LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)歸納

驅(qū)動(dòng)分類(lèi)

根據(jù) LED 驅(qū)動(dòng)電源輸出的電流極性，可將LED 驅(qū)動(dòng)方式分為直流型驅(qū)動(dòng)和交流型驅(qū)動(dòng)。直流型驅(qū)動(dòng)主要針對(duì)直流 LED，負(fù)載只流過(guò)單方向的電流，而交流型驅(qū)動(dòng)主要針對(duì)交流 LED，負(fù)載流過(guò)雙方向的電流。直流型驅(qū)動(dòng)是 LED 最常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)際應(yīng)用的 LED 絕大多數(shù)都為直流LED，因此根據(jù)流過(guò) LED 的電流性質(zhì)，可將直流型驅(qū)動(dòng)方式分為恒壓驅(qū)動(dòng)、限流驅(qū)動(dòng)、恒流驅(qū)動(dòng)和脈沖驅(qū)動(dòng)。

1.1 直流型驅(qū)動(dòng)

恒壓驅(qū)動(dòng)

恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，LED 兩端電壓保持基本恒定，但由于電壓中存在紋波，使得 LED 電流隨著電壓的波動(dòng)而波動(dòng)。根據(jù) LED 的伏安特性，微小的電壓波動(dòng)會(huì)引起 LED 電流的較大波動(dòng)。 另外，由于 LED 負(fù)溫度效應(yīng)的影響，電流波動(dòng)有可能造成結(jié)溫和電流的惡性循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀LED。因此，LED 采用恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的恒壓精度要求較高。

雖然恒壓驅(qū)動(dòng)對(duì)LED性能的影響較大，但是在電源技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，恒壓技術(shù)相對(duì)恒流技術(shù)要成熟得多，而且在一些要求不高的場(chǎng)合可以通過(guò)簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟(jì)的方法實(shí)現(xiàn)恒壓(如采用穩(wěn)壓芯片 TL431)，所以在一些低端 LED驅(qū)動(dòng)電源中仍然有少量應(yīng)用。

限流驅(qū)動(dòng)

限流驅(qū)動(dòng)是指將 LED 電流限制在設(shè)定范圍以內(nèi)的驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)限流的實(shí)現(xiàn)方式，又可將其分為阻抗限流、飽和限流和分流限流。

阻抗限流通過(guò)在電流主回路中串入遠(yuǎn)大于LED 負(fù)載等效阻抗的大阻抗，減小外界干擾對(duì)LED 負(fù)載電流的影響，從而達(dá)到限流的目的。限流效果主要取決于串聯(lián)阻抗的大小。該驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本很低，但驅(qū)動(dòng)性能不理想，特別是單純采用電阻限流方案時(shí)，電阻上的大功耗使整機(jī)效率很低，只在小功率 LED 場(chǎng)合有少量應(yīng)用。

有些元器件如 MOS 管、穩(wěn)流二極管等，當(dāng)滿足一定條件時(shí)即進(jìn)入飽和狀態(tài)，隨著輸出端電壓上升，電流幾乎不變，將其與 LED 串聯(lián)，可以限制流過(guò) LED 的電流，即飽和限流。上述驅(qū)動(dòng)方式可以達(dá)到較好的驅(qū)動(dòng)性能，但由于過(guò)分依賴(lài)于元器件特性，而實(shí)際中同類(lèi)元器件間的差異較大，較難大規(guī)模推廣應(yīng)用。

分流限流是指當(dāng) LED 電流超過(guò)預(yù)先設(shè)定的限定值時(shí)，輔助電路將接通，將超過(guò)的電流分流，從而使流過(guò) LED 的電流基本保持不變，達(dá)到限流的目的。其典型電路有如下兩種：如圖(a)的分流支路與 LED 并聯(lián)，如圖(b)的分流支路與 LED 串聯(lián)。其他的分流限流電路都可以看成是上述兩種典型電路的演變電路。圖(a)中 R1 與 LED 負(fù)載串聯(lián)，電流正常時(shí)，LED負(fù)載流過(guò)全部回路電流;當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定的限定值時(shí)，R1 上的電壓上升，T 觸發(fā)導(dǎo)通，使過(guò)量的電流經(jīng) R2 和 T 分流，從而維持 LED 電流在設(shè)定范圍以內(nèi)，圖中 T 可以是半導(dǎo)體三極管、IC、半導(dǎo)體可控硅中的一種或多種組合。圖 4(b)的整體電路與 LED 負(fù)載串聯(lián)實(shí)現(xiàn)限流，電流正常時(shí)，Q 2 截止，Q 1 工作在飽和狀態(tài)，電流經(jīng) Q 1、R1 流向 LED;當(dāng)電流超過(guò)限定值時(shí)，R1 兩端電壓升高，使 Q 2 導(dǎo)通，Q 1 逐漸退出飽和，兩端電壓升高，從而調(diào)節(jié) LED負(fù)載電壓，并將多余的能量消耗在限流電路中，達(dá)到限流目的。

