大功率LED高頻驅(qū)動(dòng)電路的工作原理與設(shè)計(jì)方案

1、大功率LED高頻驅(qū)動(dòng)電路的工作原理與設(shè)計(jì)方案摘 要：由于白光LED具有低成本、長壽命和小體積的特性，被迅速應(yīng)用到了照明和背光等領(lǐng)域，其驅(qū)動(dòng)電路也層出不窮，但大多數(shù)驅(qū)動(dòng)源都沒有解決效率不高，LED發(fā)光亮度不一致，發(fā)熱量大等問題。該文提出了一種基于恒流二極管的大功率LED高頻驅(qū)動(dòng)方案，以帶可控端的2THL系列恒流二極管為驅(qū)動(dòng)元件，通過在控制端輸入高頻脈沖小信號(hào)控制恒流二極管通斷，從而實(shí)現(xiàn)高頻恒流驅(qū)動(dòng)大功率LED這一目的。調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)占空比即可實(shí)現(xiàn) LED調(diào)光。該文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路不僅能夠保證LED持續(xù)、穩(wěn)定、高效地工作，在一定程度上減小了 LED芯片發(fā)熱量， 提高了 LED燈具使用壽命，并且對(duì)輸入電

2、源要求不高，整體可以節(jié)能40%左右。近幾年來隨著白光 LED,特別是大功率白光 LED的出現(xiàn)，LED作為一種新型綠色照 明光源具有體積小、機(jī)械強(qiáng)度大、功耗低、壽命長，便于調(diào)節(jié)和控制以及無污染等特征，目前被應(yīng)用到了汽車燈、交通燈、背光和照明等領(lǐng)域。由于LED具有工作電壓低，電流隨電壓指數(shù)增加等特點(diǎn)，傳統(tǒng)電源一般都不能直接給 LED供電。LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有直流控制、 高效率、調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、小型及簡(jiǎn)易使用等特點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)大功率LED驅(qū)動(dòng)電路是基于2THL系列恒流二極管的恒電流驅(qū)動(dòng)方式。通過引入高頻控制信號(hào)縮短單位時(shí) 間內(nèi)的通電時(shí)間以減小 LED芯片發(fā)熱量，提高LED發(fā)光效率。1 LED工

3、作特性目前市面上的大功率 LED單顆功率從1W 到幾百瓦不等，由于1W 以上大功率LED大多是以1WLED管芯為基礎(chǔ)封裝成的，在此主要介紹一下 1 WLED的工作特性。J*/JR 自咀 FR（v）V）噸（a） 1W 白光LED工作特性曲線 （b） LED發(fā)光強(qiáng)度與電流關(guān)系曲線（c）LED電流與工作溫度關(guān)系曲線圖1 1W 高亮度LED特性曲線圖1 （ a）為1W 高亮度LED正向壓降（VF ）和正向電流（IF ）的關(guān)系曲線。 由曲線可知當(dāng)正向電壓超過某個(gè)閾值（約2 V ）時(shí)即LED導(dǎo)通后，在一定電壓范圍內(nèi) LED的電流是成指數(shù)上升的。VF的微小變化會(huì)引IF有較大的變化，從而引起亮度的較大變化。

4、另外LED的PN結(jié)是負(fù)溫度系數(shù)的， 隨著溫度升高LED的勢(shì)壘電勢(shì)降低。若采用恒壓驅(qū) 動(dòng)方式就不能保證 LED亮度一致性，同時(shí)還會(huì)影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此目前絕大部分LED驅(qū)動(dòng)都采用恒流的方式。從圖1 （ b）（ c）可以看出LED亮度L與正向電流IF成正比：L = K I mF （ K為比例系數(shù)）。LED具有亮度飽合特性，所以LED正向驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)小于其標(biāo)稱電流。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高PN結(jié)復(fù)合率n c下降，亮度降低。隨著LED持續(xù)點(diǎn)亮PN溫度會(huì)迅速升高，導(dǎo)致LED發(fā)光強(qiáng)度迅速降低產(chǎn)生光衰，當(dāng)溫度上升到一定高度后 LED的PN結(jié)會(huì)很快燒壞。因此在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)源時(shí)除

