LED電源及其基本驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

LED 供電的原始電源目前主要有三種：即低壓電池、太陽能電池和交流市電電源。無論是采用哪一種原始電源，都必須經(jīng)過電源變換來滿足 LED 的工作條件。這種電源變換電路，一般來說就是指的 LED 驅(qū)動電路。在 LED 太陽能供電系統(tǒng)中，還需要蓄電池或超級電容器，用以儲存太陽能。在夜晚需要照明時(shí)，蓄電池或超級電容器再通過控制電路放電，為 LED驅(qū)動電路供電。

太陽能和風(fēng)能與 LED 的結(jié)合，是 LED 應(yīng)用的一大亮點(diǎn)，它將為第三世界的貧困和邊遠(yuǎn)地區(qū)帶來光明，讓綠色照明的光輝照亮世界的每一個(gè)角落。

一、低壓直流供電的 LFD驅(qū)動電路

1.當(dāng)輸入電壓高于 LED電壓時(shí)

當(dāng)輸入電壓高于 LED或 LED串的電壓降時(shí)，通常采用線性穩(wěn)壓器或開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器。

(1)線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器是一種 DC-DC 降壓式變換器。LED 驅(qū)動電路所采用的線性穩(wěn)壓器大都為低壓差穩(wěn)壓器(LDO)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要電感元件，所需元件數(shù)量少，不產(chǎn)生 EMI,自身電壓降比較低。但是與開關(guān)型穩(wěn)壓器相比，LDO的功率損耗還是較大，效率較低。LDO在驅(qū)動 350mA以上的大功率 LED串時(shí)，往往需要加散熱器。

(2)開關(guān)型降壓(buck)穩(wěn)壓器

基于單片專用 IC 的開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器需要一個(gè)電感元件。 許多降壓穩(wěn)壓器開關(guān)頻率達(dá) 1MHz以上，致使外部元件非常小，占據(jù)非常小的空間，效率達(dá) 90%以上。但這種變換器會產(chǎn)生開關(guān)噪聲，存在 EMI問題。圖 1所示是基于 Zetex 公司 ZXSC300的 3W LED降壓型驅(qū)動電路。其中的RCS為電流傳感電阻， D1為1A的肖特基二極管。 在6V的輸入電壓下， 通過LED的電流達(dá)1.11A.ZXSC300 采用 5 引腳 SOT23 封裝。

目前有很多降壓變換器單片IC將開關(guān)MOSFET(Q1)和降壓二極管(D1)也集成在同一芯片上，使外部元件數(shù)量進(jìn)一步減少。

2.當(dāng)輸入電壓低于 LED電壓時(shí)

當(dāng)輸入電壓低于 LED或 LED串的總正向壓降時(shí)，LED需要升壓型驅(qū)動電路。升壓型變換器主要有以下兩種類型。

(1)電感升壓變換器

在手機(jī)背光照明中，常使用電感升壓型 LED 驅(qū)動電路。開關(guān)型電感升壓變換器被用作驅(qū)動一個(gè)或多個(gè) LED組成的 LED串，通過每個(gè) LED的電流相等。如果 LED串中有一個(gè) LED開路，其他 LED 將會熄滅。圖 2 所示為電感升壓型 LED 驅(qū)動電路，LED 串由 8 只日亞化工公司的NSPW500BS型白光 LED組成，在 4V的輸入電壓下，通過每個(gè) LED的電流約為 25mA.

目前絕大多數(shù)升壓穩(wěn)壓器 IC,都將開關(guān)管集成在芯片中，有的還集成了肖特基二極管。

(2)開關(guān)電容(電荷泵)升壓變換器

開關(guān)電容升壓轉(zhuǎn)換器亦即電荷泵。電荷泵專用 IC 內(nèi)置切換開關(guān)，外接 1 個(gè)或兩個(gè) 1μF的充放電電容。電荷泵工作模式有 1×、1.5×和 2×，近幾年又出現(xiàn)了 1.33×(4/3 倍)和 4×模式。在輸出電壓接近輸入電壓時(shí)，電荷泵不需要升壓，即在 1×模式工作。當(dāng)需要升壓時(shí)，則切換到 1.5×或其他工作模式。電荷泵電路可以驅(qū)動 LED 陣列，也可只驅(qū)動 1 個(gè) LED.圖 3 所示為基于MAXl570的電荷泵驅(qū)動5個(gè)白光LED的電路。 MAX1570采用4mm×4mm的16引腳QFN封裝，最大厚度為 0.8mm.MAX1570 輸入電壓范圍為 2.7V~5.5V,在1MHz 的固定頻率和在 1×及 1.5×模式高效工作，為 LED提供 30mA的恒流，LED電流匹配精度達(dá) 0.3%,并且 LED電流可由單個(gè)電阻 RsEr設(shè)置。 可通過數(shù)字輸入或 PWM 來控制LED亮度， 在關(guān)閉狀態(tài)僅消耗 0.1μA的電流。

3.當(dāng)輸入電壓既可能高于也可能低于 LED電壓時(shí)

