基于恒流二極管的小功率LED驅動電路設計

中心議題：

• LED連接方式
• 小功率LED 驅動電路設計

解決方案：

• 電容降壓電路設計
• 市電供電的小功率LED 驅動電路設計

由于小功率白光LED 價格低廉，發(fā)熱量小，光效高等特點，被大范圍的應用到了普通照明，景觀照明，因此小功率LED 驅動電源的設計和性能上的提高也就有了迫切的需求。LED 照明燈通常采用市電供電，由于LED 工作電壓低，電流小等特點，用市電驅動LED 要解決降壓和整流問題，還要有比較高的效率，較小的體積和較低成本。LED 是電流驅動器件，其亮度與正向電流成正比，為了保證LED 發(fā)光高效均勻、LED 驅動源應為恒電流輸出。因此設計高效簡單，價格低廉的LED 驅動源成為當前一個研究熱點。本文設計一種基于恒流二極管的小功率LED 驅動電路，工頻市電供電，輸出電流恒定。

1 LED 連接方式

在設計LED 照明系統(tǒng)時，需要考慮選用什么樣的LED 驅動器，以及LED 的連接方式，只有合理的匹配設計，才能保證LED 正常工作。小功率白光LED 的正向電壓范圍一般為2.8~4 V，工作電流為15~20 mA。照明用的LED 燈一般是多個這樣的小功率LED 通過串并聯(lián)方式組合在一起的，這些LED 通常需要匹配以產(chǎn)生均勻的亮度。另外還需要采用合理的方式將這些LED 連接在一起，不能因為其中一顆LED 燈珠損壞而導致整個LED 燈組不能工作。

將多個同型號的LED 串接在一起，流過每個LED 的電流相等。LED 一致性較差時，雖然不同LED 燈珠正向電壓不同，但流過每個LED 的電流相等，每個LED 燈珠的亮度將會一致。LED 串聯(lián)連接驅動源輸出電壓要求較大，電流必須恒定在20 mA 以下。當其中一個LED 因為品質不良斷路后，將會導致整個LED 燈組不亮，這對LED 燈珠的品質和焊接工藝要求較高。

多個LED 燈珠全部并聯(lián)，需要驅動器輸出較大的電流，輸出電壓在3 V 左右。并聯(lián)連接方式可以避免一個LED 燒壞后整個燈組熄滅這一嚴重缺陷。由于LED 發(fā)光強度與工作電流成正比關系，LED 燈珠之間參數(shù)存在一定差異，流過每個LED燈珠的電流不一致，直接導致LED 發(fā)光亮度不均勻。采用恒流方式驅動并聯(lián)LED 時，LED 燈珠應盡量多的并聯(lián)，防止因為其中幾顆LED 燒壞，致使流過其他LED 的電流增加而燒壞。

為了提高可靠性、發(fā)光均勻性，提出了交叉陣列連接方式，圖1 為LED 交叉陣列連接方式圖。

從圖中可以看出當其中個別LED 短路或斷路，也不會引起整個燈組熄滅。這種交叉陣列連接方式具有線路簡單，亮度穩(wěn)定，可靠性高，對驅動要求較低等特點。

2 小功率LED 驅動電路設計

2.1 電容降壓電路
LED 采用交流市電供電時，必須經(jīng)過AC/DC以及DC/DC 轉換將高電壓的交流電轉換為低壓直流電，目前降壓電路主要有工頻變壓器線性降壓電路，高頻開關電路，基于IC 的降壓電路，電容降壓電路等幾類?？紤]到驅動電源的體積與成本，本文采用電容式降壓電路。圖2 為電容降壓電路：

圖2 中無極性降壓電容C1 的充放電電流為IC=2πfCU0 （U0 為交流電壓，f 為交流頻率），降壓電容C1 向負載提供的電流I0 實際上就是流過C1的充放電電流IC。當負載電流小于的充放電電流時 ,多余的電流就會流過濾波電容C2。若U0=220 V，f=50 Hz 則IC=69C（IC 的單位為mA，C 的單位為μF）。為了能夠保證降壓電容安全可靠工作，其耐壓值應大于2 倍市電電壓，因此降壓電容宜選用耐壓值630 V 的獨石電容。R1 為1 MΩ 放電電阻，當電路斷電C1 通過R1 快速放電，D1—D4 為IN4007組成的全波整流橋。為了獲得較好的濾波效果，選擇的濾波電容的容量應滿足RLC=(3~5)T/2（RL 為負載電阻，T 為0.02 s），耐壓值應大于1.1 2 U0（U0為電容降壓電路輸出電壓）。原則上，電容值取的越大，輸出電壓越平滑其紋波值越小。但是隨著電容容量的增大，一般其體積也隨之增大，在考慮電路板面積的情況下，應盡量選擇大容量的濾波電容。

2.2 市電供電的小功率LED 驅動電路
基于恒流二極管的市電供電小功率LED 驅動電路如圖3 所示：

圖中D5,D6 為恒流二極管，本設計采用的恒流二極管為貴州博越公司的2DHL 系列。2DHL 系列恒電流二極管是一種硅材料制造的基礎電子器件。

從圖可以看出電路在100 ms 時進入穩(wěn)定狀態(tài) ,穩(wěn)定后其輸出電壓為25V 輸出電流恒定為60 mA?；掘炞C了基于恒流二極管的小功率LED 驅動電路的可行性。

3.2 實驗分析
為了進一步驗證了基于恒流二極管的小功率LED 驅動電路的可行性。制作了驅動65 顆（5*15方式連接）0.06 W 白光LED 的驅動源，其中降壓電容C1 為1.5 μF，濾波電容C2 為1000 μF，恒流二極管為兩顆2DHL040 并聯(lián)，并利用萬用表對電流電壓進行測量。實際測得輸入電壓在196~248 V范圍內(nèi)輸出電流恒定為80 mA，相當于流過每個LED 電流為 16 mA。在219 V 輸入電壓條件下，整個電路消耗的功率為 7.1 W ，則驅動源的功率因素為 0.47。圖5 為制作的小功率驅動源實物圖。

4 總結

本文設計的基于恒流二極管小功率LED驅動電路結構簡單、成本低廉、滿足LED 恒流驅動的要求，經(jīng)過多次實驗驗證本驅動電路可靠性很高。通過改變降壓電容可適合用作多種 LED 燈具電源。

雖然驅動電路功率因素較低，但特別適合低端照明市場應用。LED 相比傳統(tǒng)光源發(fā)光效率高，小功率LED 燈發(fā)光亮度即可與大功率的日光燈媲美，因此采用本驅動源的LED 燈整體上還是節(jié)能的。

主要創(chuàng)新點：在傳統(tǒng)電容降壓驅動電路基礎上引入了恒流二極管，保證了驅動源低壓恒流輸出。

負載小功率LED 采用交叉陣列方式連接，降低了滅燈率。