LED驱动技术解析

2万 · 2014-8-19 23:33

1.1 直流型驱动

恒压驱动

恒压驱动时，LED 两端电压保持基本恒定，但由于电压中存在纹波，使得 LED 电流随着电压的波动而波动。根据 LED 的伏安特性，微小的电压波动会引起 LED 电流的较大波动。另外，由于 LED 负温度效应的影响，电流波动有可能造成结温和电流的恶性循环，严重时甚至烧毁LED。因此，LED 采用恒压驱动时，对驱动电源的恒压精度要求较高。

虽然恒压驱动对LED性能的影响较大，但是在电源技术的发展过程中，恒压技术相对恒流技术要成熟得多，而且在一些要求不高的场合可以通过简单而又经济的方法实现恒压（如采用稳压芯片 TL431），所以在一些低端 LED驱动电源中仍然有少量应用。

限流驱动

限流驱动是指将 LED 电流限制在设定范围以内的驱动方式。根据限流的实现方式，又可将其分为阻抗限流、饱和限流和分流限流。

阻抗限流通过在电流主回路中串入远大于LED 负载等效阻抗的大阻抗，减小外界干扰对LED 负载电流的影响，从而达到限流的目的。限流效果主要取决于串联阻抗的大小。该驱动方式结构简单，成本很低，但驱动性能不理想，特别是单纯采用电阻限流方案时，电阻上的大功耗使整机效率很低，只在小功率 LED 场合有少量应用。

有些元器件如 MOS 管、稳流二极管等，当满足一定条件时即进入饱和状态，随着输出端电压上升，电流几乎不变，将其与 LED 串联，可以限制流过 LED 的电流，即饱和限流。上述驱动方式可以达到较好的驱动性能，但由于过分依赖于元器件特性，而实际中同类元器件间的差异较大，较难大规模推广应用。

2万 · 2014-8-19 23:33

分流限流是指当 LED 电流超过预先设定的限定值时，辅助电路将接通，将超过的电流分流，从而使流过 LED 的电流基本保持不变，达到限流的目的。其典型电路有如下两种：如图（a）的分流支路与 LED 并联，如图（b）的分流支路与 LED 串联。其他的分流限流电路都可以看成是上述两种典型电路的演变电路。图（a）中 R1 与 LED 负载串联，电流正常时，LED负载流过全部回路电流;当电流超过设定的限定值时，R1 上的电压上升，T 触发导通，使过量的电流经 R2 和 T 分流，从而维持 LED 电流在设定范围以内，图中 T 可以是半导体三极管、IC、半导体可控硅中的一种或多种组合。图 4（b）的整体电路与 LED 负载串联实现限流，电流正常时，Q 2 截止，Q 1 工作在饱和状态，电流经 Q 1、R1 流向 LED;当电流超过限定值时，R1 两端电压升高，使 Q 2 导通，Q 1 逐渐退出饱和，两端电压升高，从而调节 LED负载电压，并将多余的能量消耗在限流电路中，达到限流目的。

2万 · 2014-8-19 23:33

由于分流限流电路结构简单，成本低，可靠性高，在中小功率场合的应用较广泛，同时还可利用它来抑制和吸收电路中短暂的过饱和电流;但其串联在负载回路中的元件损耗较大，电路效率较低。

恒流驱动

恒流驱动是指保持流过 LED 的电流恒定的驱动方式，当外界干扰使得电流增大或减小时，LED 电流都可以在恒流电路的调节作用下回到预设值。由于 LED 具有非线性 I-V 特性，小电压波动将引起电流的大波动，因此，采用恒流驱动 LED 可以达到较好的性能。

