一種高可靠性LED照明驅(qū)動電路

0 引言

隨著固態(tài)照明工業(yè)領(lǐng)域的興起與不斷改進(jìn)，發(fā)光二極管(LED) 因其具有高效、節(jié)能、壽命長、環(huán)保等特點，已成為現(xiàn)今照明技術(shù)的可選方案，并逐漸被應(yīng)用于照明。促使人們關(guān)注LED 照明技術(shù)的一個關(guān)鍵因素是，其大大降低了能源的消耗，并可實現(xiàn)長期可靠的工作。有理由相信，這種新型的固態(tài)照明，必將帶來人類照明領(lǐng)域的第三次革命。

當(dāng)然，采用LED 照明，首先需要考慮的是其亮度、成本以及壽命。由于影響LED 壽命的主要原因是其頻繁啟動瞬間的電流沖擊，外界的各種浪涌脈沖，以及正常工作時的電流限制等，本電路綜合了這些因素，從電路設(shè)計上盡量避免大電流對LED 照明燈具的沖擊，并將其工作電流穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)，解決了目前LED 照明燈具的亮度衰減問題從而有效地延長其使用壽命。

1 驅(qū)動電源

LED 均采用直流驅(qū)動，因此在市電與LED 之間需要加一個電源適配器即LED 驅(qū)動電源。它的功能是把交流市電轉(zhuǎn)換成適合LED 的直流電。

LED 驅(qū)動電源按其驅(qū)動方式可以分為恒流式和穩(wěn)壓式。恒流式驅(qū)動電路輸出的電流是恒定的，輸出的直流電壓隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負(fù)載阻值小，輸出電壓就低，負(fù)載阻值越大，輸出電壓也就越高。對于穩(wěn)壓電源電路而言，其輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化。

由于LED 是電流隨電壓變化顯著的器件， 當(dāng)LED 正向?qū)〞r，其正向電壓的微小變化便可引起LED 電流的巨大變化。對于穩(wěn)壓式LED 驅(qū)動電源而言，當(dāng)負(fù)載變化時，電流波動較大，LED 在大電流下工作較長時間會損壞。實驗表明當(dāng)流經(jīng)LED 的實際電流為其允許的最大電流的70 %時，LED 的發(fā)光效能為最佳。同時，由于發(fā)光二極管PN 結(jié)的電壓溫度系數(shù)為- 2 mVP℃左右，當(dāng)LED 散熱不良導(dǎo)致溫度升高時，其工作電流也會較初始階段有明顯變化，這也是市面上各種LED 產(chǎn)品快速老化的主要原因。顯然，保證LED 的驅(qū)動電流穩(wěn)定對于LED 的防老化顯得尤為重要。因此，恒流式驅(qū)動電源是比較理想的LED 驅(qū)動方式。

通常驅(qū)動LED 均采用專用恒流源或者驅(qū)動芯片，當(dāng)受體積和成本等因素的限制時，最經(jīng)濟(jì)實用的方法就是采用電容降壓式電源。用它驅(qū)動小功率LED 具有不怕負(fù)載短路、電路簡單等優(yōu)點，而且一個電路能驅(qū)動1~70 個小功率LED.但是，這種電源電路啟動時的電流沖擊，尤其是頻繁啟動，會給LED造成破壞。當(dāng)然，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)便可避免這種沖擊。

電容降壓式電源的典型電路如圖1 所示，C1 為降壓電容器(采用金屬化聚丙烯電容) ,R1 為C1 提供放電回路。電容C1 為整個電路提供恒定的工作電流。電容C2 為電解電容，其耐壓值取決于所串聯(lián)的LED 的個數(shù)(約為其總電壓的1. 5 倍以上) ,它的主要作用是抑制通電瞬間引起的電壓突變，從而降低電壓沖擊對LED 壽命的影響。R4 為電容C2 的泄流電阻，其阻值應(yīng)隨著LED 個數(shù)的增加適當(dāng)增加。

圖1 電容降壓式電源的典型電路

需要注意的是，必須根據(jù)負(fù)載的電流大小選取適當(dāng)?shù)碾娙?，而不是依?jù)負(fù)載的電壓和功率，通常降壓電容C1 的容量C 與負(fù)載電流Io 的關(guān)系可近似認(rèn)為：C = 14. 5 I ,其中C 的容量單位是μF , Io 的單位是A.限流電容必須采用無極性電容，而且電容的耐壓值須在630 V 以上。