5、了要保證 LED 恒流驅(qū)動(dòng)外，還要考慮減小LED發(fā)熱量。2恒流二極管恒電流二極管是一種硅材料制造的基礎(chǔ)電子器件。正向恒電流導(dǎo)通，反向截止，輸出恒電流。器件按極性接入電路回路中，回路即可達(dá)到恒流的效果，應(yīng)用簡(jiǎn)單， 實(shí)現(xiàn)了電路理論和電路設(shè)計(jì)中的二端恒流源。本驅(qū)動(dòng)電路中使用的為博越公司的2THL系列恒流二極管，具有如下特性：1) 輸出恒定電流 1 300mA;2) 恒定電流的啟始電壓低(3 3. 5 V)；3) 恒流電壓范圍大(25 100 V )；4) 在恒流電壓范圍內(nèi)，電流相對(duì)變化10%；5) 動(dòng)態(tài)電阻4 k 160 k;6) 響應(yīng)時(shí)間快(tr 50 ns, tf 70 ns );7) 極限使用

6、電壓20 100 V。2THL系列恒流二極管帶有一個(gè)控制端，可以用來調(diào)節(jié)輸出電流。圖 2為2THL系列恒流二極管輸出特性曲線。圖2 2THL系列恒流二極管特性曲線3高頻LED驅(qū)動(dòng)電路基于半導(dǎo)體恒流二極管的高頻大功率LED驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)圖如圖 3所示。其中Q1為2THLXXX 系列恒流二極管，LD1為LED, D1 為普通二極管( 鍺管)。VCC為直流電源，D1負(fù)極輸入為高頻脈沖。電路工作原理是當(dāng)普通二極管 D1反向端為低電平時(shí)，2THL 恒流二極管關(guān)斷，LED熄滅；當(dāng)普通二極管反向端為高電平時(shí)，恒流二極管導(dǎo)通輸出一個(gè)大電流，LED點(diǎn)亮。由于人眼視覺障礙，感覺不到LED亮度變化。通過調(diào)整脈沖的占

7、空比即可調(diào)節(jié)LED亮度。vccLD1i innLTLDlCDoi圖3高頻大功率LED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖驅(qū)動(dòng)1W以上LED時(shí)一般采用2THL300 恒流二極管，最大使用電壓為2040 V,為了提供更大電流可以將多個(gè)恒流二極管并聯(lián)使用，輸出電流為各個(gè)恒流二極管標(biāo)稱電流之和。輸出電流為300 350mA,并聯(lián)以后 2THL系列恒流二極管不同型號(hào)之間可以并聯(lián)使值得注意 圖4為 PN結(jié)正向 應(yīng)使用管壓),用（如一個(gè) 2THL050 和一個(gè)2THL300 并聯(lián)輸出電流為 350 400 mA的是不同型號(hào)恒流二極管并聯(lián)以后，最大使用電壓由標(biāo)稱最大的恒流二極管決定。恒流二極管并聯(lián)連接方式。由于2THL系列恒流二極

8、管控制端與負(fù)極端存在一個(gè) 壓降約為0. 7 V,為了使輸入高頻脈沖為 0電平時(shí)恒流二極管完全關(guān)斷，D1降0. 2 V 的鍺材料二極管。圖4恒流二極管并聯(lián)連接方式圖大功率白光LED主要應(yīng)用在裝飾照明、建筑照明、景觀照明及大屏幕顯示背光源等許多場(chǎng)合。在這些場(chǎng)合下， 宜采用工頻市電供電。白光LED的正向工作電壓范圍通常為 3. 24 V,若采用交流市電供電，必須先進(jìn)行AC /DC 和DC /DC 兩步轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)20W 以下的LED, VCC 可以采用簡(jiǎn)易的開關(guān)電源。開關(guān)電源具有效率高、功耗小、輸出電壓穩(wěn)定、體積小等特點(diǎn)。由于 20W 以上的開關(guān)電源一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、制造成本較高，因此驅(qū)動(dòng)20

9、W 以上LED時(shí)VCC宜采用工頻變壓器式線性直流電源。由于2THL恒流二極管的工作電壓范圍比較寬(3 40 V ),耐瞬間沖擊電壓100 V,因此在設(shè)計(jì)工頻變壓器線性直流電源時(shí)可以簡(jiǎn)化穩(wěn)壓電路。鍺管D1負(fù)極端輸入除了高頻脈沖方波外，還可以是其他類型的高頻信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中為了便于調(diào)光一般使用高頻方波脈沖信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明大功率LED在高頻驅(qū)動(dòng)下發(fā)光亮度與持續(xù)恒流驅(qū)動(dòng)相比變化不大，但發(fā)熱量卻有明顯的下降。LED在一個(gè)脈沖周期內(nèi)只有高電平時(shí)才導(dǎo)通發(fā)光產(chǎn)生，而在低電平時(shí)LED熄滅， 此時(shí)LED熱量迅速輻射出去。頻率越高單位時(shí)間內(nèi)LED與空氣熱交換次數(shù)越多，LED芯片溫度越低。為了散熱大功率LED芯片大多

