LED驱动器的原理与应用

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：LED驱动器是LED的驱动电源，即将交流电转为恒流或恒压直流电的电路装置。例如，3.3V时电流为20mA的LED用3节干电池供电，新电池电压可达4.5V，电流超过100mA，增大了4倍，很容易烧毁LED。目前1W的LED光源散热性较好，因此选用得较多。近年来，LED在各行业中的应用得以快速发展，驱动电源成了行业的关注热点。LED是节能产品，驱动电源的效率要高。

LED驱动器是LED的驱动电源，即将交流电转为恒流或恒压直流电的电路装置。因为LED不能直接连22V的交流电，而必须将其转换为特定电压、电流。LED对驱动电源的要求近乎苛刻，其工作电压一般为2～3V的直流电压，必须设计复杂的变换电路。不同用途的LED灯要配备不同的电源适配器，而LED器件对驱动电源的转换效率、有效功率、恒流精度、电源寿命和电磁兼容性的要求都非常高，一款好的驱动电源必须综合考虑这些因素，因为驱动电源在整个LED灯具中的作用就像人的心脏一样重要。

1.LED的驱动

LED是一种新型光源。近年来，国内外许多厂家都在积极研发LED应用产品，但是一个不容忽视的事实是与LED产品配套的驱动器的质量却没有及时跟上来。驱动电路性能不佳，导致LED产品故障率高，成了LED推广应用的瓶颈，当然其中还有许多技术问题需要进一步研究、解决。

图3-1 LED的非线性特性

因为LED是一个非线性器件，正向电压的微小变化会引起正向电流的很大变化（见图3-1），所以LED需要恒流驱动。例如，3.3V时电流为20mA的LED用3节干电池供电，新电池电压可达4.5V，电流超过100mA，增大了4倍，很容易烧毁LED。对于1W大功率LED，如果正向电压变化10%（从3.4V降低到3.1V），会引起正向电流从350mA减小到100mA。如果正向电流从350mA减小到100mA，其光输出就会减少70%左右。

LED是一个半导体二极管，它的伏安特性随温度而变化（-2mV/℃），温度升高至85℃时，正向电流从20mA增大至35～37mA，而亮度不提高；温度降低至-40℃时，正向电流从20mA减小至8～10mA，亮度会降低，所以LED驱动电路一般不采用恒压源供电，而大都采用恒流源供电。

照明用LED光源的V_F电压都很低，一般V_F＝2.75～3.8V，I_F为15～1400mA。LED灯具使用的LED光源有小功率（I_F＝15～20mA）和大功率（I_F>200mA）两种。小功率LED多用来做LED荧光灯、装饰灯和格栅灯，大功率LED用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯和汽车工作灯等。LED光源是低电压、大电流驱动的器件，其发光强度由流过LED的电流大小决定，电流过大会引起LED发光强度的衰减，电流过小会影响LED的发光强度，因此，LED的驱动需要提供恒流源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。

在LED照明领域，要体现出节能和寿命长的特点，选择LED驱动电路至关重要，没有好的驱动电路的匹配，LED照明的优势无法体现。

LED灯具驱动需要先将高压的交流电变换成低压的交流电（AC/AC变换），然后将低压的交流电经整流变换成低压的直流电（AC/DC变换），再通过高效率的DC/DC开关稳压器降压后变换成恒流源，输出恒定的电流驱动LED光源。LED光源是按灯具的设计要求由小功率或大功率LED串联而成的。每串的I_F电流是按所选用的LED光源的电流要求设计的，总的正向电压是该串LED电压的总和。LED灯具驱动原理如图3-2所示。LED灯具选用36V以下的交流电源时可以考虑非隔离供电，如选用220V和100V的交流电源，应考虑隔离供电。

图3-2 LED灯具驱动原理

目前MR11和MR16射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯和汽车灯等LED灯具大多选用散热性较好的自带铜基板或铝基板的1W、3W大功率LED光源，使用12～36V电源，因而需要通过DC/DC降压和恒流为LED提供工作电流和电压。LED灯具大多使用低压电源，因此在这类灯具的电路设计上，LED的串联个数为1～9，尤以1～3个较为常见。串联后的总电压应低于电源电压，如3个LED串联，总电压ΔV_F＝3.4V×3＝10.2V，在输入电压大于12V时能正常工作。MR11、MR16射灯常见的是3个1W的LED串联或使用一个3W的LED；水底灯常见的是3个1W的LED串联后再并联，3个一组；洗墙灯常见的是1～9个1W的LED串联；路灯常见的是9个1W的LED串联后并联3组；汽车灯常见的是3～6个1W的LED串联后并联3组。当然LED的串并联方案是多种多样的，串联个数与其工作电压有关，这里就DC12～36V工作电压而言。目前1W的LED光源散热性较好，因此选用得较多。