由于分流限流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，在中小功率場(chǎng)合的應(yīng)用較廣泛，同時(shí)還可利用它來(lái)抑制和吸收電路中短暫的過(guò)飽和電流;但其串聯(lián)在負(fù)載回路中的元件損耗較大，電路效率較低。

恒流驅(qū)動(dòng)

恒流驅(qū)動(dòng)是指保持流過(guò) LED 的電流恒定的驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)外界干擾使得電流增大或減小時(shí)，LED 電流都可以在恒流電路的調(diào)節(jié)作用下回到預(yù)設(shè)值。由于 LED 具有非線性 I-V 特性，小電壓波動(dòng)將引起電流的大波動(dòng)，因此，采用恒流驅(qū)動(dòng) LED 可以達(dá)到較好的性能。

根據(jù)主功率器件的工作狀態(tài)，可將恒流驅(qū)動(dòng)分為線性恒流和開(kāi)關(guān)恒流。

在線性恒流電路中，主功率器件與 LED 負(fù)載串聯(lián)，且工作在線性放大區(qū)，其典型電路圖如圖(a)所示。圖中主功率器件為 NMOS管 Q 1，工作在線性放大區(qū)，由門(mén)極電壓調(diào)節(jié)漏源極間電壓，從而相應(yīng)調(diào)節(jié) LED 上的電壓電流。圖中 Q 1 漏極與 LED 負(fù)載相連，電阻 R1 串聯(lián)在主回路中，用于負(fù)載電流反饋，運(yùn)算放大器 A的反相輸入端接電流反饋信號(hào)，正相輸入端與預(yù)先設(shè)定的參考電壓 V ref 相連，運(yùn)算后得到相應(yīng)的 Q 1 門(mén)極控制信號(hào)，控制電阻 R1 上的電壓恒定，即保持了 LED 負(fù)載電流恒定。

另一種典型的線性恒流電路是鏡像恒流電路，如圖(b)所示，主功率管 Q 2 也工作在線性放大區(qū)，該方式需先由恒流電路產(chǎn)生源電流，再通過(guò)鏡像電路傳遞到負(fù)載，使負(fù)載電流保持恒定。

線性恒流穩(wěn)流效果好，電路成本較低，且EMI 小，在中小功率場(chǎng)合應(yīng)用較廣泛，但由于串聯(lián)在電路主回路中的功率管工作在線性放大區(qū)，輸出端電壓較高，功率管上的損耗較大，加上采樣電阻上的能耗，電路效率不高，因此在大功率場(chǎng)合應(yīng)用較少。

與線性恒流不同，開(kāi)關(guān)恒流中主功率管不直接與 LED 串聯(lián)，工作在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，它主要利用目前較成熟的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，通過(guò)采集LED 回路的電流信號(hào)，反饋控制功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使輸出電流保持恒定。由于目前 LED照明功率不高，在五百瓦以內(nèi)，所以開(kāi)關(guān)恒流DC/DC 環(huán) 節(jié) 采 用 的 電 路 拓 撲 主 要 有 Buck 、Boost、Flyback、Forward 和半橋(LLC)等電路。

開(kāi)關(guān)恒流穩(wěn)流效果好，電路效率高，適用于大功率 LED 照明場(chǎng)合;但由于其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高，且 EMI 大，在中小功率場(chǎng)合應(yīng)用較少。

脈沖驅(qū)動(dòng)

由于塑造電壓波形比電流波形更容易，所以脈沖驅(qū)動(dòng)一般是電壓型脈沖驅(qū)動(dòng)，即 LED 負(fù)載兩端的電壓是脈沖式的，在一個(gè)周期脈沖內(nèi)，LED 點(diǎn)亮一段時(shí)間，熄滅一段時(shí)間，但由于人眼存在“視覺(jué)暫留”效應(yīng)，當(dāng)脈沖頻率足夠大，如 100Hz 時(shí)，人眼會(huì)感覺(jué) LED 一直處于“亮”狀態(tài)，所以 LED 依然可以“連續(xù)”發(fā)光。

脈沖驅(qū)動(dòng)的最基本驅(qū)動(dòng)波形為方波，但為了提高 LED 的瞬態(tài)響應(yīng)性能，可采用如圖(a)的上下沿尖峰脈沖，如圖(b)的為提高脈沖驅(qū)動(dòng)發(fā)光效率的雙電平波形和如圖(c)的綜合上述兩個(gè)優(yōu)勢(shì)的多電平波形。

