LED驅動:驅動特點,驅動原理,驅動電路,驅動方式,設計思想,要求,直流控制,高效

LED是特性敏感的半導體器件，又具有負溫度特性，因而在套用過程中需要對其進行穩定工作狀態和保護，從而產生了驅動的概念。LED器件對驅動電源的要求近乎於苛刻，LED不像普通的白熾燈泡，可以直接連線220V的交流市電。

基本介紹

中文名：LED驅動
特性要求：儘量保持恆流,保持較低的功耗

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百科名片

LED的恆流驅動

LED是2～3伏的低電壓驅動，必須要設計複雜變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源適配器。

國際市場上國外客戶對LED驅動電源的效率轉換、有效功率、恆流精度、電源壽命、電磁兼容的要求都非常高，設計一款好的電源必須要綜合考慮這些因數，因為電源在整個燈具中的作用就好比像人的心臟一樣重要。

用LED作為顯示器或其他照明設備或背光源時，需要對其進行恆流驅動，主要原因是：

1. 避免驅動電流超出最大額定值，影響其可靠性。

2. 獲得預期的亮度要求，並保證各個LED亮度、色度的一致性。

驅動特點

根據電網的用電規則和LED驅動電源的特性要求，在選擇和設計LED驅動電源時要考慮到以下幾點：

1．高可靠性：特別像LED路燈的驅動電源，裝在高空，維修難，花費大。

2．高效率：LED發光效率隨溫度升高而下降，所以散熱非常重要。尤其電源安裝在燈具內

LED是節能產品，驅動電源效率高，耗損功率小，燈具內發熱量就小，利於降低燈具溫升。延緩LED光衰。

3．高功率因數：功率因數是電網對負載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因數低一點對電網的影響不大，但晚上大家點燈，同類負載太集中，會對電網產生較嚴重的污染。對於30瓦~40瓦的LED驅動電源，據說不久的將來，也許會對功率因數方面有一定的指標要求。

4．恆流輸出供電方式;

1)多路恆流輸出，組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED工作，成本略高。

2)直接恆流供電，LED串聯或並聯運行。成本低一點，但靈活性差，某個LED故障，影響其他LED運行。

這兩種形式，在一段時間內並存。多路恆流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好。也許是以後的主流方向。

5．浪涌保護：LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由於電網負載的啟用和雷擊的感應，從電網系統會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。

6．保護功能：電源除了常規的保護功能外，最好在恆流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。

7．防護方面：燈具外安裝型，電源結構要防水、防潮，外殼要耐曬。

8．驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配。

9．要符合安規和電磁兼容的要求。

驅動原理

正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關係曲線，由曲線可知，當正向電壓超過某個閾值(約2V)，即通常所說的導通電壓之後，可近似認為，IF與VF成正比。見表是當前主要超高亮LED的電氣特性。由表可知，當前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為2～4V。

由於LED的光特性通常都描述為電流的函式，而不是電壓的函式，光通量(φV)與IF的關係曲線，因此，採用恆流源驅動可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化範圍比較大(最大可達1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的，IF變化，從而引起亮度的較大變化。

LED的溫度與光通量(φV)關係曲線，由下圖可知光通量與溫度成反比，85℃時的光通量是25℃時的一半，而一40℃時光輸出是25℃時的1．8倍。溫度的變化對LED的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恆定亮度的保證。

所以,採用恆壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，並且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常採用恆流源驅動。

驅動電路

由於受到LED功率水平的限制，通常需同時驅動多個LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的驅動電路來點亮LED。

阻容降壓：利用電容在交流下的阻抗限制輸入電流，獲得直流電平給LED供電。結構簡單，成本低廉，輸入非隔離方案，有安全隱患。轉換效率很低，無法做到恆流控制。

2. 隔離反激電路：利用反激電路，通過變壓器在副邊產生直流電平，

再通過光耦將此電平的紋波反饋回原邊，從而自激穩定。

此類電路符合安規認定要求，且輸出恆流精度較好，轉換效率較高。但由於需要光耦和副邊恆流控制電路，導致系統複雜，體積大，成本高。

3. 原邊方案：通過完全在交流原邊控制輸出的電源和電流，最精確可以做到5%的恆流精度，副邊僅需簡單的輸出電路即可。

原邊主要依靠輔助邊的反饋來控制輸出電壓，依靠限流電阻對原邊電流的控制，同時乘以匝比來控制輸出電流的精度。

原邊方案繼承了隔離反激電路的種種優點，同時架構簡單，可以做到小體積和低成本。

原邊的恆流精度問題：由於變壓的生產精度難以控制，導致原邊方案在使用低質量變壓器時，輸出電流漂移較大。所以，原邊方案通過改進增加了副邊恆流控制電路，這樣雖然比普通的原邊方案複雜了，但是對比反激方案，仍然可以省去光耦等，系統性價比最高。

驅動方式

通過線性穩壓器來轉換電壓會面臨功耗問題，這種方式比較適合用於需要迴避噪聲(比如汽車音響)因而不能採用開關方式的轉換電路中。而開關方式的特點是轉換效率非常高，但它也有噪聲的問題，所以選擇何種轉換方式取決於何種套用。

通常，電荷泵驅動方式的效率會隨著輸入電壓的變化而變化，在電壓變化範圍大的套用中，其效率比較低;而在電壓變化範圍比較小的套用中，只有當輸入和輸出電壓之間是整倍數關係時，它的效率才能達到最大，但這在電池供電的實際套用中很難達到。反觀電感的轉換效率不太受電壓干擾，套用限制也比電荷泵要少。

