大功率LED高頻驅(qū)動電路設計方案

摘 要： 由于白光LED具有低成本、長壽命和小體積的特性， 被迅速應用到了照明和背光等領域， 其驅(qū)動電路也層出不窮， 但大多數(shù)驅(qū)動源都沒有解決效率不高， LED發(fā)光亮度不一致， 發(fā)熱量大等問題。該文提出了一種基于恒流二極管的大功率LED 高頻驅(qū)動方案， 以帶可控端的2THL系列恒流二極管為驅(qū)動元件， 通過在控制端輸入高頻脈沖小信號控制恒流二極管通斷， 從而實現(xiàn)高頻恒流驅(qū)動大功率LED這一目的。調(diào)節(jié)脈沖信號占空比即可實現(xiàn)LED調(diào)光。該文設計的驅(qū)動電路不僅能夠保證LED 持續(xù)、穩(wěn)定、高效地工作， 在一定程度上減小了LED 芯片發(fā)熱量， 提高了LED 燈具使用壽命， 并且對輸入電源要求不高， 整體可以節(jié)能40% 左右。

　　近幾年來隨著白光LED, 特別是大功率白光LED的出現(xiàn)， LED 作為一種新型綠色照明光源具有體積小、機械強度大、功耗低、壽命長， 便于調(diào)節(jié)和控制以及無污染等特征， 目前被應用到了汽車燈、交通燈、背光和照明等領域。由于LED具有工作電壓低， 電流隨電壓指數(shù)增加等特點， 傳統(tǒng)電源一般都不能直接給LED供電。LED驅(qū)動器應具有直流控制、高效率、調(diào)光、過壓保護、負載斷開、小型及簡易使用等特點。筆者設計大功率LED 驅(qū)動電路是基于2THL 系列恒流二極管的恒電流驅(qū)動方式。通過引入高頻控制信號縮短單位時間內(nèi)的通電時間以減小LED 芯片發(fā)熱量， 提高LED發(fā)光效率。

　　1 LED工作特性

　　目前市面上的大功率LED單顆功率從1W 到幾百瓦不等， 由于1W 以上大功率LED 大多是以1WLED管芯為基礎封裝成的， 在此主要介紹一下1 WLED的工作特性。

（ a） 1W 白光LED工作特性曲線   （ b） LED發(fā)光強度與電流關系曲線    （ c） LED電流與工作溫度關系曲線

圖1 1W 高亮度LED特性曲線

　　圖1（ a）為1W 高亮度LED 正向壓降（ VF ）和正向電流（ IF ）的關系曲線。由曲線可知當正向電壓超過某個閾值（約2 V ）時即LED導通后， 在一定電壓范圍內(nèi)LED的電流是成指數(shù)上升的。VF 的微小變化會引IF 有較大的變化， 從而引起亮度的較大變化。另外LED的PN結是負溫度系數(shù)的， 隨著溫度升高LED 的勢壘電勢降低。若采用恒壓驅(qū)動方式就不能保證LED亮度一致性， 同時還會影響LED 的可靠性、壽命和光衰。因此目前絕大部分LED驅(qū)動都采用恒流的方式。

　　從圖1（ b） （ c）可以看出LED 亮度L 與正向電流IF 成正比： L = K I^mF （K 為比例系數(shù)）。LED 具有亮度飽合特性， 所以LED正向驅(qū)動電流應小于其標稱電流。

　　另外， 亮度還與環(huán)境溫度有關， 環(huán)境溫度升高PN 結復合率ηc 下降， 亮度降低。隨著LED 持續(xù)點亮PN 溫度會迅速升高， 導致LED 發(fā)光強度迅速降低產(chǎn)生光衰， 當溫度上升到一定高度后LED的PN 結會很快燒壞。因此在設計LED驅(qū)動源時除了要保證LED 恒流驅(qū)動外， 還要考慮減小LED發(fā)熱量。

　　2 恒流二極管

　　恒電流二極管是一種硅材料制造的基礎電子器件。正向恒電流導通， 反向截止， 輸出恒電流。器件按極性接入電路回路中， 回路即可達到恒流的效果，應用簡單， 實現(xiàn)了電路理論和電路設計中的二端恒流源。本驅(qū)動電路中使用的為博越公司的2THL系列恒流二極管， 具有如下特性：

