1 引言
照明現在基本都普及了LED。為此,必須了解LED的使用條件、工作原理、驅動方法和典型應用,才能讓LED照明的應用最大化。
2 LED工作原理
要設計驅動電路,首先要掌握其工作原理。LED的亮度主要與VF、IF有關。LED的伏安特性見圖1,其中VF是LED的正向壓降、IF是正向電 流。當正向電壓超過閾值(即導通電壓,如圖約1.7V)時,可近似認為IF與VF成正比。由圖可知,LED的最高IF可達1A,而VF通常為2 V~4V。

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圖1 LED的VF與IF 的關系
LED的正向壓降變化范圍比較大(可達1V以上),而由上圖中的VF-IF曲線可知,VF的微小變化會引起IF較大的變化,從而引起亮度的較大變 化。所以,通常LED的發光特性都用電流的函數來描述,而不是電壓的函數。但一般的整流電路的輸出電壓隨著電網電壓的波動也會變化,由此可知,采用恒壓源 驅動不能保證LED亮度的一致性,并且影響LED的特性。因此,LED驅動通常采用恒流源驅動。
3 LED驅動技術
由LED的工作原理知道,要使LED保持最佳的亮度狀態,需要恒流源來驅動。驅動的任務既要保持恒流特性,還要保持較低的功耗。為了滿足以上要求,通常采用的控制電流的方法有:通過調節限流電阻的大小實現控制電流;通過調節限流電阻上的基準電壓來調節電流;PWM調制實現電流控制。LED的驅動技術與開關電源中應用的技術十分類似,LED驅動電路是一種電源轉換電路,但輸出的是恒定電流而非恒定電壓。無論在任何情況下,都要輸出恒定而平均的電流,紋波電流要控制在一定的范圍內。
⑴ 限流法
如圖2所示,這是傳統的電路。電網電壓通過降壓、整流、濾波后,通過電阻限流使LED穩定工作。這種電路的致命缺點是:電阻R上的功耗直接影響了 系統的效率,再加上變壓器損耗,系統效率約50%。當電源電壓在±10%的范圍內變動時,流過LED的電流變化將≥25%,LED上的功率變化超過 30%。電阻限流的優點是設計簡單、成本低、無電磁干擾;但是電流會隨著VF的變化而改變亮度,效率很低,散熱難。

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圖2 限流法
?、啤》€壓法
圖3是在圖2的基礎上加了一個集成穩壓元件MC7809,使輸出端的電壓基本穩定在9V,限流電阻R可用得很小,不會 造成LED的電壓不穩。但是,此電路效率還是低。因為MC7809和R1上的壓降仍占很大比例,其效率約為40%左右。這就稱不上是節能照明產品。為了達 到既能使LED穩定工作,又能保持高的效率,應采用低功耗的限流元件和電路來使系統效率提高。線形穩壓法的優點是結構簡單、外部元件少、效率中等、成本較低。

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圖3 穩壓法
?、恰WM法
PWM脈寬調制,即用脈寬調制的方法,改變LED驅動電流的脈沖占空比來控制光的亮度。是利用簡單的數字脈沖,反復開 關LED驅動器的調光技術。使用者只需提供寬、窄不同的數字脈沖,即可實現改變輸出電流,從而調節白光LED的亮度。此驅動電路的特點是,通過一個電感器 將能量傳遞給負載,通常是用一個PWM控制信號,對MOSFET晶體管觸發導通和關斷來實現。通過改變PWM的占空比和電感器的充放電時間,對輸入電壓和 輸出電壓的比率進行調節。這類電路常見的結構包括降壓、升壓、降壓-升壓等類型。優點是高效、穩定,但容易產生人耳聽得見的噪聲,成本高,設計復雜。

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圖4 PWM法
圖4的PWM信號,經過三極管VQ1的基極連接到P溝道MOS管的柵極上。P溝道MOS管的柵極驅動,采用簡單的NPN三極管驅動放大電路,以改 善MOS管的導通過程,減少驅動電源的功率。當驅動電路直接驅動MOS管時,會引起被驅動MOS管的快速開通和關斷,這就可能造成被驅動MOS管漏源極間 電壓的振蕩。一則引起射頻干 擾,二則有可能造成MOS管遭受過高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問題,需在被驅動MOS管的柵極與驅動電路的輸出之間串聯一只無感電阻。當PWM波輸出 高電平時,三極管VQ1導通,從而使MOS管的柵極電壓低于源極電壓,MOS管的源極和漏極導通,LED點亮。當PWM波輸出低電平時,VQ1截 止,LED熄滅。