一種線性恒流的LED驅(qū)動電路設計

LED是冷光源，工作電壓低、光效高，被認為是21世紀照明的新光源。然而，目前LED照明設備投有得到普及應用的關(guān)鍵問題有兩個，一是價格偏高；二是控制電路不穩(wěn)定導致LED壽命大大降低。據(jù)統(tǒng)計，目前LED白光照明燈具出現(xiàn)的失效故障，70％左右是電源問題，20％左右是線路和結(jié)構(gòu)問題，只有不到10％是LED單管的本身質(zhì)量問題，所以電源管理方案的選擇對于節(jié)能而言也舉足輕重，這就要求在驅(qū)動電路設計中選擇最合適的AC-DC驅(qū)動器。因此可靠、低成本的控制電路是LED照明推廣普及的前提。
    由LED的電學特性可知，LED的平均正向電流隨著正向電壓的增大呈現(xiàn)大幅度的線性增長，LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募毿∽儎訉⒁餖ED電流的很大變化，且電流對LED結(jié)溫影響很大，過大的電流很容易導致LED燈珠結(jié)溫升高而損壞。此外，由LED的光學特性可知隨著正向電流的增加，LED光通量隨之增大，即亮度增加。因此為了保持LED發(fā)光亮度的恒定，就要保證LED正向電流的穩(wěn)定。因此設計合理的驅(qū)動電源對于LED照明燈具就顯得十分重要。
    本文提出了一種LED線性恒流驅(qū)動電路，該電路具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小等特點，很適合做室內(nèi)照明LED燈具(如LED日光燈)的驅(qū)動電源。

1 LED線性恒流驅(qū)動電路
    LED燈在使用時需要多顆燈珠串聯(lián)或者并聯(lián)起來才能工作，采用并聯(lián)方式驅(qū)動多只LED雖然所需的電壓較低，但由于每只LED的正向壓降不同，使得每只LED的亮度不同，除非采用單獨的調(diào)節(jié)的方式來保證每只LED有相同的亮度。所以并聯(lián)方式要保證亮度均勻一致，實現(xiàn)起來比較復雜。而采用串聯(lián)方式能夠保證流過每只LED的電流相同，亮度一致，是目前常用的結(jié)構(gòu)。
    當采用串聯(lián)型的驅(qū)動方式時，如果其中一個或幾個LED發(fā)生故障而斷路(短路對電路影響較小可忽略)，會使電路發(fā)生斷路而不能正常工作。為了避免此缺陷，可在每個LED兩端反向并聯(lián)一個穩(wěn)壓管(如圖l所示)，當某個LED燈珠發(fā)生斷路時，其并聯(lián)的穩(wěn)壓管投人工作，保證了串聯(lián)燈珠電流不變。要注意的是，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值要比LED的導通電壓要高，否則并聯(lián)的穩(wěn)壓管會分流掉一部分電流而使LED將變暗甚至不亮。

    本文采用串聯(lián)驅(qū)動方式，其LED線性恒流控制電路如圖2所示。

    圖中，Vz1、Vz2、VQ1、VQ2、R1、R2構(gòu)成線性恒流源，它保證了流過每只白光LED的電流相同，得到均勻的亮度。LED驅(qū)動電源采用市電直接整流濾波，得到控制LED的直流工作電壓，無需升壓或降壓處理，故電源驅(qū)動電路簡潔，且電源效率高。所使用的LED是高亮度的白光LED(工作電壓范圍為：3．0～3．2V)，利用94個LED燈珠組成LED日光燈。
    下面，進行線性恒流源電路的工作原理分析，電路采用互補型兩端恒流源結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

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    晶體管VQ1，穩(wěn)壓管Vz1和R1構(gòu)成一個恒流源，此恒流源給穩(wěn)壓管Z2提供穩(wěn)定的工作電流，而晶體管VQ2，穩(wěn)壓管Vz2和R2構(gòu)成另一個恒流源共給穩(wěn)壓管Vz1穩(wěn)定的工作電流。由于兩個恒流源互相穩(wěn)定對方的穩(wěn)壓管工作點，使穩(wěn)定電壓Vz1和Vz2以及流過該恒流單元的總電流均不再變化，因此可以保證流過LED的工作電流的恒定。
    圖中各電流與電壓之間關(guān)系如下：
   
