅動器輸 出電流將增大，導致容易損壞余下所有LED。如采用恒流式LED驅動，當某一顆LED品質不良短路時，由于驅動器輸出電流保持不變，不影響余下所有LED 正常工作。當某一顆LED品質不良斷開后，串聯在一起的LED將全部不亮。解決的辦法是在每個LED兩端并聯一個齊納管，當然齊納管的導通電壓需要比LED的導通電壓高，否則LED就不亮了。

并聯式：

要求LED驅動器輸出較大的電流，負載電壓較低。分配在所有LED兩端電壓相同，當LED的一致性差別較大時，而通過每顆LED的電流不一致，LED的亮度也不同?？商暨x一致性較好的LED，適合用于電源電壓較低的產品。

當某一個顆LED品質不良斷開時，如果采用恒壓式LED驅動，驅動器輸出電流將減小，而不影響余下所有LED正常工作。如果是采用 恒流式LED驅動，由于驅動器輸出電流保持不變，分配在余下LED電流將增大，導致容易損壞所有LED。解決辦法是盡量多并聯LED，當斷開某一顆LED 時，分配在余下LED電流不大，不至于影響余下LED正常工作。所以功率型LED做并聯負載時，不宜選用恒流式驅動器。當某一顆LED品質不良短路時，那么所有的LED將不亮，但如果并聯LED數量較多，通過短路的LED電流較大，足以將短路的LED燒成斷路。

串并混聯方式

在需要使用比較多LED的產品中，如果將所有LED串聯，將需要LED驅動器輸出較高的電壓。如果將所有LED并聯，則需要LED驅動器輸出較大的電流。將所有LED串聯或并聯，不但限制著LED的使用量，而且并聯LED負載電流較大，驅動器的成本也會大增。解決辦法是采用混聯方式。串并聯的LED數量平均分配，分配在一串LED上的電壓相同，通過同一串每顆LED上的電流也基本相同，LED亮度一致。同時通過每串LED的電流也相近。

當某一串聯LED上有一顆品質不良短路時，不管采用恒壓式驅動還是恒流式驅動，這串LED相當于少了一顆LED，通過這串LED的電流將大增，很容易就會 損壞這串LED。大電流通過損壞的這串LED后，由于通過的電流較大，多表現為斷路。斷開一串LED后，如果采用恒壓式驅動，驅動器輸出電流將減小，而不 影響余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驅動，由于驅動器輸出電流保持不變，分配在余下LED電流將增大，導致容易損壞所有LED。解決辦法是盡量多并聯LED，當斷開某一顆LED時，分配在余下LED電流不大，不至于影響余下LED正常工作。

混聯方式還有另一種接法，即是將LED平均分配后，分組并聯，再將每組串聯一起。

當有一顆LED品質不良短路時，不管采用恒壓式驅動還是恒流式驅動，并聯在這一路的LED將全部不亮，如果是采用恒流式LED驅動，由于驅動器輸出電流保持不變，除了并聯在短路LED的這一并聯支路外，其余的LED正常工作。假設并聯的LED數量較多，驅動器的驅動電流較大，通過這顆短路的LED電流將增大，大電流通過這顆短路的LED后，很容易就變成斷路。由于并聯的LED較多，斷開一顆LED的這一并聯支路，平均分配電流不大，依然可以正常工作，哪么 整個LED燈，僅有一顆LED不亮。

如果采用恒壓式驅動，LED品質不良短路瞬間，負載相當少并聯一路LED，加在其余LED上的電壓增高，驅動器輸出電流將大增，極有可能立刻損壞所有 LED，幸運的話，只將這顆短路的LED燒成斷路，驅動器輸出電流將恢復正常，由于并聯的LED較多，斷開一顆LED的這一并聯支路，平均分配電流不大， 依然可以正常工作，哪么整個LED燈，也僅有一顆LED不亮.

