大功率LED驱动电路的研究

贾竹君



大功率LED驱动电路的研究

贾竹君

（湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199）

LED是一种固体发光光源，它是将电能转变为光能的半导体器件，中文名叫发光二极管。发光二极管体积小，光线集中，能量损失少，具有节能、环保、使用寿命长的特点。并且使用低压直流电即可驱动，故被广泛应用于各种照明及电子设备中。随着技术的进步，超高亮度、大功率的LED不断被生产出来，传统的白炽灯和节能灯已渐渐地被它取代。本论文先介绍LED的驱动技术，然后分析典型的大功率LED驱动电路及集成驱动电路。最后给出每种驱动方式的使用场合及发展前景。

LED ；驱动技术；驱动电路

LED（light emitting diode）即发光二极管，是一种半导体器件，它在通电以后发出各种各样的光，发光二极管体积小，光线集中，能量损失少，具有节能、环保、使用寿命长的特点。并且使用低压直流电即可驱动，故被广泛应用于各种照明及电子设备中。随着技术的进步，超高亮度、大功率的LED不断被生产出来，大功率高亮度的蓝光LED相继问世。由于半导体二极管的伏安特点，大功率LED两端的电压稍微变化一下而其电流会出现很大的变化，这样一来，很容易使 LED 因电流过大而烧毁，要想使 LED负载能正常运行，就必须要控制其电流。而控制电流最好的方法就是用驱动电路，并以输出恒定电流的方式进行驱动大功率LED[1]。

1 LED驱动技术

1.1电路性能分析

在实际应用中，我们如果将较多的LED管串联，将需要提供较高的电压，如果将较多的LED管并联使用，则需要提供较大的电流。将所有的LED单独串联或者单独并联都是不可取的，最好的解决办法是采用混合联接的方式。串、并联分配恰当，才能使串联支路上的电压相同，流过同一支路的每个LED上的电流大小也基本相同，亮度就会一致。我们采用先串联后并联的方式，并将LED管尽量并联连接，当某一只LED管出现故障或断路时，其余的LED管中的电流不会变大，就可以保证其余的LED管的正常工作。这种先串联后并联电路线路结构简单、有稳定的亮度和较高的可靠性，不需要每个LED都完全一样。纵使个别LED单管失效，对整个发光组件的影响不大。在工作条件经常变化时，使用这种连接形式的发光组件是不错的选择。我们也可以先并联再串联。并以恒定电流的方式进行驱动大功率LED。若某只LED管短路，则除了短路LED管不亮，其余的LED管均能正常工作。如果并联的LED管较多，会使驱动器的驱动电流变大，流过这只短路的LED的电流也会变大，这只短路的LED会因过流而烧坏。但其余的LED管上的电流却不变，依然可以正常点亮[2]。

1.2 驱动器的选择

综合上面的分析，驱动器的选择与负载LED串、并联方式的搭配密切相关。稳压式LED驱动器不适合选用串联负载，因为输出的电压是恒定的，而输出的直流电流却随着负载的大小在一定范围内变化，则LED的亮度不均匀。要在支路上串联一个合适的电阻才能使每串LED亮度均匀。同样，恒流式LED驱动器不适合选用并联负载，因为输出的电流是恒定的，而其输出的直流电压却随着负载的大小在一定范围内变化，阻值越小，输出电压就越低，阻值越大，输出电压就越高，使用恒流电路时不怕负载短路，却严禁负载开路，其对LED的驱动是理想化的，而且相对价格比较高，所以应注意其最大耐压、耐流值，从而就限制了LED的使用数量。通过分析，我们认为在工作电压相等时，恒流驱动是大功率LED的最佳选择。下面我们来举几种LED驱动电路。

2 典型LED驱动电路的研究

2.1电容降压电路

电容降压的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流，因为电容通交流阻直流。并联电容降压时应注意下面几点：要根据流过负载电流和交流电的频率选取适当的电容容量，无极性电容用作限流电容，一定不能用电解电容来限流。而且限流电容的耐压必须在四百伏特以上，动态负载条件、大功率条件、容性和感性负载不能用电容来降压，当电路工作需要直流电压时，应尽量采用整流电路获得。电容降压电路因结构简单、电流恒定、价格低而用于LED驱动电路中。

图1.最简单的LED电容降压电路

最简单的LED电容降压电路如图1所示，电容在电路中起限流作用，在电源电压和频率一定时，根据电容阻抗与电容成反比的原理，电容大，电容阻抗小，则通过的电流大。两只反向并联的LED则轮流导通。指示灯和夜光灯常用此类电路作为驱动。

