一、 LED驅動電路的原理

　　1 概述

　　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。

　　2 LED恒流驅動工作原理

　　LED線性恒流（CC）驅動具有電路簡單、使用元器件數量少和EMI小的特點。

　　LED采用串聯工作方式可以確保通過每只LED的工作電流一致，而LED恒壓（CV）驅動LED并聯使用時則不能確保通過每只LED的工作電流一致。

　　1）LED恒壓驅動工作原理

　　LED負載恒壓驅動工作原理圖如下圖2所示，通過調節輸出取樣電阻RFB1和RFB2的取值，可以調節輸出電壓數值。由于LED的發光色溫、輸出流明數和LED的正向工作電流有關，為穩定LED光輸出，實用中不宜采用恒壓LED驅動工作方式。

　　2）LED恒流驅動工作原理

　　LED恒流驅動工作原理圖如圖3所示，穩定的LED負載工作電流對穩定LED的發光色溫和輸出流明數有利。所以，實用中LED負載采用恒流驅動較為有利。在圖3中，調節電流取樣電阻RFB的參數就可以實現LED負載驅動工作電流的調節。

　　常用LED驅動電路拓撲與特點如表1所示，公式中D表示開關變換脈沖占空比。

　　二、LED驅動電路主要特點

　　1 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。

　　第一種方法是采用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。其實現方法一般采用一個電壓電源和一個鎮流電阻器。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，那么正向電流則降低到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.恒流電源可消除正向電壓變化所導致的電流變化。因此可產生恒定的LED亮度，無論 正向電流如何變化。產生恒流電源很容易。只需要調整通過電流檢測電阻器的電壓，而不用調整電源的輸出電壓。圖2說明了這種方法。電源參考電壓和電流檢測電 阻器值決定了LED電流。在驅動多個LED時，只需把它們串聯就可以在每個LED中實現恒定電流。驅動并聯LED需要在每個LED串中放置一個鎮流電阻， 這會導致效率降低和電流失配。

　　2 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。而對于LED驅動器來說，輸出功率并非相關參數。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。請注意：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并延長電池的使用壽命。

　　3 PWM調光

　　許多便攜式LED應用都需要進行光度調節。在LCD背光等應用中，調光功能可提供亮度及對比度調節。我們可采用兩種調光方法：模擬與 PWM.利用模擬調光，通過向LED施加50%的最大電流可實現50%的亮度。這種方法的缺點是會出現LED顏色偏移并且需要采用模擬控制信號，因此使用 率一般不高。以更低忙閑度向LED施加滿電流可實現PWM調光。在50%忙閑度施加滿電流可達到50%亮度。為確保人的肉眼看不到PWM脈沖，PWM信號 的頻率必須高于100Hz.最大PWM頻率取決于電源啟動與響應時間。為提供最大的靈活性以及集成簡易性，LED驅動器應能夠接受高達50kHz的PWM 頻率。

　　4 過壓保護

　　在恒流模式中操作電源需要采用過壓保護功能。無論負載為多少，恒流電源都可產生恒定輸出電流。如果負載電阻增大，電源的輸出電壓也必須隨之增大。這就是電 源保持恒流輸出的方法。如果電源檢測到過大的負載電阻，或者負載斷開的話，輸出電壓可提高到超出IC或其他分立電路元件的額定電壓范圍。恒流 LED驅動器可采用多種過壓保護方法。其中一個方法是使齊納二極管與LED并聯。這種方法可以將輸出電壓限制到齊納擊穿電壓和電源的參考電壓。在過壓條件 下，輸出電壓會提高到齊納擊穿點并開始傳導。輸出電流會通過齊納二極管，然后通過電流檢測電阻器接地。在齊納二極管限制最大輸出情況下電源可連續產生恒定 的輸出電流。更佳的過壓保護方法是監控輸出電壓并在達到過壓分界點時關閉電源。如果出現故障，在過壓條件下關斷電源可降低功耗并延長電池使用壽命。

　　5 負載斷開

　　LED驅動電源中一個經常被忽視的功能是負載斷開。在電源失效時負載斷開功能可以把LED從電源斷開。這種功能在下列兩種情況下至關重要，即斷電和PWM 調光。在升壓轉換器斷電期間，負載仍然通過電感器和捕獲二極管與輸入電壓連接。由于輸入電壓仍然與LED連接，即使電源已經失效，就會繼續產 生一個小電流。即使很小的泄漏電流也會在很長的空閑期間極大縮短電池壽命。負載斷開在PWM調光時也很重要。在PWM空閑期間，電源已經失效，但是輸出電 容器仍然與LED連接。如果沒有負載斷開功能，輸出電容器會通過LED放電，直到PWM脈沖再次打開電源。由于電容器在每個PWM循環開始都部分放電，一 次電源必須在每個PWM循環開始時給輸出電容器充電。因此會在每個PWM循環產生突入電流脈沖。突入電流會降低系統效率并在輸入總線上產生瞬時電壓。而如 果具有負載斷開功能，LED就會從電路斷開，這樣，在電源失效時就不會存在泄漏電流，而且在PWM調光循環之間輸出電容器都是充滿的。實施負載斷開電路時 最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個MOSFET.在電流傳感電阻器和接地之間放置MOSFET會產生一個附加壓降，其在輸出電流設定點會把自身顯 示為一個差錯。