與其他直流驅(qū)動(dòng)方式相比，脈沖驅(qū)動(dòng)在調(diào)光性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，它可以在保持 LED電壓脈沖幅值基本不變情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖占空比實(shí)現(xiàn)光輸出調(diào)節(jié)，調(diào)光性能靈活，同時(shí) LED 峰值波長(zhǎng)基本不漂移，顏色穩(wěn)定性好;而其他直流驅(qū)動(dòng)方式在調(diào)光時(shí)都需改變 LED 電流和電壓幅值，會(huì)使 LED 峰值波長(zhǎng)漂移，色溫改變，嚴(yán)重時(shí)白光會(huì)變成發(fā)黃或發(fā)灰的白光。

但在發(fā)光效率方面，脈沖驅(qū)動(dòng)的流明效率較恒流或小波動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)時(shí)更低，在驅(qū)動(dòng)電流平均值相等的條件下，高占空比時(shí)發(fā)光效率與恒流相差不大，但隨著占空比減小，發(fā)光效率下降較大，在脈沖關(guān)斷時(shí)間內(nèi)給讓 LED 承受一定的反向偏置電壓，可以提高發(fā)光效率和LED 的耐用性。

由于發(fā)光效率較低，驅(qū)動(dòng)性能不如恒流驅(qū)動(dòng)，所以目前 LED 脈沖驅(qū)動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用較少。

1.2  交流型驅(qū)動(dòng)

交流 LED 可以簡(jiǎn)單等效為將兩個(gè)或兩個(gè)以上 LED 按一定的規(guī)律反向并聯(lián)的電路，如下圖所示。

在此，將LED 驅(qū)動(dòng)分為直流驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)兩種形式，并分析直流驅(qū)動(dòng)中的恒壓型、限流型、恒流型和脈沖型驅(qū)動(dòng)方式及其優(yōu)缺點(diǎn)，為選擇合適的LED驅(qū)動(dòng)方式提供參考。

交流 LED 可以簡(jiǎn)單等效為將兩個(gè)或兩個(gè)以上 LED 按一定的規(guī)律反向并聯(lián)的電路，如圖所示。

交流型驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，若 LED 的額定參數(shù)與電源參數(shù)匹配，可直接串接在交流電源上工作，如市電;為了減小負(fù)載電流隨正弦輸入電壓而造成的巨大波動(dòng)，可在回路中再加上一個(gè)電阻、電容或兩者組合起來(lái)的大阻抗限流元件;在調(diào)光應(yīng)用場(chǎng)合，可以通過(guò)控制工作的 LED 數(shù)量或外加交流 LED 導(dǎo)通調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

與傳統(tǒng)的 LED 直流驅(qū)動(dòng)相比，在市電供電的應(yīng)用場(chǎng)合，交流驅(qū)動(dòng)有較大優(yōu)勢(shì)。它可以不需要整流、變壓、變流等能量變換環(huán)節(jié)，降低了電能損耗，因此具有使用方便、成本低和效率高等優(yōu)勢(shì)。

但是上述交流驅(qū)動(dòng)只是簡(jiǎn)單地利用交流市電驅(qū)動(dòng)，還有許多問(wèn)題有待解決。要使 LED 導(dǎo)通，需要一定的電壓，即門(mén)檻電壓，當(dāng)多個(gè) LED串聯(lián)時(shí)，該門(mén)檻電壓比較高，而電壓按正弦變化。因此，如圖所示，在一個(gè)周期內(nèi)，LED在一定的時(shí)間內(nèi)都不導(dǎo)通，使 LED 的利用率降。還有一種應(yīng)用兩相電壓驅(qū)動(dòng)的方法，通過(guò)控制兩相電壓的電位差控制 LED 的點(diǎn)亮?xí)r程。但 LED 兩端電壓按正弦波變化，致使 LED 電流波動(dòng)較大，而 LED 的光輸出波長(zhǎng)與電流密切相關(guān)，LED 轉(zhuǎn)換為白光的效率降低了，浪費(fèi)了大量的光能。

1.3  總結(jié)對(duì)比

由此可見(jiàn)，上述各種驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)點(diǎn)，有待進(jìn)一步發(fā)展和完善，如開(kāi)發(fā)損耗更小的限流方式;尋找更優(yōu)的恒流驅(qū)動(dòng)控制策略;研究脈沖驅(qū)動(dòng)中脈沖各參數(shù)對(duì) LED 性能的影響;解決交流驅(qū)動(dòng)中電流波動(dòng)大的問(wèn)題。而另外一個(gè)發(fā)展方向是將兩種或多種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起，開(kāi)發(fā)出性能更好的 LED 驅(qū)動(dòng)方式。

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