　　1） 輸出恒定電流1~ 300mA;

　　2） 恒定電流的啟始電壓低（ 3~ 3. 5 V） ;

　　3） 恒流電壓范圍大（ 25~ 100 V ） ;

　　4） 在恒流電壓范圍內(nèi)， 電流相對變化10%;

　　5） 動態(tài)電阻4 k ~ 160 k;

　　6） 響應時間快（ tr< 50 ns, tf < 70 ns） ;

　　7） 極限使用電壓20~ 100 V。

　　2THL系列恒流二極管帶有一個控制端， 可以用來調(diào)節(jié)輸出電流。圖2為2THL系列恒流二極管輸出特性曲線。

圖2 2THL系列恒流二極管特性曲線

　　3 高頻LED驅(qū)動電路

　　基于半導體恒流二極管的高頻大功率LED 驅(qū)動電路的結構圖如圖3 所示。其中Q1 為2THLXXX 系列恒流二極管， LD1 為LED, D1 為普通二極管（ 鍺管）。VCC 為直流電源， D1負極輸入為高頻脈沖。電路工作原理是當普通二極管D1 反向端為低電平時，2THL恒流二極管關斷， LED熄滅； 當普通二極管反向端為高電平時， 恒流二極管導通輸出一個大電流，LED點亮。由于人眼視覺障礙， 感覺不到LED 亮度變化。通過調(diào)整脈沖的占空比即可調(diào)節(jié)LED 亮度。

圖3 高頻大功率LED驅(qū)動電路結構圖

　　驅(qū)動1W 以上LED 時一般采用2THL300恒流二極管， 輸出電流為300~ 350mA, 最大使用電壓為20~40 V, 為了提供更大電流可以將多個恒流二極管并聯(lián)使用， 并聯(lián)以后輸出電流為各個恒流二極管標稱電流之和。2THL系列恒流二極管不同型號之間可以并聯(lián)使用（如一個2THL050 和一個2THL300并聯(lián)輸出電流為350~ 400 mA ）， 值得注意的是不同型號恒流二極管并聯(lián)以后， 最大使用電壓由標稱最大的恒流二極管決定。圖4 為恒流二極管并聯(lián)連接方式。由于2THL系列恒流二極管控制端與負極端存在一個PN結正向壓降約為0. 7 V, 為了使輸入高頻脈沖為0電平時恒流二極管完全關斷， D1應使用管壓降0. 2 V 的鍺材料二極管。

圖4 恒流二極管并聯(lián)連接方式圖

　　大功率白光LED 主要應用在裝飾照明、建筑照明、景觀照明及大屏幕顯示背光源等許多場合。在這些場合下， 宜采用工頻市電供電。白光LED的正向工作電壓范圍通常為3. 2~ 4 V, 若采用交流市電供電，必須先進行AC /DC 和DC /DC 兩步轉(zhuǎn)換。驅(qū)動20W以下的LED, VCC 可以采用簡易的開關電源。開關電源具有效率高、功耗小、輸出電壓穩(wěn)定、體積小等特點。由于20W 以上的開關電源一般結構復雜、體積較大、制造成本較高， 因此驅(qū)動20 W 以上LED 時VCC宜采用工頻變壓器式線性直流電源。由于2THL恒流二極管的工作電壓范圍比較寬（ 3~ 40 V ） , 耐瞬間沖擊電壓100 V, 因此在設計工頻變壓器線性直流電源時可以簡化穩(wěn)壓電路。鍺管D1負極端輸入除了高頻脈沖方波外， 還可以是其他類型的高頻信號。在實際應用中為了便于調(diào)光一般使用高頻方波脈沖信號。