　　6 簡便易用

　　簡便易用是相對而言的。在評估電路的簡便易用性時，不但必須考慮初始設計的復雜性，而且還必須要考慮在未來進行快速修改并把電路用于其他有不同輸入或輸出 要求的程序時需要做的工作。總之，滯后控制器非常簡便易用。滯后控制器可消除傳統電源設計中必需的復雜頻率補償功能。雖然頻率補償對于有經驗的電源設計人 員來說是小菜一碟，但是對于新手來說就不那么輕松了。由于最佳的補償隨輸入和輸出條件的不同而不同，傳統的電源設計不能實現針對不同操作條件的快速修改。 而滯后控制器具有內在的穩定性從而在輸出/輸出條件改變時無需改變。

　　7 小尺寸

　　小尺寸是便攜式電路的一個重要特性。電路元件的尺寸受多種因素的影響。其中一個因素是切換頻率。高切換頻率允許采用小型無源元件。用于便攜應用的現代 LED驅動器應能夠以高達1MHz頻率切換。由于切換頻率并不能明顯縮小電路尺寸，而且較高的切換損耗會降低效率和縮短電池壽命，所以建議切換頻率一般不 超過1MHz.把各種功能集成到控制IC是實現小型驅動解決方案的一個最重要的因素。如果上述所有功能都通過分離的元件實現的話，它們所需要的電路板空間 將超出電源自身占用的空間。把它們集成到控制IC可大大縮小整體驅動器尺寸。功能集成的第二個同樣重要優勢是可以降低解決方案總成本。如果分步執行的話， LED驅動器中所有預期功能會導致每額外個別成本增加0.60~0.70美元。而當集成到控制IC時，這些功能只會增加IC成本0.10~0.15美元。

　　由于受到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，

　　再通過光耦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。但由于需要光耦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。

　　三、LED驅動電路功能特性

　　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

　　LED驅動電路的基本功能有以下兩個方面：

　　一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%的范圍內變動。

　　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，并保證各個LED亮度、色度的一致性。

　　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驅動電路應確保LED的恒流工作特性，尤其在電源供電電壓發生變化時，仍能保持LED工作電流的穩定。實現：

　　1.確保LED負載工作電流穩定；

　　2.避免LED驅動電流超出最大額定值，影響LED負載的工作可靠性；

　　3.獲得要求的流明輸出，并保證各LED發光亮度和發光色度的一致性。

　　同時，LED驅動電路應保持較低的功耗，這樣才能使LED照明系統的工作效率保持在較高水平。

　　尤其在調光方面，LED 不僅可實現0~100%的調光，而且還可以保證在整個調光過程中有較高的發光效率，并不損害LED 的工作壽命，而氣體放電燈則很難做到這一點。

　　LED燈具中有關部件損壞比例如圖1所示，其中，LEDs的損壞率為10%,控制電路為7%,LED燈具的安裝為31%,LED驅動器為52%.可見在LED燈具中LEDs的損壞率并不高，LED驅動電路失效率相對較高為52%,LED燈具失效90%并非來自LED（數據來源：Appalachian Lighting Systems）。該數據的統計條件是在5400件LED燈具中失效燈具為29具（失效率為：0.54%）的實驗條件下進行的。

　　四、LED驅動電路存在的一些問題

　　在LED驅動電路的使用過程中應注意LED驅動電路的應用場合，例如注意LED驅動電路的用途、安裝方式、環境噪聲干擾、正確使用LED驅動電路和有關技術支持會對提高LED驅動電源工作可靠性有幫助。

　　在使用LED驅動電路時還需注意LED驅動電路的輸入電壓適應范圍、輸出電壓和輸出電流變化范圍，合理對LED及其驅動電路進行熱管理，LED驅動電路應選用合適型號的電解電容器。

　　對LED驅動電路的機械部件注意安裝機械應力、抗震動性和防潮濕、防水等問題。注意有關光學部件和LED部件的光輸出、發光顏色、發光角等技術參數對使用環境的影響，注意LED驅動電路的抗UV/抗化學腐蝕性和正確使用LED驅動電路等問題。

　　1.質量一般的LED驅動電路不采用閉環反饋控制技術；

　　2.很少LED驅動技術的研發是基于復雜知識產權的要求；

　　3.目前只有很少的LED驅動技術是采用RDM（遠程部署管理）技術來實現對LED燈具工作狀態的遙控監測。

從以上對LED驅動電路的概述、工作原理、主要特點、功能特性、存在的問題進行分析而提出了LED驅動電路的技術指標，更有利于我們全面的了解LED驅動電路。

　　五、LED驅動電路的技術要求

　　對LED 驅動電路主要技術指標有：最大輸出功率，允許工作溫度范圍，瞬態開/關工作特性，功率因數不低于0.9,輸入和輸出電壓變化范圍，允許的最大輸入電壓和電流，驅動電源的總諧波失真（THD）等。

　　對更高級的LED驅動器應具有可以監測和報告LED照明系統所有工作狀態參數和智能控制功能，例如可以實現對LED的VF值無需分級、對由于LED驅動器和LED燈具之間的線路電壓降進行自動檢測和補償、光學反饋、自動進行白光LED的相關色溫（CCT）控制、多色LED相關色溫（CCT）控制等控制功能。