工程師詳解一種高可靠性的LED照明驅動(dòng)電路設計

隨著(zhù)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、節能、壽命長(cháng)、環(huán)保等特點(diǎn)，已成為現今照明技術(shù)的可選方案，并逐漸被應用于照明。促使人們關(guān)注LED 照明技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵因素是，其大大降低了能源的消耗，并可實(shí)現長(cháng)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(lái)人類(lèi)照明領(lǐng)域的第三次革命。

當然，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(dòng)瞬間的電流沖擊，外界的各種浪涌脈沖，以及正常工作時(shí)的電流限制等，本電路綜合了這些因素，從電路設計上盡量避免大電流對 LED 照明燈具的沖擊，并將其工作電流穩定在某一范圍內，解決了目前LED 照明燈具的亮度衰減問(wèn)題從而有效地延長(cháng)其使用壽命。

驅動(dòng)電源

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

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

由于LED是電流隨電壓變化顯著(zhù)的器件， 當LED正向導通時(shí)，其正向電壓的微小變化便可引起LED電流的巨大變化。對于穩壓式LED 驅動(dòng)電源而言，當負載變化時(shí)，電流波動(dòng)較大，LED在大電流下工作較長(cháng)時(shí)間會(huì )損壞。實(shí)驗表明當流經(jīng)LED的實(shí)際電流為其允許的最大電流的70 %時(shí)，LED的發(fā)光效能為最佳。同時(shí)，由于發(fā)光二極管PN 結的電壓溫度系數為- 2 mVP℃左右，當LED 散熱不良導致溫度升高時(shí)，其工作電流也會(huì )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 的驅動(dòng)電流穩定對于LED 的防老化顯得尤為重要。因此，恒流式驅動(dòng)電源是比較理想的LED 驅動(dòng)方式。

通常驅動(dòng)LED 均采用專(zhuān)用恒流源或者驅動(dòng)芯片，當受體積和成本等因素的限制時(shí)，最經(jīng)濟實(shí)用的方法就是采用電容降壓式電源。用它驅動(dòng)小功率LED 具有不怕負載短路、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且一個(gè)電路能驅動(dòng)1~70 個(gè)小功率LED。但是，這種電源電路啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，尤其是頻繁啟動(dòng)，會(huì )給LED造成破壞。當然，采取適當的保護便可避免這種沖擊。

圖1 電容降壓式電源的典型電路

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(gè)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(gè)數(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，其阻值應隨著(zhù)LED個(gè)數的增加適當增加。

需要注意的是，必須根據負載的電流大小選取適當的電容，而不是依據負載的電壓和功率，通常降壓電容C1 的容量C 與負載電流Io 的關(guān)系可近似認為：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(wú)極性電容，而且電容的耐壓值須在630 V以上。保護電路

由于電容降壓電源是一種非隔離式電源，在通電瞬間會(huì )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，從電網(wǎng)系統會(huì )侵入各種浪涌信號，有些浪涌會(huì )導致LED的損壞。而LED抗浪涌電流和抗反向電壓能力都比較差，加強這方面的保護也非常重要，尤其是有些LED燈裝在戶(hù)外，如LED路燈。因此LED驅動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。本電路采用NTC(負溫度系數熱敏電阻) 來(lái)限制電流的突變，利用PTC(正溫度系數熱敏電阻) 自動(dòng)調節電流大小使之趨于某個(gè)特定的變化范圍，同時(shí)在電源輸入端并有TVS(瞬態(tài)電壓抑制器) 以避免電壓過(guò)載。

1 NTC 保護

NTC 是Negative Temperature Coefficient 的縮寫(xiě)，意思是負的溫度系數，泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件，所謂NTC 熱敏電阻器就是負溫度系數熱敏電阻器。限制浪涌電流的最簡(jiǎn)單有效的方法是在線(xiàn)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(dòng)時(shí)，NTC熱敏電阻呈現高阻抗，因而使浪涌電流得到限制。而當電流的熱效應使NTC熱敏元件的溫度升高，NTC阻值急劇下降時(shí)，對系統的電流限制作用會(huì )較小。由于NTC熱敏電阻在熱態(tài)下的阻抗并不是零，故會(huì )產(chǎn)生功率損耗，當然，這種損耗是很小的。

2 PTC 保護

PTC(Positive Temperature CoefflCient)是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數的熱敏電阻現象或材料。為使電路中的電流在正常工作下趨于穩定，本電路還采用了PTC熱敏電阻，如圖1中的R3，電流通過(guò)PTC 熱敏電阻后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當超過(guò)居里點(diǎn)溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電