　　實驗表明大功率LED 在高頻驅(qū)動下發(fā)光亮度與持續(xù)恒流驅(qū)動相比變化不大， 但發(fā)熱量卻有明顯的下降。LED 在一個脈沖周期內(nèi)只有高電平時才導通發(fā)光產(chǎn)生， 而在低電平時LED 熄滅， 此時LED 熱量迅速輻射出去。頻率越高單位時間內(nèi)LED與空氣熱交換次數(shù)越多， LED芯片溫度越低。為了散熱大功率LED芯片大多數(shù)是貼裝在鋁基板上的， 鋁基板與空氣之間主要是通過對流的方式進行熱傳遞的。LED 持續(xù)點亮時， LED芯片溫度變化緩慢， 鋁基板附近一個區(qū)域內(nèi)有一個溫度梯度， 形成層流區(qū)域。LED 在高頻驅(qū)動下芯片溫度會不斷地變化， 溫度梯度被打破， 鋁基板附近就形成了湍流區(qū)域。由熱力學知識可知湍流的對流換熱系數(shù)遠遠大于層流的對流換熱系數(shù)， 那么在單位時間內(nèi)鋁基板向湍流區(qū)域發(fā)散的熱量就要遠遠大于層流區(qū)域。由此可知LED 在高頻驅(qū)動下發(fā)熱量比持續(xù)導通時低。這樣采用高頻驅(qū)動方式LED 可以有效地降低芯片的溫度， 從而減小LED 光衰， 延長LED 使用壽命， 另外也有助于簡化LED 燈具的散熱設計。由于受到LED 和驅(qū)動器件的響應時間的限制，以及高頻本身會引起器件發(fā)熱， 采用基于恒流二極管高頻驅(qū)動源的頻率應小于2MH z。

　　LED 調(diào)光主要有模擬調(diào)光和PWM 調(diào)制調(diào)光兩種方式。由于LED 在低電流時會產(chǎn)生色衰， 因此模擬調(diào)光一般不常用。PWM 調(diào)制通過改變脈沖占空比來實現(xiàn)， 調(diào)節(jié)二極管D1負極輸入高頻脈沖的占空比， 即可實現(xiàn)LED調(diào)光。

圖5 基于恒流二極管的5W 白光LED高頻驅(qū)動電路

　　圖5為基于恒流二極管的5W 白光LED高頻驅(qū)動電路。高頻自激式開關電路將交流市電轉(zhuǎn)換為20V 直流電， 經(jīng)恒流二極管2THL300后輸出電流恒定為300mA。在開關電路中高頻變壓器磁芯為EE 16, 原邊N 1繞制12圈， N2 繞制210圈， 副邊繞制40圈。

　　D5 為6. 2 V 穩(wěn)壓二極管， 用以穩(wěn)定輸出電壓， Q 1為功率型開關管M JE13003, D16 為鍺管。由NE555 構成頻率為200 kH z占空比1 /6 ~ 5 /6 可調(diào)的高頻脈沖發(fā)生電路， 用來控制恒流二極管通斷。5顆1W 白光LED串聯(lián)， 每顆LED電流相同， 發(fā)光亮度一致。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R 9實現(xiàn)PWM調(diào)光。

　　4 小結

　　筆者介紹的高頻LED 驅(qū)動電路使用恒流二極管實現(xiàn)了LED的高效恒流驅(qū)動。由于恒流二極管的工作電壓范圍比較寬， 在輸入直流電壓大范圍波動時，驅(qū)動電路仍然能夠保證恒定電流輸出， 且不會因負載短路而燒毀。通過調(diào)節(jié)高頻脈沖信號的占空比很容易實現(xiàn)調(diào)光， 并且不會出現(xiàn)LED色度偏移現(xiàn)象。采用高頻方式驅(qū)動減小LED 的發(fā)熱量， 從而簡化了LED燈具的散熱設計。另外采用高頻恒流驅(qū)動方式相比持續(xù)恒流驅(qū)動可以節(jié)省40%左右的電能， 達到了高效節(jié)能的目的。

　　主要創(chuàng)新點是通過在驅(qū)動回路中串入大電流恒流二極管， 實現(xiàn)驅(qū)動源恒電流輸出。高頻脈沖信號控制恒流二極管通斷， 瞬態(tài)驅(qū)動大功率LED, 有效地降低了LED芯片發(fā)熱， 節(jié)能40% 左右。