在輸入電壓既可能高于，也可能低于 LED或 LED串的總電壓降時(shí)，就必須使用降壓/升壓變換器?；?LT℃3783 的降壓/升壓型變換器驅(qū)動 8 只1.5A串聯(lián) LED的電路如圖 4 所示。該 LED串驅(qū)動電路的輸入電壓范圍為 9~36V,LED 串的總電壓降范圍為 18~37V.在 VIN=14.4V,Vo=36V和 I0=1.5A條件下，輸出功率為 54W,效率達(dá) 93%.電路的開關(guān)頻率由 IC 腳FREQ上的

電阻 R5 設(shè)置(頻率范圍為 20kHz~1MHz)，R7 與 R8 組成的分壓器設(shè)置輸出過電壓保護(hù)電平，連接在 IC 腳 FBP 與高側(cè)線路之間的 R4,用作感測 LED 電流。LTC3783 支持多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。用其還可以構(gòu)筑升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器等電路。

回掃變換器、單端初級電感變換器(SEPIC)和 CUK穩(wěn)壓器等，都可以升高或降低輸入電壓，

輸出與輸入電壓在極性上可以相同或相反。每種拓?fù)涠加歇?dú)特的優(yōu)勢，但效率都比降壓一升壓穩(wěn)壓器低。

二、交流市電供電的 LED驅(qū)動電路

1.電容降壓型 LED驅(qū)動電路

圖 5 所示為電容降壓型 LED 驅(qū)動電路(注：圖 5 電路繪于上期本版)。圖中，C1 為降壓電容，R1 為泄放電阻，DI~D5 為橋式整流器，C2、C3 為濾波電容，RVl 用作瞬態(tài)過電壓保護(hù)，R2 為限流電阻。在 220V50Hz 的輸入電源下，通過電容 C1 的電流為 I=69C1(C1 單位為μF,I 單位為mA)。若選擇 C1為 0.471μF,電流約為 32mA.在此情況下，R1 值可選擇 1MΩ。

電容降壓型 LED驅(qū)動電路僅適合于小功率應(yīng)用，不能提供較大的驅(qū)動電流，而且效率很低。其優(yōu)點(diǎn)是成本低，電路簡單。

2.變壓器降壓 LED驅(qū)動電路

一種采用電源變壓器降壓的 LED驅(qū)動電路如圖 6 所示。變壓器次邊輸出為 12Vac,白光 LED的正向壓降 VF=3.5V,正向電流 IF=350mA.橋式整流濾波電壓為 12Vx2,限流電阻 R1 值為 R1=(12V× 2-3xVF)/IF =(12V× 2-3×3.5V)/350mA=18.3Ω

選擇 R1=20Ω。R1 在 350mA 下的功耗為 0.352×20=2.45W,可選擇 3W 的電阻。在 R1=20下Ω，通過 LED的電流為：

ILED=(12V× 2-3×3.5V)/20Ω=323mA

若橋式整流器輸入電壓波動±10%, 在10.8Vac下的LED電流為238mA, 在13.2Vac下的LED電流則為 429mA,導(dǎo)致 LED電流變化率超過±25%.由此可見，雖然圖 6所示的電路比較簡單，但電流調(diào)整能力很差，并且電源變壓器大而笨重，不易于實(shí)現(xiàn)電路的小型化和輕量化。

圖 7 所示為采用線性穩(wěn)壓器 MC7809 的白光 LED 驅(qū)動電路，其 AC 輸入電壓(12Vac)為電源變壓器(或電子變壓器輸出。MC7809的 DC 輸出電壓為 9V,R1 值為： R1=(Vout-2×VF)/IF(9V-2x3.5V)/350mA=5.7Ω R1 消耗的功率為：

p=12×R=(0.35A)2×5.7Ω=0.698W

MC7809的功耗為： P=(12V×根號(2)2-9V)×IF=(17-9V)×0.35A=2.8W 采用線性穩(wěn)壓器后，電流調(diào)整率達(dá)±5%,但功率耗散較大，效率較低。

如果采用安森美公司生產(chǎn)的線性電流源 NUD4001 取代線性穩(wěn)壓器，電流調(diào)整率可低于 1%,NUD4001 的自身功耗在 350mA下，僅為 0.875W.

3.開關(guān)型穩(wěn)壓器

基于開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的離線 LED 驅(qū)動電路可以獲得 80%左右的高效率，并且能提供恒流和恒壓輸出，但是電路比較復(fù)雜，成本較高，在有些情況下存在 EMI問題。

圖 8 所示是基于控制器 NCPl012 的回掃(反激)式變換器驅(qū)動 5 個(gè)白光 LED的電路。 該電路的輸出 DC 電壓為 17.5V,輸出功率為 6.125W,效率接近 80%.NCP1012 的開關(guān)頻率為 65kHz,提供動態(tài)自供電(DSS)、過電壓及短路保護(hù)和過溫度保護(hù)，無需變壓器提供偏置繞組。由于芯片上集成了功率 MOSFET,使外部元件進(jìn)一步減少。

為滿足景觀照明、工業(yè)照明和建筑照明的需要，近期出現(xiàn)了很多用于驅(qū)動 LED 的離線控制器芯片。由于目前手機(jī)等便攜式設(shè)備已趨于飽和，LED的應(yīng)用將轉(zhuǎn)向景觀照明、汽車和大屏幕顯示及普通照明領(lǐng)域。離線開關(guān)型 LED 驅(qū)動電路，將成為今后占主導(dǎo)地位的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LED 太陽能供電系統(tǒng)，將會有一個(gè)較大的發(fā)展。