設計思想

LED在可攜式產品中背光源的地位已經不可動搖，即便是在大尺寸LCD的背光源當中，LED也開始挑戰CCFL（冷陰極螢光燈）的主流地位；

而在照明領域，LED作為半導體照明最關鍵的部件，更是因為頂著節能、環保、長壽命、免維護等諸多光環而受到市場的追捧。驅動電路是LED（發光二極體）產品的重要組成部分，無論在照明、背光源還是顯示板領域，驅動電路技術架構的選擇都應與具體的套用相匹配。

LED的發光原理是在它兩端加上正向電壓，使半導體中少數和多數載流子發生複合，放出過剩能量，從而引起光子的發射。

LED驅動電路的主要功能是將交流電壓轉換為恆流電源，同時按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配。

調光方式

傳統調光方式;PWM（脈寬調製），利用簡單數位脈衝，反覆開關LED驅動器，系統只需要提供寬、窄不同的數位式脈衝，即可簡單地實現改變輸出電流，從而調節LED的亮度。

優點;能夠提供高品質白光，套用簡單，效率高;

致命缺點;易產生電磁干擾，有時甚至會產生人耳能聽見的雜訊。

LED驅動電路的重要任務;升壓

電感升壓和電荷泵升壓是兩種不同的拓撲模式。

“由於LED是由電流驅動的，而電感在進行電流轉換時效率最高，因此電感升壓方式最大優點就是效率高，如果設計得當可以超過90%；

缺點，就是電磁干擾很強，對手機等通信產品的系統要求就非常高。

隨著電荷泵的出現，採用電荷泵的升壓方式其效率將低於電感升壓。

產品設計者必須面對的問題;提高驅動電路的轉換效率。

利於延長可攜式產品待機時間，同時解決LED散熱問題,特別是使用大功率LED的照明領域

1)LED在工作時需要有穩流、穩壓的元件;應具備自身承擔的分壓高，功耗小特性，否則較高效率的LED因驅動電路工作功耗太大 ,而使總體系統效率大為降低。

2)儘可能不採用電阻或串聯穩壓電路來作為LED驅動器的限流主電路;而採用電容、電感或有源開關電路等高效電路，這樣才能保證LED系統的高效率。

採用串聯式集成恆功率輸出電路，可以使LED的光輸出在很寬的電源範圍內保持恆定，但一般的IC電路會因此而使效率有所下降。採用有源開關電路可以保證在較高的轉換效率下實現電源電壓大幅度變化時恆功率輸出。

但是以其獨特的長處，可以在安全特地電壓（游泳池、划水池內水下燈具、礦燈）條件下高效工作。此外，在直接採用綠色電能（太陽能、風能等），以及應急照明方面也有著其獨特的優勢。尤其在調光方面，LED不僅可實現0~100%的調光，並且可保證在整個調光過程保持較高光效，並且不損害LED的壽命，而氣體放電燈則很難做到這一點。

要求

LED驅動電路除了要滿足安全要求外，另外的基本功能應有兩個方面：

一)儘可能保持恆流特性，尤其在電源電壓發生±15%的變動時，仍應能保持輸出電流在±10%的範圍內變動。主要原因是： 1、避免驅動電流超出最大額定值，影響其可靠性。

2、獲得預期的亮度要求,並保證各個LED亮度、色度的一致性。

二)是驅動電路應保持較低的自身功耗，這樣才能使LED的系統效率保持在較高水準。

直流控制

LED是由電流驅動的器件，其亮度與正向電流呈比例關係。有兩種方法可以控制正向電流。

第一種方法是採用LED V-I曲線來確定產生預期正向電流所需要向LED施加的電壓。其實現方法一般採用一個電壓電源和一個鎮流電阻器。如下所述，此方法有多項不足之處。LED正向電壓的任何變化都會導致LED電流的變化。如果額定正向電壓為3.6V，則圖1中LED的電流為20mA。如果電壓變為 4.0V，這是溫度或製造變化引起的特定壓變，那么正向電流則降低到14mA。正向電壓變化11%會導致更大的正向電流變化，達30%。另外，根據可用的輸入電壓，鎮流電阻的壓降和功耗會浪費功率和降低電池使用壽命。

第二種方法也是首選的LED電流調整方法是利用恆流電源來驅動LED。

高效率

攜帶型套用中電池使用壽命是至關重要的。LED驅動器如果實用，就必須具備高效性。LED驅動器的效率測量與典型電源的效率測量不同。典型電源效率測量的定義是輸出功率除以輸入功率。而對於LED驅動器來說，輸出功率並非相關參數。重要的是產生預期LED亮度所需要的輸入功率值。這可以簡單地通過使LED 功率除以輸入功率來確定。

請注意：如果這樣定義效率的話，則電流檢測電阻器中的功耗會導致電源功率耗散。通過圖3所示的公式，我們可以看出較小的電流感測電壓會產生較高效率的LED驅動器。圖4說明了選用0.25V參考電壓的電源與選用1V參考電壓的電源相比，二者的效率提高情況。較低的電流感測電壓電源更為有效，無論輸入電壓或LED電流如何，只要其他條件相同，較低的參考電壓都可以提高效率並延長電池的使用壽命。

LED驅動