【導(dǎo)讀】目前LED大多用直流驅(qū)動，因此在市電與LED燈珠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。本文介紹了一種簡易可靠的LED照明驅(qū)動電路設(shè)計，同時詳解了內(nèi)部的各種電路保護設(shè)計。
一、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載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)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(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-2mVP℃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便可避免這種沖擊。
電容降壓式電源的典型電路，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。
需要注意的是，必須根據(jù)負載的電流大小選取適當(dāng)?shù)碾娙?，而不是依?jù)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(rèn)為：C=14.5I,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630V以上。
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二、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LED不被損壞的能力。本電路采用NTC(負溫度系數(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。
2.1NTC保護
NTC是NegativeTemperatureCoefficient的縮寫，意思是負的溫度系數(shù)，泛指負溫度系數(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，如下圖中的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。
2.2PTC保護
PTC(PositiveTemperatureCoefflCient)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。
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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)。
2.3TVS保護
瞬態(tài)電壓抑制器(TransientVoltageSuppressor),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器件，主要用于對電路元件進行快速過壓保護。
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LED照明燈具。
三、結(jié)果論證
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也可達到要求，過壓保護選用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)盡量遠離后面的負載電路，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1mm以上?；谶@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。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。
