一种线性恒流的LED驱动电路设计

LED是冷光源，工作电压低、光效高，被认为是21世纪照明的新光源。然而，目前LED照明设备投有得到普及应用的关键问题有两个，一是价格偏高；二是控制电路不稳定导致LED寿命大大降低。据统计，目前LED白光照明灯具出现的失效故障，70％左右是电源问题，20％左右是线路和结构问题，只有不到10％是LED单管的本身质量问题，所以电源管理方案的选择对于节能而言也举足轻重，这就要求在驱动电路设计中选择最合适的AC-DC驱动器。因此可靠、低成本的控制电路是LED照明推广普及的前提。
    由LED的电学特性可知，LED的平均正向电流随着正向电压的增大呈现大幅度的线性增长，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，且电流对LED结温影响很大，过大的电流很容易导致LED灯珠结温升高而损坏。此外，由LED的光学特性可知随着正向电流的增加，LED光通量随之增大，即亮度增加。因此为了保持LED发光亮度的恒定，就要保证LED正向电流的稳定。因此设计合理的驱动电源对于LED照明灯具就显得十分重要。
    本文提出了一种LED线性恒流驱动电路，该电路具有成本低、结构简单、效率高、体积小等特点，很适合做室内照明LED灯具(如LED日光灯)的驱动电源。

1 LED线性恒流驱动电路
    LED灯在使用时需要多颗灯珠串联或者并联起来才能工作，采用并联方式驱动多只LED虽然所需的电压较低，但由于每只LED的正向压降不同，使得每只LED的亮度不同，除非采用单独的调节的方式来保证每只LED有相同的亮度。所以并联方式要保证亮度均匀一致，实现起来比较复杂。而采用串联方式能够保证流过每只LED的电流相同，亮度一致，是目前常用的结构。
    当采用串联型的驱动方式时，如果其中一个或几个LED发生故障而断路(短路对电路影响较小可忽略)，会使电路发生断路而不能正常工作。为了避免此缺陷，可在每个LED两端反向并联一个稳压管(如图l所示)，当某个LED灯珠发生断路时，其并联的稳压管投人工作，保证了串联灯珠电流不变。要注意的是，稳压管的稳压值要比LED的导通电压要高，否则并联的稳压管会分流掉一部分电流而使LED将变暗甚至不亮。

    本文采用串联驱动方式，其LED线性恒流控制电路如图2所示。

    图中，Vz1、Vz2、VQ1、VQ2、R1、R2构成线性恒流源，它保证了流过每只白光LED的电流相同，得到均匀的亮度。LED驱动电源采用市电直接整流滤波，得到控制LED的直流工作电压，无需升压或降压处理，故电源驱动电路简洁，且电源效率高。所使用的LED是高亮度的白光LED(工作电压范围为：3．0～3．2V)，利用94个LED灯珠组成LED日光灯。
    下面，进行线性恒流源电路的工作原理分析，电路采用互补型两端恒流源结构，如图3所示。

    晶体管VQ1，稳压管Vz1和R1构成一个恒流源，此恒流源给稳压管Z2提供稳定的工作电流，而晶体管VQ2，稳压管Vz2和R2构成另一个恒流源共给稳压管Vz1稳定的工作电流。由于两个恒流源互相稳定对方的稳压管工作点，使稳定电压Vz1和Vz2以及流过该恒流单元的总电流均不再变化，因此可以保证流过LED的工作电流的恒定。
    图中各电流与电压之间关系如下：
   
    流经LED的工作总电流，ILED为：
   
    我们采用的LED灯珠是0．06 W的LED，工作电流为20mA，为了设计方便，选用的电路元器件是完全对称的，参数分别为：
   
    恒流源电路提供工作电流为20mA，满足所用灯珠要求。

2 测试实验结果及分析
    测试接线如图2所示，通过调节自耦变压器改变电压以模拟电网电压的变化。通过模拟电网电压的波动，测试此恒流控制电路在实际电网中的工作特性，观察LED的工作电流是否会随着外部电压的波动而发生大的波动，并对此电路在不同电压下的效率和LED的结温进行了实际的测试。
2．1 LED正向电流随输入电压变化的特性
    图4是LED灯珠串工作电流与电源电压关系曲线。

    当电源电压Ui从220V增大到250V时，整流后的直流电压由310 V变为350 V，而LED灯珠串的工作电流，If从20mA变化到21．5 mA，只变化了1．5 mA。因此可以看出，电路有很好的恒流效果，保证了LED目光灯亮度的基本稳定。
2．2 输入电压变化对驱动电路参数的影响
    图5、图6是随着输入电压变化，加在LED工作电路上的直流电压与加在LED灯珠串上的电压及恒流源承担电压的变化情况。从图5、图6可以看到，输入电压经整流后，形成的直流电压由LED灯珠串与线性恒流源分压，LED灯珠串上的分压越多，表明输入电压的效率越高，因此通过图6的分析，可看出本LED驱动电路的电源效率较高。

    从图5可以看出，当电源输入电压在200～220 V区间时，通过整流滤波后的直流电压Ui(DC)大部分都加载在LED的两端，而恒流控制电路分压较小；从图6也可以看出电源输入电压小于或等于220 V，电源效率较高，220 V时可达到98．31％。
    当电源输入电压Ui(AC)高于220 V时，随着输入电压增加，LED两端的电压U(led)基本不变(291 V左右)，输入电压增加的部分基本上由恒流控制电路的电压U(恒)承担，这保证了单个LED的正向电压基本不变(3．1 V)，处于恒功率工作状态，电流及发光量维持了稳定。
2．3 输入电压变化对LED结温的影响
    LED的光衰与结温有很大关系，当结温升高时正向电压下降，结电压下降导致电流增大，增大的电流反过来又引起结电压下降，形成一个恶性循环。结温是光衰的一个重要原因，结温越高越早出现光衰，寿命越短。因此结温的变化也是考察一个驱动电路的重要指标，这里采用了文献的方法测量结温：
   
    其中，Tj(LED)是LED结温，TO是测试的环境温度(20℃)，VO是LED的初始正向电压，VT是LED的热平衡后的正向电压(1小时后测定)，K是LED的温度系数(-2mV／℃)，具体测量是改变输入电压，在不同输入电压下，先让LED灯充分冷却，测量LED两端总电压，该电压为U(led 初)，过1个小时，在相同输入电压的条件下再次测量LED总电压，该电压为U(led 末)，将U(led 初)除总LED个数即可得到单个LED的初始正向电压VT，将U(led 末)除总LED个数即可得到单个LED的热平衡后的正向电压VO，带入公式(2)求得LED的结温，实验结果如图7、图8所示。

    从图7、图8可以看出，电源输入电压Ui(AC)不同，但LED两端的电压基本保持不变，过一个小时其电压变化量也很小，且在这个时间段内结温低低，单个LED的结温基本不变或微小变化，所以此恒流源控制电路能保证LED的结温基本稳定且较小，可以减少光衰，有效提高LED日光灯的使用寿命。

3 结论
    本文给出的电路结构简单可靠，创新之处在于把互补恒流电路应用LED的恒流驱动电路中，实验结果表明，该电路在输入200～250 V变化的情况下，驱动电流变化仅为1．5 mA，LED结温低于37℃。这是影响LED灯珠工作最突出的两个关键参数，表明该电路能够为LED提供一个良好的工作条件。此外，实验结果表明该电路在正常市电供电情况下(220 V)有很高的电源效率。该电路已用在1．2 m LED日光灯管上，使用效果良好，在设计过程中应该注意根据具体电路的工作电流来进行电路参数的匹配。