大功率LED高频驱动电路工作原理与设计方案.docx

大功率LED高频驱动电路的工作原理与设计方案 摘 要： 由于白光LED具有低成本、长寿命和小体积的特性， 被迅速应用到了照明和背光等领域， 其驱动电路也层出不穷， 但大多数驱动源都没有解决效率不高， LED发光亮度不一致， 发热量大等问题。该文提出了一种基于恒流二极管的大功率LED 高频驱动方案， 以带可控端的2THL系列恒流二极管为驱动元件， 通过在控制端输入高频脉冲小信号控制恒流二极管通断， 从而实现高频恒流驱动大功率LED这一目的。调节脉冲信号占空比即可实现LED调光。该文设计的驱动电路不仅能够保证LED 持续、稳定、高效地工作， 在一定程度上减小了LED 芯片发热量， 提高了LED 灯具使用寿命， 并且对输入电源要求不高， 整体可以节能40% 左右。 近几年来随着白光LED, 特别是大功率白光LED的出现， LED 作为一种新型绿色照明光源具有体积小、机械强度大、功耗低、寿命长， 便于调节和控制以及无污染等特征， 目前被应用到了汽车灯、交通灯、背光和照明等领域。由于LED具有工作电压低， 电流随电压指数增加等特点， 传统电源一般都不能直接给LED供电。LED驱动器应具有直流控制、高效率、调光、过压保护、负载断开、小型及简易使用等特点。笔者设计大功率LED 驱动电路是基于2THL 系列恒流二极管的恒电流驱动方式。通过引入高频控制信号缩短单位时间内的通电时间以减小LED 芯片发热量， 提高LED发光效率。 1 LED工作特性 目前市面上的大功率LED单颗功率从1W 到几百瓦不等， 由于1W 以上大功率LED 大多是以1WLED管芯为基础封装成的， 在此主要介绍一下1 WLED的工作特性。 （ a） 1W 白光LED工作特性曲线?? （ b） LED发光强度与电流关系曲线??? （ c） LED电流与工作温度关系曲线 图1 1W 高亮度LED特性曲线 图1（ a）为1W 高亮度LED 正向压降（ VF ）和正向电流（ IF ）的关系曲线。由曲线可知当正向电压超过某个阈值（约2 V ）时即LED导通后， 在一定电压范围内LED的电流是成指数上升的。VF 的微小变化会引IF 有较大的变化， 从而引起亮度的较大变化。另外LED的PN结是负温度系数的， 随着温度升高LED 的势垒电势降低。若采用恒压驱动方式就不能保证LED亮度一致性， 同时还会影??LED 的可靠性、寿命和光衰。因此目前绝大部分LED驱动都采用恒流的方式。 从图1（ b） （ c）可以看出LED 亮度L 与正向电流IF 成正比： L = K ImF （K 为比例系数）。LED 具有亮度饱合特性， 所以LED正向驱动电流应小于其标称电流。 另外， 亮度还与环境温度有关， 环境温度升高PN 结复合率ηc 下降， 亮度降低。随着LED 持续点亮PN 温度会迅速升高， 导致LED 发光强度迅速降低产生光衰， 当温度上升到一定高度后LED的PN 结会很快烧坏。因此在设计LED驱动源时除了要保证LED 恒流驱动外， 还要考虑减小LED发热量。 2 恒流二极管 恒电流二极管是一种硅材料制造的基础电子器件。正向恒电流导通， 反向截止， 输出恒电流。器件按极性接入电路回路中， 回路即可达到恒流的效果，应用简单， 实现了电路理论和电路设计中的二端恒流源。本驱动电路中使用的为博越公司的2THL系列恒流二极管， 具有如下特性： ? 　　1） 输出恒定电流1~ 300mA; 　　2） 恒定电流的启始电压低（ 3~ 3. 5 V） ; 　　3） 恒流电压范围大（ 25~ 100 V ） ; 　　4） 在恒流电压范围内， 电流相对变化10%; 　　5） 动态电阻4 k ~ 160 k; 　　6） 响应时间快（ tr 50 ns, tf 70 ns） ; 　　7） 极限使用电压20~ 100 V。 ? 2THL系列恒流二极管带有一个控制端， 可以用来调节输出电流。图2为2THL系列恒流二极管输出特性曲线。 图2 2THL系列恒流二极管特性曲线 3 高频LED驱动电路 基于半导体恒流二极管的高频大功率LED 驱动电路的结构图如图3 所示。其中Q1 为2THLXXX 系列恒流二极管， LD1 为LED, D1 为普通二极管（ 锗管）。VCC 为直流电源， D1负极输入为高频脉冲。电路工作原理是当普通二极管D1 反向端为低电平时，2THL恒流二极管关断， LED熄灭； 当普通二极管反向端为高电平时， 恒流二极管导通输出一个大电流，LED点亮。由于人眼视觉障碍， 感觉不到LED 亮度变化。通过调整脉冲的占空比即可调节LED 亮度。 图3 高频大功率LED驱动电路结构图 驱动1W 以上LED 时一般采用2THL300恒流二极管， 输出电流为300~ 350mA, 最大使用电压为20~4