中心議題：
- LED連接方式
- 小功率LED 驅(qū)動電路設(shè)計
解決方案：
- 電容降壓電路設(shè)計
- 市電供電的小功率LED 驅(qū)動電路設(shè)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(yīng)用到了普通照明，景觀照明，因此小功率LED 驅(qū)動電源的設(shè)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(qū)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(qū)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(qū)動源應(yīng)為恒電流輸出。因此設(shè)計高效簡單，價格低廉的LED 驅(qū)動源成為當(dāng)前一個研究熱點。本文設(shè)計一種基于恒流二極管的小功率LED 驅(qū)動電路，工頻市電供電，輸出電流恒定。
1 LED 連接方式
在設(shè)計LED 照明系統(tǒng)時，需要考慮選用什么樣的LED 驅(qū)動器，以及LED 的連接方式，只有合理的匹配設(shè)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(dǎo)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(qū)動源輸出電壓要求較大，電流必須恒定在20 mA 以下。當(dāng)其中一個LED 因為品質(zhì)不良斷路后，將會導(dǎo)致整個LED 燈組不亮，這對LED 燈珠的品質(zhì)和焊接工藝要求較高。
多個LED 燈珠全部并聯(lián)，需要驅(qū)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(yán)重缺陷。由于LED 發(fā)光強度與工作電流成正比關(guān)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(dǎo)致LED 發(fā)光亮度不均勻。采用恒流方式驅(qū)動并聯(lián)LED 時，LED 燈珠應(yīng)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(dāng)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(qū)動要求較低等特點。
2 小功率LED 驅(qū)動電路設(shè)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(zhuǎn)換將高電壓的交流電轉(zhuǎn)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(guān)電路，基于IC 的降壓電路，電容降壓電路等幾類?？紤]到驅(qū)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：
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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(fù)載提供的電流I0 實際上就是流過C1的充放電電流IC。當(dāng)負(fù)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(yīng)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(dāng)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(yīng)滿足RLC=(3~5)T/2（RL 為負(fù)載電阻，T 為0.02 s），耐壓值應(yīng)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(yīng)盡量選擇大容量的濾波電容。
2.2 市電供電的小功率LED 驅(qū)動電路
基于恒流二極管的市電供電小功率LED 驅(qū)動電路如圖3 所示：
圖中D5,D6 為恒流二極管，本設(shè)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(chǔ)電子器件。正向恒電流導(dǎo)通，反向截止。輸出的恒電流大，精度高，啟動電壓低。器件按極性接入電路回路中，即可達(dá)到恒流的效果，應(yīng)用簡單，實現(xiàn)了電路理論和電路設(shè)計中的二端恒流源。由于輸出電流大，可以直接驅(qū)動負(fù)載，實現(xiàn)恒定電流電源。在LED、半導(dǎo)體激光器、以及需要恒功率供電驅(qū)動的場合有廣泛應(yīng)用。具有啟始電壓低(3~3.5 V)，恒流電壓范圍廣(25~100 V)，響應(yīng)時間快（tr ＜ 50 ns tf ＜70 ns），負(fù)溫度系數(shù)等優(yōu)良特性。為了提供更大電流可以將多個恒流二極管并聯(lián)使用，并聯(lián)以后輸出電流為各個恒流二極管標(biāo)稱電流之和。由于恒流二極管工作電壓范圍加大，因此即使負(fù)載LED 短路也不會導(dǎo)致整個驅(qū)動電路燒毀，具有很強的電路保護(hù)功能。
小功率LED 正向電壓2.8~3.2 V，最大工作電流為20 mA。LED 亮度L 與正向電流IF 成正比：
，工作電流越大發(fā)光亮度越大，但由于LED 也具有亮度和飽特性，所以LED 正向驅(qū)動電流應(yīng)小于其標(biāo)電流。小功率LED電流達(dá)15 mA 以后，亮度以達(dá)到飽和，如果繼續(xù)增大電流不僅不會提高亮度，還會使LED 的PN 溫度迅速升高導(dǎo)致光衰。
C1 為降壓電容，電容降壓電路輸出電流主要與降壓電容容量和輸出電壓有關(guān)，輸出電壓越高電流越小。理論上驅(qū)動電路輸出電壓可以達(dá)100 V 以上，但考慮到高電壓下濾波電容C2 的體積較大，不易于電路安裝，本文設(shè)計的驅(qū)動電路主要使用50 V和100 V 的濾波電容。雖然電容容值越大驅(qū)動電路輸出電流越大，但降壓電容值太大會降低整個驅(qū)動電路的安全特性與穩(wěn)定性，因此建議降壓電容的容值不要超過3.3 μF。下表1 給出了采用0.68~3.3 μF不同大小降壓電容，驅(qū)動電路在不同電壓下提供的電流以及能夠驅(qū)動的最多LED 數(shù)量。（此表中的數(shù)據(jù)為多次實驗與仿真所得）
表1 C1 容值與輸出電流關(guān)系表
LED 采用交叉陣列方式連接，先將相同個數(shù)LED 并聯(lián)成組，再將各個組串聯(lián)。采用交叉陣列方式，對LED 燈珠一致性要求不高，并且不會因為其中一顆燈珠損毀而導(dǎo)致整個LED 燈熄滅。由于目前LED 白光頻譜成分單一，柔和性較差，為了提高LED 燈整體發(fā)光柔和度，應(yīng)在白光LED 燈中適當(dāng)加入幾顆黃光LED 燈珠。
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3 仿真與實驗分析
3.1 驅(qū)動電路的 Pspice 仿真
為了驗證驅(qū)動電路的可行性，采用pspice 電路仿真軟件對電路進(jìn)行了仿真，圖3 為瞬態(tài)分析時輸出電壓與電流波形。驅(qū)動電路中降壓電容C1 容量為1 μF，濾波電容C2 容量為1000 μF，串聯(lián)一顆2DHL060 恒流二極管（恒定電流60 mA），輸出驅(qū)動28 顆0.06 W 白光LED（采用4*7 交叉連接方式）。從圖可以看出電路在100 ms 時進(jìn)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。驗證了基于恒流二極管的小功率LED 驅(qū)動電路的可行性。
3.2 實驗分析
為了進(jìn)一步驗證了基于恒流二極管的小功率LED 驅(qū)動電路的可行性。制作了驅(qū)動65 顆（5*15方式連接）0.06 W 白光LED 的驅(qū)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(jìn)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(dāng)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(qū)動源的功率因素為 0.47。圖5 為制作的小功率驅(qū)動源實物圖。
4 總結(jié)
本文設(shè)計的基于恒流二極管小功率LED驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、滿足LED 恒流驅(qū)動的要求，經(jīng)過多次實驗驗證本驅(qū)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(qū)動電路功率因素較低，但特別適合低端照明市場應(yīng)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(qū)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(qū)動電路基礎(chǔ)上引入了恒流二極管，保證了驅(qū)動源低壓恒流輸出。
負(fù)載小功率LED 采用交叉陣列方式連接，降低了滅燈率。
