大功率LED驅動電路的研究

賈竹君

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大功率LED驅動電路的研究

賈竹君

（湖南科技學院 電子與信息工程學院，湖南 永州 425199）

LED是一種固體發光光源，它是將電能轉變為光能的半導體器件，中文名叫發光二極管。發光二極管體積小，光線集中，能量損失少，具有節能、環保、使用壽命長的特點。并且使用低壓直流電即可驅動，故被廣泛應用于各種照明及電子設備中。隨著技術的進步，超高亮度、大功率的LED不斷被生產出來，傳統的白熾燈和節能燈已漸漸地被它取代。本論文先介紹LED的驅動技術，然后分析典型的大功率LED驅動電路及集成驅動電路。最后給出每種驅動方式的使用場合及發展前景。

LED ；驅動技術；驅動電路

LED（light emitting diode）即發光二極管，是一種半導體器件，它在通電以后發出各種各樣的光，發光二極管體積小，光線集中，能量損失少，具有節能、環保、使用壽命長的特點。并且使用低壓直流電即可驅動，故被廣泛應用于各種照明及電子設備中。隨著技術的進步，超高亮度、大功率的LED不斷被生產出來，大功率高亮度的藍光LED相繼問世。由于半導體二極管的伏安特點，大功率LED兩端的電壓稍微變化一下而其電流會出現很大的變化，這樣一來，很容易使 LED 因電流過大而燒毀，要想使 LED負載能正常運行，就必須要控制其電流。而控制電流最好的方法就是用驅動電路，并以輸出恒定電流的方式進行驅動大功率LED[1]。

1 LED驅動技術

1.1電路性能分析

在實際應用中，我們如果將較多的LED管串聯，將需要提供較高的電壓，如果將較多的LED管并聯使用，則需要提供較大的電流。將所有的LED單獨串聯或者單獨并聯都是不可取的，最好的解決辦法是采用混合聯接的方式。串、并聯分配恰當，才能使串聯支路上的電壓相同，流過同一支路的每個LED上的電流大小也基本相同，亮度就會一致。我們采用先串聯后并聯的方式，并將LED管盡量并聯連接，當某一只LED管出現故障或斷路時，其余的LED管中的電流不會變大，就可以保證其余的LED管的正常工作。這種先串聯后并聯電路線路結構簡單、有穩定的亮度和較高的可靠性，不需要每個LED都完全一樣。縱使個別LED單管失效，對整個發光組件的影響不大。在工作條件經常變化時，使用這種連接形式的發光組件是不錯的選擇。我們也可以先并聯再串聯。并以恒定電流的方式進行驅動大功率LED。若某只LED管短路，則除了短路LED管不亮，其余的LED管均能正常工作。如果并聯的LED管較多，會使驅動器的驅動電流變大，流過這只短路的LED的電流也會變大，這只短路的LED會因過流而燒壞。但其余的LED管上的電流卻不變，依然可以正常點亮[2]。

1.2 驅動器的選擇

綜合上面的分析，驅動器的選擇與負載LED串、并聯方式的搭配密切相關。穩壓式LED驅動器不適合選用串聯負載，因為輸出的電壓是恒定的，而輸出的直流電流卻隨著負載的大小在一定范圍內變化，則LED的亮度不均勻。要在支路上串聯一個合適的電阻才能使每串LED亮度均勻。同樣，恒流式LED驅動器不適合選用并聯負載，因為輸出的電流是恒定的，而其輸出的直流電壓卻隨著負載的大小在一定范圍內變化，阻值越小，輸出電壓就越低，阻值越大，輸出電壓就越高，使用恒流電路時不怕負載短路，卻嚴禁負載開路，其對LED的驅動是理想化的，而且相對價格比較高，所以應注意其最大耐壓、耐流值，從而就限制了LED的使用數量。通過分析，我們認為在工作電壓相等時，恒流驅動是大功率LED的最佳選擇。下面我們來舉幾種LED驅動電路。

2 典型LED驅動電路的研究

2.1電容降壓電路

電容降壓的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產生的容抗來限制最大工作電流，因為電容通交流阻直流。并聯電容降壓時應注意下面幾點：要根據流過負載電流和交流電的頻率選取適當的電容容量，無極性電容用作限流電容，一定不能用電解電容來限流。而且限流電容的耐壓必須在四百伏特以上，動態負載條件、大功率條件、容性和感性負載不能用電容來降壓，當電路工作需要直流電壓時，應盡量采用整流電路獲得。電容降壓電路因結構簡單、電流恒定、價格低而用于LED驅動電路中。

圖1.最簡單的LED電容降壓電路

最簡單的LED電容降壓電路如圖1所示，電容在電路中起限流作用，在電源電壓和頻率一定時，根據電容阻抗與電容成反比的原理，電容大，電容阻抗小，則通過的電流大。兩只反向并聯的LED則輪流導通。指示燈和夜光燈常用此類電路作為驅動。

