LED的恒流驅動

由於LED是特性敏感的半導體器件，又具有負溫度特性，因而在應用過程中需要對其進行穩定工作狀態和保護，從而產生了驅動的概念。LED器件對驅動電源的要求近乎於苛刻，LED不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。LED是2～3伏的低電壓驅動，必須要設計復雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源適配器。國際市場上國外客戶對LED驅動電源的效率轉換、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容的要求都非常高，設計壹款好的電源必須要綜合考慮這些因數，因為電源在整個燈具中的作用就好比像人的心臟壹樣重要。

用LED作為顯示器或其他照明設備或背光源時，需要對其進行恒流驅動，主要原因是：

1. 避免驅動電流超出最大額定值，影響其可靠性。

2. 獲得預期的亮度要求，並保證各個LED亮度、色度的壹致性。

LED驅動特點

根據電網的用電規則和LED驅動電源的特性要求，在選擇和設計LED驅動電源時要考慮到以下幾點：

1．高可靠性：特別像LED路燈的驅動電源，裝在高空，維修不方便，維修的花費也大。

2．高效率：LED是節能產品，驅動電源的效率要高。對於電源安裝在燈具內的結構，尤為重要。因為LED的發光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內發熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

3．高功率因素：功率因素是電網對負載的要求。壹般70瓦以下的用電器，沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低壹點對電網的影響不大，但晚上大家點燈，同類負載太集中，會對電網產生較嚴重的汙染。對於30瓦~40瓦的LED驅動電源，據說不久的將來，也許會對功率因素方面有壹定的指標要求。

4．這種方式，組合靈活，壹路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高壹點。另壹種是直接恒流供電，LED串聯或並聯運行。它的優點是成本低壹點，但靈活性差，還要解決某個LED故障，不影響其他LED運行的問題。這兩種形式，在壹段時間內並存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好。也許是以後的主流方向。

5．浪湧保護：LED抗浪湧的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由於電網負載的啟甩和雷擊的感應，從電網系統會侵入各種浪湧，有些浪湧會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪湧的侵入，保護LED不被損壞的能力。

6．保護功能：電源除了常規的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。

7．防護方面：燈具外安裝型，電源結構要防水、防潮，外殼要耐曬。

8．驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配。

9．要符合安規和電磁兼容的要求。

隨著LED的應用日益廣泛，LED驅動電源的性能將越來越適合LED的要求。

LED驅動原理

正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關系曲線，由曲線可知，當正向電壓超過某個閾值(約2V)，即通常所說的導通電壓之後，可近似認為，IF與VF成正比。見表是當前主要超高亮LED的電氣特性。由表可知，當前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為2～4V。

由於LED的光特性通常都描述為電流的函數，而不是電壓的函數，光通量(φV)與IF的關系曲線，因此，采用恒流源驅動可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化範圍比較大(最大可達1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的，IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的壹致性，並且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅動。

LED的溫度與光通量(φV)關系曲線，由下圖可知光通量與溫度成反比，85℃時的光通量是25℃時的壹半，而壹40℃時光輸出是25℃時的1．8倍。溫度的變化對LED的波長也有壹定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

LED驅動電路

由於受到LED功率水平的限制，通常需同時驅動多個LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的驅動電路來點亮LED。

1. 阻容降壓：利用電容在交流下的阻抗來限制輸入電流，從而獲得直流電平給LED供電。這種驅動方式結構簡單，成本低廉，但是輸入非隔離方案，有安全隱患。而且轉換效率很低，無法做到恒流控制。

2. 隔離反激電路：利用反激電路，通過變壓器在副邊產生直流電平，再通過光藕將此電平的紋波反饋回原邊，從而自激穩定。此類電路符合安規認定要求，而且輸出恒流精度較好，轉換效率較高。但由於需要光藕和副邊恒流控制電路，導致系統復雜，體積大，成本高。

3. 原邊方案：原邊方案就是通過完全在交流原邊控制輸出的電源和電流，最精確可以做到5%的恒流精度，副邊僅需簡單的輸出電路即可。原邊主要依靠輔助邊的反饋來控制輸出電壓，依靠限流電阻對原邊電流的控制，同時乘以匝比來控制輸出電流的精度。原邊方案繼承了隔離反激電路的種種優點，同時架構簡單，可以做到小體積和低成本。

原邊的恒流精度問題：由於變壓的生產精度難以控制，導致原邊方案在使用低質量變壓器時，輸出電流漂移較大。所以，原邊方案通過改進增加了副邊恒流控制電路，這樣雖然比普通的原邊方案復雜了，但是對比反激方案，仍然可以省去光藕等，系統性價比最高。

LED驅動方式

通過線性穩壓器來轉換電壓會面臨功耗問題，這種方式比較適合用於需要回避噪聲(比如汽車音響)因而不能采用開關方式的轉換電路中。而開關方式的特點是轉換效率非常高，但它也有噪聲的問題，所以選擇何種轉換方式取決於何種應用。

通常，電荷泵驅動方式的效率會隨著輸入電壓的變化而變化，在電壓變化範圍大的應用中，其效率比較低;而在電壓變化範圍比較小的應用中，只有當輸入和輸出電壓之間是整倍數關系時，它的效率才能達到最大，但這在電池供電的實際應用中很難達到。反觀電感的轉換效率不太受電壓幹擾，應用限制也比電荷泵要少。

LED驅動設計思想

LED在可攜式產品中背光源的地位已經不可動搖，即便是在大尺寸LCD的背光源當中，LED也開始挑戰CCFL（冷陰極螢光燈）的主流地位；而在照明領域，LED作為半導體照明最關鍵的部件，更是因為頂著節能、環保、長壽命、免維護等諸多光環而受到市場的追捧。驅動電路是LED（發光二極管）產品的重要組成部分，無論在照明、背光源還是顯示板領域，驅動電路技術架構的選擇都應與具體的應用相匹配。