10、數(shù)是貼裝在鋁基板上的，鋁基板與空氣之間主要是通過對(duì)流的方式進(jìn)行熱傳遞的。LED持續(xù)點(diǎn)亮?xí)r，LED芯片溫度變化緩慢，鋁基板附近一個(gè)區(qū)域內(nèi)有一個(gè)溫度梯度，形成層流區(qū)域。LED在高頻驅(qū)動(dòng)下芯片溫度會(huì)不斷地變化，溫度梯度被打破，鋁基板附近就形成了湍流區(qū)域。由熱力學(xué)知識(shí)可知湍流的對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流的對(duì)流換熱系數(shù)，那么在單位時(shí)間內(nèi)鋁基板向湍流區(qū)域發(fā)散的熱量就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流區(qū)域。由此可知LED在高頻驅(qū)動(dòng)下發(fā)熱量比持續(xù)導(dǎo)通時(shí)低。這樣采用高頻驅(qū)動(dòng)方式 LED可以有效地降低芯片的溫度，從而減小LED光衰，延長LED使用壽命, 間的限制,另外也有助于簡(jiǎn)化 LED燈具的散熱設(shè)計(jì)。由于受到LED和驅(qū)動(dòng)器件的響應(yīng)時(shí)

11、 以及高頻本身會(huì)引起器件發(fā)熱，采用基于恒流二極管高頻驅(qū)動(dòng)源的頻率應(yīng)小于2MH z。LED色衰，調(diào)光主要有模擬調(diào)光和 因此模擬調(diào)光一般不常用。PWM調(diào)制調(diào)光兩種方式。由于 LED在低電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生PWM調(diào)制通過改變脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)二極管圖5基于恒流二極管的 5W 白光LED高頻驅(qū)動(dòng)電路圖5為基于恒流二極管的 5W 白光LED高頻驅(qū)動(dòng)電路。高頻自激式開關(guān)電路將交流市電轉(zhuǎn)換為20V直流電， 經(jīng)恒流二極管2THL300 后輸出電流恒定為 300mA。在開關(guān)電路 中高頻變壓器磁芯為 EE 16,原邊N 1繞制12圈，N2繞制210圈，副邊繞制40圈。D5為6. 2 V 穩(wěn)壓二極管，用以穩(wěn)定輸出電壓，

12、Q 1為功率型開關(guān)管 M JE13003,D16為鍺管。由NE555 構(gòu)成頻率為200 kH z 占空比1 /6 5 /6可調(diào)的高頻脈沖發(fā)生電路，用來控制恒流二極管通斷。5顆1W 白光LED串聯(lián)， 每顆LED電流相同， 發(fā)光亮度一致。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 R 9實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。4小結(jié)筆者介紹的高頻LED驅(qū)動(dòng)電路使用恒流二極管實(shí)現(xiàn)了LED的高效恒流驅(qū)動(dòng)。由于恒流二極管的工作電壓范圍比較寬，在輸入直流電壓大范圍波動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路仍然能夠保證恒定電流輸出， 且不會(huì)因負(fù)載短路而燒毀。通過調(diào)節(jié)高頻脈沖信號(hào)的占空比很容易實(shí)現(xiàn)調(diào) 光，并且不會(huì)出現(xiàn)LED色度偏移現(xiàn)象。采用高頻方式驅(qū)動(dòng)減小LED的發(fā)熱量， 從而簡(jiǎn)化了 L

13、ED燈具的散熱設(shè)計(jì)。另外采用高頻恒流驅(qū)動(dòng)方式相比持續(xù)恒流驅(qū)動(dòng)可以節(jié)省40%左右的電能， 達(dá)到了高效節(jié)能的目的。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是通過在驅(qū)動(dòng)回路中串入大電流恒流二極管，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)源恒電流輸出。高頻脈沖信號(hào)控制恒流二極管通斷，瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)大功率LED,有效地降低了 LED芯片發(fā)熱，節(jié)能40% 左右。出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣 不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光 先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司

14、論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)櫍孕惺缇?，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰能”是以眾議舉寵為督：愚以為營中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也； 親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以傾頹也。 先帝在時(shí)，每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。侍中、尚書、長史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣， 愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于 敗軍之際，奉命于危難之間，爾來二十有一年矣。先帝知臣謹(jǐn)慎，故臨崩寄臣