本文介绍了目前几种LED 的驱动电路和CC/CV 反馈控制方法,详细叙述了简单的ONPOFF 驱动、LDO 驱动、高频分立器件驱动和IC 驱动的副边反馈控制策略。这些LED 驱动方式针对不同的LED应用场合,在实际生活和工业中得到了广泛的使用。掌握这些驱动和控制电路,对LED 电源和驱动器的设计具有十分重要的意义。

　　1 　LED 特性和驱动要求

　　虽然大功率LED 现在还不能大规模取代传统的荧光灯,但它们在室内外装饰、特种照明方面有着越来越广泛的应用,因此掌握大功率LED 恒流驱动器的设计技术,对于开拓大功率LED 的新应用至关重要。LED 按照功率和发光亮度可以划分为大功率LED、高亮度LED 及普通LED。一般来说, 大功率LED 的功率至少在1W 以上,目前比较常见的功率有1W、3W、5W、8W 和10W。已大批量应用的有1W 和3WLED ,而5W、8W 和10W LED 的应用相对较少。

　　因此电子和照明行业都非常关注LED 照明新技术的发展应用。

　　大功率WLED 的IF = 200～1 000mA ,如高亮功率WLED, 1W 规格的IF = 350mA , 3W 规格的IF =700mA。

　　与荧光灯用的电子镇流器不同,LED 驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源,并同时完成与LED 的电压和电流的匹配。

　　所以,LED 伏安特性的数字模型可用式(1) 表示:

　　式中,Vturn - on ———LED 的启动电压;Rs ———伏安曲线的斜率;T ———环境温度;ΔVFPΔT ———LED 正向电压的温度系数,对于多数LED 而言典型值为- 2mVP℃。

　　图1 是Cree XR - E LED V2I 特性曲线。从LED的伏安曲线及数字模型看,LED 在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED 电流的很大变化,并且,环境温度、LED 老化时间等因素也将影响LED 的电气性能。而LED 的光输出直接与LED 电流相关,为了维持恒定的光输出,要求LED 驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下能控制LED 电流的大小。否则,LED 的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化,并且,若LED 电流失控,LED 长期工作在大电流下将影响LED 的可靠性和寿命,并可能失效。

图1 　Cree XR2E LED V2I 特性曲线

　　下面详细叙述简单的ONPOFF 驱动、LDO 驱动、高频分立器件驱动和IC 驱动的副边反馈控制策略。

　　2 　低压LED 驱动方法

　　2.1 　线性LED 驱动方法

　　2.1.1 　简单的限流电阻LED 驱动方法

　　利用三极管来驱动LED ,当输入信号为逻辑高电平时,晶体管VT 导通,LED 点亮(如图2 所示) 。

　　IF 被电源电压和电阻限定,且Rlim应满足:

　　式中,VF 是LED 在额定电流下的正向电压;Vces是VT的饱和压降。

图2 　简单的限流电阻LED 驱动电路

　　2.1.2 　LDO LED 驱动方法

　　如图3 所示,用LM317 作恒流输出应用,LM317在输出端和Adj 端维持1125V 的参考电压(Vref) 。按照图3 的连接,输出电流近似为:

　　但是由于LDO 输入输出的压降大的场合,加上驱动大电流的LED 时,其效率很低,LM317 自身发热也是一个问题。

　图3 　LDO LED 驱动电路

　　2.2 　分立器件的高频LED 驱动方法

　　2.2.1 　降压型LED 驱动方法如图4 所示,该电路的工作原理是: 当加上Vin后,TR3 先导通,它给PNP 型TR1 提供了基极电流,于是TR1 导通,此时D1 反偏,电流开始流过电感L1和LED ,并且会线性上升。

图4 　降压型LED 驱动电路

　　当TR1 的集电极电流增加,VR1也增加,当该压降达到TR2 的基射极导通电压Vbe (on) = 0165V 时,TR2 导通而上拉TR1 的基极电压至输入电压,于是TR1 关断。

　　当TR1 关断后,其射极电流几乎立即减到0 ,但是因为电感的续流作用,会使D1 开始导通。此时,电感L1两端电压反偏,TR1 关断,而在D1 续流过程中其阴极电压被钳位至D1 的- VF ,于是TR3 也保持关断。直至L1的能量全部放出,D1 续流完毕,TR3 才开始导通,整个开关振荡过程重复。

　　电感电流波形如图5 所示,变换器工作在电感电流临界模式(BCM) 下,因此,输出端LED 的电流为:

图5 　降压型LED 驱动电感电流波形

　　若Fmax = 100kHz , Imax = 016A ,Vin(max) = 18V ,Vo =312V ,则有:

　　因此,可以选择L 为47μH、村田的LQH55D。其他关键器件可选用:TR1 为PBSS5220T;TR2 和TR3 选为双二极管器件BC847BPN;D1 为20VP1A 的SBD ,如PMEG2010EJ ; R1 为112ΩP1W; R2 为10kΩ; R3 为510Ω。

　　2.2.2 　升压型LED 驱动方法

　　升压型LED 驱动电路如图6 所示,工作波形如图7 中左图所示。该电路的工作原理是:当电池电压稍高于Q2 的Vb 电压时,循环开始,在Q2 的基极产生的电流是:

图6 　升压型LED 驱动电路

　　式中:Vs 是电源输入端的电压,Vb 是Q2 的基射结电压。之后Q2 导通,电感L1 达到地电位,Q1 截止。L1内存储的磁能随L1 电流以d iPd t 的斜率上升而增加。当Q2 集电极电压足够高后,Q1 导通。Q1 的基极电压通过R1 和C1 正反馈网络施加在Q2 的集电极上。R1 也起到限制Q1 基极电流的作用。

　　Q1 导通后,Q2 基极分流到地,Q2 截止。L1 把磁能释放给LED ,L1 的快速恢复使LED 加上正向电压而发光。由于L1 放电,Q1 又回到截止状态。在电池电压降到Q2 的Vbe之前,自激振荡一直持续。

　　L1、Q1、Q2 的性能决定循环周期以及振荡脉冲的占空比。LED 的亮度直接取决于流过LED 的平均电流。Q2 截止时LED 导通,反之LED 截止。

图7 　升压型LED 驱动波形( 左) 以及三极管2N3904 的输出特性( 右)