通過對以上分析可知，驅動器與負載LED串并聯方式搭配選擇是非常重要的，恒流式驅動功率型LED是不適合采用并聯負載的，同樣的，恒壓式LED驅動器不適合選用串聯負載。

工程中的簡易計算方法

例：某電源額定輸出功率為5W電源，輸出電壓12V ，白光LED額定正向電壓3.3V，耗散功率為65mW，可配置多少個LED？

（1）計算每條支路的LED個數：3.3V × 3 =9.9V

65mW ÷3.3V  =20mA  （12V - 9.9V）÷ 20mA = 105Ω

（2）計算并聯支路數 ：5W ÷ （65mW × 3 + 20mA × 20mA × 105Ω ） = 21

（3）總共可以接多少個LED：21 × 3 =63個（串并混聯）

LED驅動電源使用中應注意的問題

A.  LED降額使用。

B.    使用線性恒流驅動器，特別注意其工作壓差。

C.    隔離式開關恒流驅動器次級輸出電源不宜懸空，負極應接   地。

D. 對開關恒流驅動器，要嚴格遵守：先接好LED燈，再接通驅動器電源的操作順序。

我們針對瞬間電流沖擊問題研究了新型的解決方案，在輸出端加入限流電路，主要有兩種實現方案。

a、串聯連接方式，將多余部分的能量消耗在限流電路內部。通過將多余的能量堵在負載之前，保證在連接開關閉合的瞬間流過LED燈負載上的電流在LED燈所允許的電流范圍之內。

b、并聯連接方式，同樣也是將多余部分的能量消耗在限流電路內部。通過將多余的能量引到限流電路上，保證流過LED燈上的電流在LED燈的安全電流范圍之內。

串聯限流電路:配置在高頻濾波電容(C3)和恒流回路之間，在一個橫向分支上包含一個NPN型晶體管(Q1)的集電極—發射極通道和與這個集電極—發射極通道串聯的限流電阻(R1)。集電結偏置電阻(R5)連接到NPN型晶體管(Q1)的集電極與基極之間。NPN型晶體管(Q2)的基極連接到NPN型晶體管(Q1)的發射極上，NPN型晶體管(Q2)的集電極與NPN型晶體管(Q1)的基極相連，NPN型晶體管(Q2)的發射極連接到限流電阻(R1)的一端。同時該限流電路可以串接在恒流電阻(R2)和限壓回路之間，還可以串接在限壓回路和連接開關(S1)之間，也可以串接在負載和輸出極地電位之間。

當輸出電流低于預先設定的限流值時，限流電阻上的壓降低于0.7V，NPN型晶體管（Q2）處于截止狀態，NPN型晶體管（Q1）處于飽和導通狀態。電路正常工作，僅僅只在限流電阻(R1)和NPN型晶體管（Q1）上增加了少量損耗。當輸出的電流大于預先設定的限流值時，便會在限流電阻上產生高于0.7V的壓降，此時NPN型晶體管（Q2）飽和導通，NPN型晶體管（Q1）發射極—集電極通道的等效阻值增大，起到限制輸出電流的作用，近而有效的保護了負載上短暫的過流現象。

并聯限流電路:配置在輸出限壓回路和負載之間，在一個縱向分支上并聯上一個NPN型晶體管（Q3）的集電極—發射極通道，NPN型晶體管（Q3）的基極連接到負載負電位上，限流電阻（R2）連接到NPN型晶體管（Q3）的發射極和基極之間。NPN型晶體管(Q3)的集電極—發射極通道可以電容后的任意一個縱向分支上。

當輸出電流值小于預先設定的閾值電流時，限流電阻（R2）兩端的壓降小于0.7V，NPN型晶體管(Q3)處于截止狀態，電路正常工作；當輸出電流值大于預先設定的閾值電流時，限流電阻兩端的壓降大于0.7V，NPN型晶體管(Q3)集電極—發射極通道變為低阻值，使得大部分的電流流過NPN型晶體管(Q3)的集電極—發射極通道上，且以熱能的形式消耗在NPN型晶體管(Q3)的集電結上，從而有效地保護了負載上短暫的過流現象。