2 保護(hù)電路

由于電容降壓電源是一種非隔離式電源，在通電瞬間會產(chǎn)生很大的電流，也就是所謂的浪涌電流。

此外，由于外界環(huán)境的影響如雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌信號，有些浪涌會導(dǎo)致LED 的損壞。而LED 抗浪涌電流和抗反向電壓能力都比較差，加強這方面的保護(hù)也非常重要，尤其是有些LED燈裝在戶外，如LED 路燈。因此LED 驅(qū)動電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED 不被損壞的能力。本電路采用NTC(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻) 來限制電流的突變，利用PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻) 自動調(diào)節(jié)電流大小使之趨于某個特定的變化范圍，同時在電源輸入端并有TVS(瞬態(tài)電壓抑制器) 以避免電壓過載。

2. 1 NTC 保護(hù)

NTC 是Negative Temperature Coefficient 的縮寫，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，所謂NTC 熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。限制浪涌電流的最簡單有效的方法是在線路輸入端串聯(lián)一只NTC 熱敏電阻，如圖1中的R2.由于在冷啟動時，NTC 熱敏電阻呈現(xiàn)高阻抗，因而使浪涌電流得到限制。而當(dāng)電流的熱效應(yīng)使NTC 熱敏元件的溫度升高，NTC 阻值急劇下降時，對系統(tǒng)的電流限制作用會較小。由于NTC 熱敏電阻在熱態(tài)下的阻抗并不是零，故會產(chǎn)生功率損耗，當(dāng)然，這種損耗是很小的。

2. 2 PTC 保護(hù)

PTC(Positive Temperature CoefflCient) 是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料。為使電路中的電流在正常工作下趨于穩(wěn)定，本電路還采用了PTC 熱敏電阻，如圖1 中的R3.電流通過PTC 熱敏電阻后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當(dāng)超過居里點溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導(dǎo)致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復(fù)始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能。

PTC 元件串接在電路中，正常情況下，呈低阻狀態(tài)，保證電路正常工作;當(dāng)電路發(fā)生短路或竄入異常大電流時，PTC 元件的自熱使其阻抗增加把電流限制到足夠小，起到過電流保護(hù)作用。當(dāng)產(chǎn)生過電流的故障得到排除， PTC 元件自動復(fù)原到低阻狀態(tài)。

既避免了維護(hù)更換，也避免了可能引起電路損壞的持續(xù)循環(huán)的開閉狀態(tài)。

2. 3 TVS 保護(hù)

瞬態(tài)電壓抑制器( Transient Voltage Suppressor) ,簡稱TVS ,是在穩(wěn)壓管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效保護(hù)器件，主要用于對電路元件進(jìn)行快速過壓保護(hù)。

當(dāng)TVS 管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10~12 秒量級的速度將兩極間的高阻抗變?yōu)楹艿偷淖杩?，吸收高能量的浪涌，將兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，保護(hù)電子線路中的元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊而損壞。

對于過壓保護(hù)這一方面，本電路就是在電源輸入端并聯(lián)了TVS ,如圖1 中的D2 ,這樣可以將電壓維持在TVS 最大承受范圍之內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)電壓高于TVS擊穿點的過壓的現(xiàn)象時，可以讓電流流經(jīng)TVS ,藉此保護(hù)LED 照明燈具。

3 結(jié)論

實驗表明，將指針萬用表串入電路后，在電路通電瞬間，指針突然偏轉(zhuǎn)大角度的現(xiàn)象得到明顯的改善，有效地防止了浪涌電流對LED 的沖擊。同時，啟動一段時間后，電流有所下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。用1W的金屬膜電阻或繞線電阻代替NTC 也可達(dá)到要求，過壓保護(hù)選用TVS 或者壓敏電阻均可。在線路板設(shè)計方面，需要注意的是，高壓輸入部分(即電源輸入端到整流橋部分) 應(yīng)盡量遠(yuǎn)離后面的負(fù)載電路，而且在允許的情況下，高壓輸入部分導(dǎo)線間的距離應(yīng)保證在1 mm 以上。基于這些方面的考慮，設(shè)計了如圖2 所示LED 照明燈具，此照明模塊已經(jīng)連續(xù)工作了4 年左右，亮度未見有所衰減，而且未經(jīng)任何維護(hù)。此電路易于推廣、普及，可廣泛應(yīng)用于公共照明、走廊、倉庫等，極具商業(yè)化前景。

圖2 　LED 照明燈具