2.2PWM驅動白光LED電路

PWM（Pulse-Width Modulation）是脈沖寬度調變的意思。PWM調光是通過調整亮、暗的時間比例來調整LED的亮度[4]。通過調整占空比和頻率來調光，調光的范圍不是很寬，與內部電路的軟啟動和恢復正常工作的速度有關[5]。PWM驅動白光LED電路如圖2所示。

圖2.PWM驅動白光LED電路

PWM原理是用開關控制通過的直流電壓，從而控制和改變LED上的電壓。設LED管允許通過的最大電流為Imax。開關開閉周期為T，開關閉合時間為t，則占空比為D=t／T[5]，LED的平均電流為：

I=ID (1)

由式(1)可見，當開關周期不變時，改變導通時間，則流過LED管兩端的平均電流也會改變，LED的亮度跟著改變。

3 LED集成驅動電路

3.1LM3404驅動電路

LM3404是單片降壓型高亮度LED恒流驅動集成電路，它適用于新一代大功率高亮度LED組件，工業照明和汽車照明用的較多。LM3404內部集成了功率MOSFET、Buck開關電路。LM3404能夠為3W至5W的LED組件提供700mA至lA的電流，輸出電流高達l.2A，利用效率高達95%，在DIM端子上用PWM信號調節LED管的亮度，在LED損壞、斷路時能夠對電路進行有效可靠的保護[6]。LM3404采用8引腳的小型SO-8和PSOP-8封裝，其典型應用電路如圖3所示。

圖3.LM3404典型應用電路

3.2CAT4016驅動白光LED電路

CAT4016典型應用電路如圖4所示。特點是多種串聯LED連接，不同通道有不同的電流匹配，CAT4106支持16通道，LED電流范圍均為2 mA至100 mA，常應用于廣告牌標志、滾動橫幅、智能車輛標志和體育計分板等。

圖4.CAT4016典型應用電路

3.3 MAX1910/MAX1912電荷泵驅動白光LED的電路

專為驅動LED設計的電荷泵可以把輸入電壓提升到剛好使LED工作的電平。連接到SET引腳的電阻器網絡保證在所有LED中有相同的電流。內部電路使SET端的電壓保持在200mV，流經任何LED的電流為I=200/10=20（mA）。MAX1912的輸出電流可達60mA，可以同時并聯驅動3只以上的LED。采用MAX1910/MAX1912電荷泵驅動白光LED的電路如圖5 所示。

圖5.MAX1910/MAX1912電荷泵驅動白光LED的電路圖

MAX1910/MAX1912內部包括電荷泵和電流控制電路，電荷泵為白光LED提供足夠的驅動電壓，而電流控制電路通過給每只LED加載同樣的電流來確保LED發出均勻的白光。

綜上所述，電容降壓式LED驅動電路體積小、成本低、電流相對恒定，通常應用在夜光燈、按鈕指示燈及一些要求不高的位置指示燈等場合。PWM驅動白光LED電路是通過調整亮、暗的時間比例來調整LED的亮度，通過調整占空比和頻率來調光，能適應需要智能調光的場合。LM3404是單片降壓型高亮度LED恒流驅動集成電路，適用于新一代大功率高亮度LED組件，工業照明和汽車照明用的較多。CAT4106恒流LED汲入型驅動器，輸出電流范圍均為2至100mA，常應用于滾動橫幅、廣告牌和體育計分板等。至于MAX1910/MAX1912電荷泵驅動白光LED的電路，它們可以驅動3只以上的同時并聯的LED，最大輸出電流可達60mA。非常適合在那些結構緊湊的應用中用做大功率、高效率的輔助電源。

[1]任兵.大功率LED照明驅動電路的研究設計[D].電子科技大學,2011.

[2]張成功.LED背光源驅動及光學設計技術研究[D].中國海洋大學,2009.

[3]楊婧婧;電容降壓電路工作原理[J].機床電器,2012.(12):50-51.

[4]田立東.40W可調光LED驅動器的技術研究[D].杭州電子科技大學,2011.

[5]程安寧,王晉,尚相榮.白光LED的PWM驅動方式分析[J].電子設計工程,2010,(2):109-111.

[6]鄭德超.汽車燈光集中控制系統的研究[D].大連理工大學，2009.

（責任編校：宮彥軍）

2017－01－26

湖南省自科基金項目（項目編號14JJ7079）；湖南科技學院電路與系統重點學科建設項目資助。

賈竹君（1964－），女，湖南永州人，湖南科技學院副教授，碩士，研究方向為電子技術，光電通信。

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1673-2219（2017）10-0039-03