當(dāng)前LED照明正逐漸興起，其具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保無污染等特征。LED是電流驅(qū)動(dòng)器件，其亮度與正向電流成正比，為保證LED發(fā)光高效均勻、LED驅(qū)動(dòng)源應(yīng)為恒電流輸出。而目前照明市場(chǎng)上的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)多數(shù)存在電路復(fù)雜、效率不高、電路成本高等特點(diǎn)。本文根據(jù)恒電流二極管的特性，針對(duì)LED照明中的小功率和大功率LED的不同特性，分別給出了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。
1.恒電流二極管特性
恒電流二極管(CRD)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，輸出恒電流。器件按極性接入電路回路中，回路即可達(dá)到恒流的效果，應(yīng)用簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了電路理論和電路設(shè)計(jì)中的二端恒流源。本文驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中使用的是2DHL系列恒電流二極管。2DHL系列為二端器件，圖1為2DHL系列恒電流二極管輸出特性曲線，圖2為恒電流二極管的實(shí)際測(cè)量曲線圖。
圖1恒電流二極管特性曲線
圖2恒電流二極管實(shí)測(cè)曲線
2.阻容降壓驅(qū)動(dòng)電路
目前小功率的LED照明主要集中在LED工作電流為18-30mA的LED照明應(yīng)用，燈具的功耗在1-5w，針對(duì)其特點(diǎn)，下面給出基于阻容降壓的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，該方案設(shè)計(jì)方法靈活，可根據(jù)負(fù)載的需要靈活的配置。
LED照明方案采用交流市電220V供電，須經(jīng)過轉(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、高頻開關(guān)電路、基于C的降壓電路、阻容降壓電路等幾類。由于恒電流二極管的工作特性，其受電壓波動(dòng)影響小的特點(diǎn)，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電源的體積與成本等因素，采用阻容式降壓電路變得可行4。圖3為采用恒電流二極管的阻容降壓驅(qū)動(dòng)電路：
圖3阻容降壓LED驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路中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。為保證降壓電容安全工作，其耐壓值應(yīng)大于2倍市電電壓，所以降壓電容宜選用耐壓值630V以上的獨(dú)石電容。表1給出了采用0.68-3.3F不同大小降壓電容，驅(qū)動(dòng)電路在不同電壓下提供的電流以及能夠驅(qū)動(dòng)的LED負(fù)載數(shù)量，可根據(jù)負(fù)載需要靈活配置。
R1為放電電阻，當(dāng)電路斷電C1通過R1快速放電。IN4007二極管組成全波整流橋。電容C2為濾波電容，當(dāng)濾波電容C2取4.7uF以上時(shí)可以保證電路濾波效果，同時(shí)也可以保證電路功率因數(shù)在50%以上。R2為濾波電阻。D1為瞬態(tài)二極管，其導(dǎo)通電壓比負(fù)載電壓略高，對(duì)電路中LED負(fù)載出現(xiàn)短路時(shí)進(jìn)行保護(hù)，防止LED燒毀。
電路中D2為恒電流二極管器件，為負(fù)載電路提供恒定的電流，采用2DHL系列二端恒電流二極管，由于輸出電流大，可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)恒定電流電源。同時(shí)可根據(jù)負(fù)載的LED陣列的具體串并聯(lián)情況，針對(duì)電路中電流的不同要求將恒電流二極管進(jìn)行并聯(lián)以提高電流。由于該系列恒電流二極管的工作電壓范圍較寬(25-100V),當(dāng)市電進(jìn)行波動(dòng)時(shí)，恒電流二極管在耐壓范圍內(nèi)一直是工作于恒流區(qū)域，對(duì)于負(fù)載電路的電流不會(huì)產(chǎn)生影響，保證了LED燈具有良好的工作環(huán)境，同時(shí)當(dāng)負(fù)載LED出現(xiàn)短路斷路情況時(shí)，電路中也有保護(hù)措施保證LED的安全。
3.全波整流驅(qū)動(dòng)方案
采用阻容降壓電路驅(qū)動(dòng)小功率LED的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的功耗低，配置靈活。除此外還可以采用全波整流電路驅(qū)動(dòng)數(shù)量較多的LED照明應(yīng)用方案，如采用小功率(20mA)LED燈珠進(jìn)行串并聯(lián)的L.ED日光燈，功耗在12-30W，圖4給出基于恒電流二極管驅(qū)動(dòng)的全波整流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。