2.2PWM驱动白光LED电路

PWM（Pulse-Width Modulation）是脉冲宽度调变的意思。PWM调光是通过调整亮、暗的时间比例来调整LED的亮度[4]。通过调整占空比和频率来调光，调光的范围不是很宽，与内部电路的软启动和恢复正常工作的速度有关[5]。PWM驱动白光LED电路如图2所示。

图2.PWM驱动白光LED电路

PWM原理是用开关控制通过的直流电压，从而控制和改变LED上的电压。设LED管允许通过的最大电流为Imax。开关开闭周期为T，开关闭合时间为t，则占空比为D=t／T[5]，LED的平均电流为：

I=ID (1)

由式(1)可见，当开关周期不变时，改变导通时间，则流过LED管两端的平均电流也会改变，LED的亮度跟着改变。

3 LED集成驱动电路

3.1LM3404驱动电路

LM3404是单片降压型高亮度LED恒流驱动集成电路，它适用于新一代大功率高亮度LED组件，工业照明和汽车照明用的较多。LM3404内部集成了功率MOSFET、Buck开关电路。LM3404能够为3W至5W的LED组件提供700mA至lA的电流，输出电流高达l.2A，利用效率高达95%，在DIM端子上用PWM信号调节LED管的亮度，在LED损坏、断路时能够对电路进行有效可靠的保护[6]。LM3404采用8引脚的小型SO-8和PSOP-8封装，其典型应用电路如图3所示。

图3.LM3404典型应用电路

3.2CAT4016驱动白光LED电路

CAT4016典型应用电路如图4所示。特点是多种串联LED连接，不同通道有不同的电流匹配，CAT4106支持16通道，LED电流范围均为2 mA至100 mA，常应用于广告牌标志、滚动横幅、智能车辆标志和体育计分板等。

图4.CAT4016典型应用电路

3.3 MAX1910/MAX1912电荷泵驱动白光LED的电路

专为驱动LED设计的电荷泵可以把输入电压提升到刚好使LED工作的电平。连接到SET引脚的电阻器网络保证在所有LED中有相同的电流。内部电路使SET端的电压保持在200mV，流经任何LED的电流为I=200/10=20（mA）。MAX1912的输出电流可达60mA，可以同时并联驱动3只以上的LED。采用MAX1910/MAX1912电荷泵驱动白光LED的电路如图5 所示。

图5.MAX1910/MAX1912电荷泵驱动白光LED的电路图

MAX1910/MAX1912内部包括电荷泵和电流控制电路，电荷泵为白光LED提供足够的驱动电压，而电流控制电路通过给每只LED加载同样的电流来确保LED发出均匀的白光。

综上所述，电容降压式LED驱动电路体积小、成本低、电流相对恒定，通常应用在夜光灯、按钮指示灯及一些要求不高的位置指示灯等场合。PWM驱动白光LED电路是通过调整亮、暗的时间比例来调整LED的亮度，通过调整占空比和频率来调光，能适应需要智能调光的场合。LM3404是单片降压型高亮度LED恒流驱动集成电路，适用于新一代大功率高亮度LED组件，工业照明和汽车照明用的较多。CAT4106恒流LED汲入型驱动器，输出电流范围均为2至100mA，常应用于滚动横幅、广告牌和体育计分板等。至于MAX1910/MAX1912电荷泵驱动白光LED的电路，它们可以驱动3只以上的同时并联的LED，最大输出电流可达60mA。非常适合在那些结构紧凑的应用中用做大功率、高效率的辅助电源。

[1]任兵.大功率LED照明驱动电路的研究设计[D].电子科技大学,2011.

[2]张成功.LED背光源驱动及光学设计技术研究[D].中国海洋大学,2009.

[3]杨婧婧;电容降压电路工作原理[J].机床电器,2012.(12):50-51.

[4]田立东.40W可调光LED驱动器的技术研究[D].杭州电子科技大学,2011.

[5]程安宁,王晋,尚相荣.白光LED的PWM驱动方式分析[J].电子设计工程,2010,(2):109-111.

[6]郑德超.汽车灯光集中控制系统的研究[D].大连理工大学，2009.

（责任编校：宫彦军）

2017－01－26

湖南省自科基金项目（项目编号14JJ7079）；湖南科技学院电路与系统重点学科建设项目资助。

贾竹君（1964－），女，湖南永州人，湖南科技学院副教授，硕士，研究方向为电子技术，光电通信。

TN2

A

1673-2219（2017）10-0039-03