    流經(jīng)LED的工作總電流，ILED為：
   
    我們采用的LED燈珠是0．06 W的LED，工作電流為20mA，為了設計方便，選用的電路元器件是完全對稱的，參數(shù)分別為：
   
    恒流源電路提供工作電流為20mA，滿足所用燈珠要求。

2 測試實驗結(jié)果及分析
    測試接線如圖2所示，通過調(diào)節(jié)自耦變壓器改變電壓以模擬電網(wǎng)電壓的變化。通過模擬電網(wǎng)電壓的波動，測試此恒流控制電路在實際電網(wǎng)中的工作特性，觀察LED的工作電流是否會隨著外部電壓的波動而發(fā)生大的波動，并對此電路在不同電壓下的效率和LED的結(jié)溫進行了實際的測試。
2．1 LED正向電流隨輸入電壓變化的特性
    圖4是LED燈珠串工作電流與電源電壓關(guān)系曲線。

    當電源電壓Ui從220V增大到250V時，整流后的直流電壓由310 V變?yōu)?50 V，而LED燈珠串的工作電流，If從20mA變化到21．5 mA，只變化了1．5 mA。因此可以看出，電路有很好的恒流效果，保證了LED目光燈亮度的基本穩(wěn)定。
2．2 輸入電壓變化對驅(qū)動電路參數(shù)的影響
    圖5、圖6是隨著輸入電壓變化，加在LED工作電路上的直流電壓與加在LED燈珠串上的電壓及恒流源承擔電壓的變化情況。從圖5、圖6可以看到，輸入電壓經(jīng)整流后，形成的直流電壓由LED燈珠串與線性恒流源分壓，LED燈珠串上的分壓越多，表明輸入電壓的效率越高，因此通過圖6的分析，可看出本LED驅(qū)動電路的電源效率較高。[!--empirenews.page--]

    從圖5可以看出，當電源輸入電壓在200～220 V區(qū)間時，通過整流濾波后的直流電壓Ui(DC)大部分都加載在LED的兩端，而恒流控制電路分壓較小；從圖6也可以看出電源輸入電壓小于或等于220 V，電源效率較高，220 V時可達到98．31％。
    當電源輸入電壓Ui(AC)高于220 V時，隨著輸入電壓增加，LED兩端的電壓U(led)基本不變(291 V左右)，輸入電壓增加的部分基本上由恒流控制電路的電壓U(恒)承擔，這保證了單個LED的正向電壓基本不變(3．1 V)，處于恒功率工作狀態(tài)，電流及發(fā)光量維持了穩(wěn)定。
2．3 輸入電壓變化對LED結(jié)溫的影響
    LED的光衰與結(jié)溫有很大關(guān)系，當結(jié)溫升高時正向電壓下降，結(jié)電壓下降導致電流增大，增大的電流反過來又引起結(jié)電壓下降，形成一個惡性循環(huán)。結(jié)溫是光衰的一個重要原因，結(jié)溫越高越早出現(xiàn)光衰，壽命越短。因此結(jié)溫的變化也是考察一個驅(qū)動電路的重要指標，這里采用了文獻的方法測量結(jié)溫：
   
    其中，Tj(LED)是LED結(jié)溫，TO是測試的環(huán)境溫度(20℃)，VO是LED的初始正向電壓，VT是LED的熱平衡后的正向電壓(1小時后測定)，K是LED的溫度系數(shù)(-2mV／℃)，具體測量是改變輸入電壓，在不同輸入電壓下，先讓LED燈充分冷卻，測量LED兩端總電壓，該電壓為U(led 初)，過1個小時，在相同輸入電壓的條件下再次測量LED總電壓，該電壓為U(led 末)，將U(led 初)除總LED個數(shù)即可得到單個LED的初始正向電壓VT，將U(led 末)除總LED個數(shù)即可得到單個LED的熱平衡后的正向電壓VO，帶入公式(2)求得LED的結(jié)溫，實驗結(jié)果如圖7、圖8所示。

    從圖7、圖8可以看出，電源輸入電壓Ui(AC)不同，但LED兩端的電壓基本保持不變，過一個小時其電壓變化量也很小，且在這個時間段內(nèi)結(jié)溫低低，單個LED的結(jié)溫基本不變或微小變化，所以此恒流源控制電路能保證LED的結(jié)溫基本穩(wěn)定且較小，可以減少光衰，有效提高LED日光燈的使用壽命。

3 結(jié)論
    本文給出的電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，創(chuàng)新之處在于把互補恒流電路應用LED的恒流驅(qū)動電路中，實驗結(jié)果表明，該電路在輸入200～250 V變化的情況下，驅(qū)動電流變化僅為1．5 mA，LED結(jié)溫低于37℃。這是影響LED燈珠工作最突出的兩個關(guān)鍵參數(shù)，表明該電路能夠為LED提供一個良好的工作條件。此外，實驗結(jié)果表明該電路在正常市電供電情況下(220 V)有很高的電源效率。該電路已用在1．2 m LED日光燈管上，使用效果良好，在設計過程中應該注意根據(jù)具體電路的工作電流來進行電路參數(shù)的匹配。