圖4全波整流直接驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)電路
電路中由220V市電供電，通過整流橋進(jìn)行全波整流，經(jīng)過一個(gè)無極電容的濾波，此處選用一個(gè)2.2uF，耐壓450V的無極獨(dú)石電容進(jìn)行濾波。負(fù)載端連接串聯(lián)有恒電流二極管的負(fù)載LED串聯(lián)燈珠，串聯(lián)的LED數(shù)量可以根據(jù)全波整流后的有效電壓值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)燈型需要，可以并聯(lián)多組LED負(fù)載。
市電經(jīng)整流橋進(jìn)行全波整流后再通過無極電容的濾波，雖然濾波后的電壓波形不是恒定直流，有一定的振蕩，但是由于加入了恒電流二極管器件，當(dāng)電路中的電壓超過設(shè)定值時(shí)，恒流管處于恒流區(qū)域，對(duì)電路的電流進(jìn)行限制，起到保護(hù)電路的作用，其波形圖如圖5所示。
圖5全波整流驅(qū)動(dòng)電路電壓仿真波形
圖中上下兩個(gè)振蕩的波形分別是負(fù)載回路中恒電流二極管前端和后端的電壓波形圖，從圖中可以看出，雖然負(fù)載端的電壓有振蕩，但是由于接人了恒電流二極管，其電壓進(jìn)入恒流區(qū)后，多余的電壓被恒流管吸收，實(shí)際后端的輸出電壓波形的振蕩波形變緩了，從而使得電路中的電流限制在一個(gè)LED安全工作的范圍內(nèi)，起到了恒定電流的作用，其波形圖如圖6所示。
圖6全波整流驅(qū)動(dòng)電路電流仿真圖
此時(shí)LED負(fù)載端的電流控制在18-20mA之間工作，保證了LED能夠正常安全的工作，其電流波形的小幅振蕩不會(huì)造成光源閃爍。
恒電流二極管的工作電壓范圍較寬，當(dāng)市電在合理范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)(士30%)，電路電流處于恒電流二極管的恒流區(qū)域，不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電路電流過高燒毀LED的情況，對(duì)電路進(jìn)行了有效保護(hù)。
由于市電可以提供-一個(gè)較大的電流，其負(fù)載可以根據(jù)需要進(jìn)行并聯(lián)，使得該驅(qū)動(dòng)電路方案可以驅(qū)動(dòng)功耗較大的負(fù)載，如LED日光燈。驅(qū)動(dòng)電路中的每一組負(fù)載都用了一個(gè)恒電流二極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)某組支路LED出現(xiàn)短路或者短路時(shí)，不會(huì)對(duì)其它支路造成影響，保護(hù)了電路的安全，同時(shí)方便電路檢修。
該方案在設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，成本大大低于采用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)其功率因數(shù)可以達(dá)到75%以上。由于采用開關(guān)電源以及阻容降壓電源的驅(qū)動(dòng)方案，保證了交流整流橋的收斂性。同時(shí)，由于沒有采用電解電容濾波，而是采用壽命更長(zhǎng)的獨(dú)石電容進(jìn)行濾波，保證了驅(qū)動(dòng)電路的工作壽命與LED燈芯的壽命相匹配。這也解決了當(dāng)前LED照明市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電源壽命短，效率不高的問題。
結(jié)束語
以上基于恒電流二極管的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)介紹了。該方案在設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，成本大大低于采用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)其功率因數(shù)可以達(dá)到75%以上。由于采用開關(guān)電源以及阻容降壓電源的驅(qū)動(dòng)方案，保證了交流整流橋的收斂性。同時(shí)，由于沒有采用電解電容濾波，而是采用壽命更長(zhǎng)的獨(dú)石電容進(jìn)行濾波，保證了驅(qū)動(dòng)電路的工作壽命與LED燈芯的壽命相匹配。這也解決了當(dāng)前LED照明市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電源壽命短，效率不高的問題。
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