LED的發光原理是在它兩端加上正向電壓，使半導體中的少數載流子和多數載流子發生復合，放出過剩能量，從而引起光子的發射。LED驅動電路的主要功能是將交流電壓轉換為恒流電源，同時按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配。LED驅動電路除了要滿足安全要求外，另外的基本功能應有兩個方面：

  壹是盡可能保持恒流特性，尤其在電源電壓發生±15%的變動時，仍應能保持輸出電流在±10%的範圍內變動。

  1、避免驅動電流超出最大額定值，影響其可靠性。

  2、獲得預期的亮度要求，並保證各個LED亮度、色度的壹致性。

  二是驅動電路應保持較低的自身功耗，這樣才能使LED的系統效率保持在較高水準。

PWM（脈寬調制）技術是壹種傳統的調光方式，它利用簡單的數位脈沖，反覆開關LED驅動器，系統只需要提供寬、窄不同的數位式脈沖，即可簡單地實現改變輸出電流，從而調節LED的亮度。該技術的優點在於能夠提供高品質的白光，以及應用簡單，效率高，但壹個致命的缺點是容易產生電磁幹擾，有時甚至會產生人耳能聽見的雜訊。

升壓是LED驅動電路的重要任務，而電感升壓和電荷泵升壓是兩種不同的拓撲模式。“由於LED是由電流驅動的，而電感在進行電流轉換時效率最高，因此電感升壓方式最大的優點就是效率高，如果設計得當可以超過90%；不過它的缺點也同樣明顯，就是電磁幹擾很強，對手機等通信產品的系統要求就非常高。隨著電荷泵的出現，采用電荷泵的升壓方式其效率將低於電感升壓。

無論在照明應用還是背光應用領域，提高驅動電路的轉換效率都是產品設計者必須面對的問題。提高轉換效率，不僅有利於可攜式產品延長待機時間，同時也是解決LED散熱問題的重要手段。在照明領域，由於使用大功率LED，因此提高轉換效率就顯得尤為重要。

LED在工作時需要有穩流、穩壓的元件，但是此類元件應具備自身承擔的分壓高，但功耗要小的特性，否則將使具有較高效率的LED因為驅動電路的工作功耗太大而使總體系統的效率大為降低，有悖於節能高效的宗旨。所以應盡可能不采用電阻或串聯穩壓電路來作為LED驅動器的限流主電路，而應該采用電容、電感或有源開關電路等高效電路，這樣才能保證LED系統的高效率。采用串聯式集成恒功率輸出電路，可以使LED的光輸出在很寬的電源範圍內保持恒定，但壹般的IC電路會因此而使效率有所下降。采用有源開關電路可以保證在較高的轉換效率下實現電源電壓大幅度變化時恒功率輸出。

但是以其獨特的長處，可以在安全特地電壓（遊泳池、劃水池內水下燈具、礦燈）條件下高效工作。此外，在直接采用綠色電能（太陽能、風能等）LED驅動，以及應急照明方面也有著其獨特的優勢。尤其在調光方面，LED不僅可實現0~100%的調光，並且可保證在整個調光過程保持較高光效，並且不損害LED的壽命，而氣體放電燈則很難做到這壹點。

LED驅動電路要求

LED驅動電路除了要滿足安全要求外,另外的基本功能應有兩個方面：

壹是盡可能保持恒流特性,尤其在電源電壓發生±15%的變動時,仍應能保持輸出電流在±10%的範圍內變動.主要原因是: 1、避免驅動電流超出最大額定值,影響其可靠性. 2、獲得預期的亮度要求,並保證各個LED亮度、色度的壹致性。

 二是驅動電路應保持較低的自身功耗,這樣才能使LED的系統效率保持在較高水準。

LED的直流控制

LED是由電流驅動的器件，其亮度與正向電流呈比例關系。有兩種方法可以控制正向電流。

第壹種方法是采用LED V-I曲線來確定產生預期正向電流所需要向LED施加的電壓。其實現方法壹般采用壹個電壓電源和壹個鎮流電阻器。如下所述，此方法有 多項不足之處。LED正向電壓的任何變化都會導致LED電流的變化。如果額定正向電壓為3.6V，則圖1中LED的電流為20mA。如果電壓變為 4.0V，這是溫度或制造變化引起的特定壓變，那麽正向電流則降低到14mA。正向電壓變化11%會導致更大的正向電流變化，達30%。另外，根據可用的 輸入電壓，鎮流電阻的壓降和功耗會浪費功率和降低電池使用壽命。

第二種方法、也是首選的LED電流調整方法是利用恒流電源來驅動LED。

LED的高效率

便攜式應用中電池使用壽命是至關重要的。LED驅動器如果實用，就必須具備高效性。LED驅動器的效率測量與典型電源的效率測量不同。典型電源效率測量的 定義是輸出功率除以輸入功率。而對於LED驅動器來說，輸出功率並非相關參數。重要的是產生預期LED亮度所需要的輸入功率值。這可以簡單地通過使LED 功率除以輸入功率來確定。請註意：如果這樣定義效率的話，則電流檢測電阻器中的功耗會導致電源功率耗散。通過圖3所示的公式，我們可以看出較小的電流傳感 電壓會產生較高效率的LED驅動器。圖4說明了選用0.25V參考電壓的電源與選用1V參考電壓的電源相比，二者的效率提高情況。較低的電流傳感電壓電源 更為有效，無論輸入電壓或LED電流如何，只要其他條件相同，較低的參考電壓都可以提高效率並延長電池的使用壽命。