近年来，LED在各行业中的应用得以快速发展，驱动电源成了行业的关注热点。LED驱动器可以看做是向LED供电的特殊电源，并可根据需要驱动串联、并联或串并联的多个LED，满足驱动电流的要求。理论上，LED的使用寿命在10万h以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当，LED极易被损坏。一般而言，在选择和设计LED驱动器时的通用技术要求如下：

1）高效率和高可靠性。LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构，这一点尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，耗损功率小，在灯具内的发热量就小，也就降低了灯具的温升，同时也减缓了LED的光衰，有利于延长整个灯具的使用寿命。

LED驱动器的工作可靠性一定要高（例如机械连接、安装、维修及替换），输出功率一定要能够满足灯具要求（涉及LED正向电压范围、电流及LED排列方式），特别是LED路灯的驱动电源装在高空，维修不方便，维修的花费也大。

2）高功率因数。功率因数是电网对负载的要求。一般对于70W以下的用电器没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器的功率因数低一点对电网的影响不大，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对电网产生较严重的污染。对于30～40W的LED驱动电源，在不久的将来也许会对功率因数有一定的指标要求。

3）驱动方式。LED均采用直流供电，现在通行的驱动方式有两种，其中一种是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式组合灵活，一路LED故障时不影响其他LED的工作，但成本会略高一点儿。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障时不影响其他LED运行的问题。这两种形式将在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式在成本和性能方面会较好，有可能是以后的主流发展方向。

LED驱动器应尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生±15%的变动时应仍能保持输出电流在±10%的范围内变动。同时驱动器应保持较低的自身功耗，这样才能使LED的系统效率始终保持在较高水准。

4）浪涌保护。LED抗浪涌电压、电流的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力，因此，加强这方面的保护非常重要。例如装在户外的LED路灯，由于电网负载的无规律启动与停用、雷击感应等，从电网系统会侵入各种浪涌电压、电流，有些浪涌电压、电流会导致LED的损坏。因此，LED驱动电源要有抑制浪涌电压、电流侵入的技术措施，保护LED不被浪涌电压、电流意外损坏。

5）保护功能。驱动器应设置完善的保护电路，如低压锁存、过电压保护、过热保护、输出开路或短路保护。LED驱动器除了上述常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈电路，防止LED温度过高。

6）防护性能。对于外安装型灯具，驱动电源的封装结构要防水、防潮，外壳要耐晒，耐紫外线照射。

7）功能要求。LED的最大电流可设定在使用过程中可调节LED的亮度。有的场合还要求驱动器具有发光模式及效果变换功能。驱动器应符合安全规范和电磁兼容的要求，工作时对其他电子设备及电路的干扰影响小。

8）驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。

LED灯具对低压驱动芯片的通用技术要求如下：

1）驱动芯片的标称输入电压范围应当满足DC 8～40V，以满足应用面的需要，耐压如能大于45V则更好。AC 12V或24V输入时简单的桥式整流器的输出电压会随电网电压波动，特别是电压偏高时输出的直流电压也会偏高，驱动芯片如不能适应宽电压范围，往往在电网电压升高时会被击穿，LED光源也因此被烧毁。

2）驱动芯片的标称输出电流要求大于1.2A。作为照明用的LED光源，1W功率的LED光源的标称工作电流为350mA，3W功率的LED光源的标称工作电流为700mA，功率大的需要更大的电流，因此，LED照明灯具选用的驱动芯片必须有足够的电流输出，设计产品时必须使驱动芯片工作在满负荷输出的70%～90%的最佳工作区域。使用满负荷输出电流的驱动芯片在灯具狭小的空间内散热不畅，容易疲劳和早期失效。

3）驱动芯片的输出电流必须长久恒定，LED光源才能稳定发光，不会闪烁；同一批驱动芯片在同等条件下使用，其输出电流大小要尽可能一致，也就是离散性要小，这样在大批量自动化生产线上生产才能有效和有序；对于输出电流有一定离散性的驱动芯片，必须在出厂或投入生产线前分档，调整PCB上电流设定电阻的阻值大小，使用生产的LED灯具恒流驱动板驱动同类LED光源时发光亮度一致，保持最终产品的一致性。

4）驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热，如将管芯直接绑定在铜板上并有一引脚直接延伸到封装外，便于直接焊接在PCB的铜箔上，迅速导热。

5）驱动芯片本身的抗EMI、噪声和耐高压的能力也关系到整个LED灯具产品能否顺利通过CE、UL等认证，因此驱动芯片本身在设计开始就要选用优秀的拓扑结构和生产工艺。

6）驱动芯片自身功耗要求小于0.5W，开关工作频率要求大于120Hz，以免由于工频干扰而产生可见闪烁。

2.LED驱动的命名方式

恒压式LED开关电源的命名方法如图3-3所示。