根据主功率器件的工作状态，可将恒流驱动分为线性恒流和开关恒流。

2万 · 2014-8-19 23:34

在线性恒流电路中，主功率器件与 LED 负载串联，且工作在线性放大区，其典型电路图如图（a）所示。图中主功率器件为 NMOS管 Q 1，工作在线性放大区，由门极电压调节漏源极间电压，从而相应调节 LED 上的电压电流。图中 Q 1 漏极与 LED 负载相连，电阻 R1 串联在主回路中，用于负载电流反馈，运算放大器 A的反相输入端接电流反馈信号，正相输入端与预先设定的参考电压 V ref 相连，运算后得到相应的 Q 1 门极控制信号，控制电阻 R1 上的电压恒定，即保持了 LED 负载电流恒定。
另一种典型的线性恒流电路是镜像恒流电路，如图（b）所示，主功率管 Q 2 也工作在线性放大区，该方式需先由恒流电路产生源电流，再通过镜像电路传递到负载，使负载电流保持恒定。
线性恒流稳流效果好，电路成本较低，且EMI 小，在中小功率场合应用较广泛，但由于串联在电路主回路中的功率管工作在线性放大区，输出端电压较高，功率管上的损耗较大，加上采样电阻上的能耗，电路效率不高，因此在大功率场合应用较少。
与线性恒流不同，开关恒流中主功率管不直接与 LED 串联，工作在高速开关状态，它主要利用目前较成熟的开关电源技术，通过采集LED 回路的电流信号，反馈控制功率管的开关状态，使输出电流保持恒定。由于目前 LED照明功率不高，在五百瓦以内，所以开关恒流DC/DC 环节采用的电路拓扑主要有 Buck 、Boost、Flyback、Forward 和半桥（LLC）等电路。

2万 · 2014-8-19 23:34

关恒流稳流效果好，电路效率高，适用于大功率 LED 照明场合;但由于其电路结构较复杂，成本高，且 EMI 大，在中小功率场合应用较少。
脉冲驱动
由于塑造电压波形比电流波形更容易，所以脉冲驱动一般是电压型脉冲驱动，即 LED 负载两端的电压是脉冲式的，在一个周期脉冲内，LED 点亮一段时间，熄灭一段时间，但由于人眼存在“视觉暂留”效应，当脉冲频率足够大，如 100Hz 时，人眼会感觉 LED 一直处于“亮”状态，所以 LED 依然可以“连续”发光。
脉冲驱动的最基本驱动波形为方波，但为了提高 LED 的瞬态响应性能，可采用如图（a）的上下沿尖峰脉冲，如图（b）的为提高脉冲驱动发光效率的双电平波形和如图（c）的综合上述两个优势的多电平波形。

2万 · 2014-8-19 23:34

与其他直流驱动方式相比，脉冲驱动在调光性能方面具有显著优势，它可以在保持 LED电压脉冲幅值基本不变情况下，通过调节脉冲占空比实现光输出调节，调光性能灵活，同时 LED 峰值波长基本不漂移，颜色稳定性好;而其他直流驱动方式在调光时都需改变 LED 电流和电压幅值，会使 LED 峰值波长漂移，色温改变，严重时白光会变成发黄或发灰的白光。

2万 · 2014-8-19 23:34

但在发光效率方面，脉冲驱动的流明效率较恒流或小波动电流驱动时更低，在驱动电流平均值相等的条件下，高占空比时发光效率与恒流相差不大，但随着占空比减小，发光效率下降较大，在脉冲关断时间内给让 LED 承受一定的反向偏置电压，可以提高发光效率和LED 的耐用性。
由于发光效率较低，驱动性能不如恒流驱动，所以目前 LED 脉冲驱动的实际应用较少。
1.2 交流型驱动
交流 LED 可以简单等效为将两个或两个以上 LED 按一定的规律反向并联的电路，如下图所示。

2万 · 2014-8-19 23:34

在此，将LED 驱动分为直流驱动和交流驱动两种形式，并分析直流驱动中的恒压型、限流型、恒流型和脉冲型驱动方式及其优缺点，为选择合适的LED驱动方式提供参考。

2万 · 2014-8-19 23:34

交流 LED 可以简单等效为将两个或两个以上 LED 按一定的规律反向并联的电路，如图所示。
交流型驱动电路结构简单，若 LED 的额定参数与电源参数匹配，可直接串接在交流电源上工作，如市电;为了减小负载电流随正弦输入电压而造成的巨大波动，可在回路中再加上一个电阻、电容或两者组合起来的大阻抗限流元件;在调光应用场合，可以通过控制工作的 LED 数量或外加交流 LED 导通调节控制实现调光。
与传统的 LED 直流驱动相比，在市电供电的应用场合，交流驱动有较大优势。它可以不需要整流、变压、变流等能量变换环节，降低了电能损耗，因此具有使用方便、成本低和效率高等优势。
但是上述交流驱动只是简单地利用交流市电驱动，还有许多问题有待解决。要使 LED 导通，需要一定的电压，即门槛电压，当多个 LED串联时，该门槛电压比较高，而电压按正弦变化。因此，如图所示，在一个周期内，LED在一定的时间内都不导通，使 LED 的利用率降。还有一种应用两相电压驱动的方法，通过控制两相电压的电位差控制 LED 的点亮时程。但 LED 两端电压按正弦波变化，致使 LED 电流波动较大，而 LED 的光输出波长与电流密切相关，LED 转换为白光的效率降低了，浪费了大量的光能。