LED驱动电源基础知识 研发部:邱建文

主要内容概括: 1:LED驱动电源的重要性 2:LED驱动的技术方案 3:LED与LED驱动电源的匹配 4:LED驱动电源使用中应注意的问题

1:LED驱动电源的重要性 接触过LED的人都知道：由于LED正向伏安特性非常陡 图1.1（正向动态电阻非常小），要给LED正常供电就比较困难。不能像普通白炽灯一样，直接用电压源供电，否则电压波动稍增，电流就会增大到将LED烧毁的程度。为了稳定LED的工作电流，保证LED能正常可靠地工作，具有”镇流功能”的各种各样的LED驱动电路就应运而生。最简单的是串联一只镇流电阻，而比较复杂的是用许多电子元件构成的“恒流驱动器”。 图1 图1.1

2 : LED驱动的技术方案 一 镇流电阻方案 此方案的原理电路图见图1。这是一种极其简单，自LED面世以来至今还一直在用的经典电路。 一 镇流电阻方案  此方案的原理电路图见图1。这是一种极其简单，自LED面世以来至今还一直在用的经典电路。 LED工作电流I按下式计算： （1） I与镇流电阻R成反比；当电源电压U上升时，R能限制I的过量增长，使I不超出LED的允许范围。 此电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用于小功率LED范围。 一般资料提供的镇流电阻R的计算公式是： (2)

按此公式计算出的R值仅满足了一个条件：工作电流I 。而对驱动电路另两个重要的性能指标：电流稳定度和用电效率，则全然没有顾及。因此用它设计出的电路，性能没有保证。

二 镇流电容方案 电路的工作是基于在交流电路中，电容存在容抗XC也有”镇流作用”的原理。另外电容消耗无功功率，不发热；而电阻则消耗有功功率，会转化为热能耗散掉，所以镇流电容比镇流电阻，能节省一部分电能，并能设计成将LED灯直接接到市电～220V上，使用更为方便。 此方案的优点是简单，成本低，供电方便；缺点是电流稳定度不高，效率也不高。仅适用于小功率LED范围。当LED的数量较多，串联后LED支路电压较高的场合更为适用。

三 线性恒流驱动电路 上面已经提到电阻、电容镇流电路的缺点是电流稳定度低（△I/I达±20～50％），用电效率也低（约50～70％），仅适用于小功率LED灯。 为满足中、大功率LED灯的供电需要，利用电子技术常见的电流负反馈原理，设计出恒流驱动电路。和直流恒压电源一样，按其调整管是工作在线性，还是开关状态，恒流驱动电路也分成两类：线性恒流驱动电路和开关恒流驱动电路。 图4是最简单的两端线性恒流驱动电路。它借用三端集成稳压器LM337组成恒流电路，外围仅用两个元件：电流取样电阻R和抗干扰消振电容C 。

四 开关电源驱动电路 上述线性恒流驱动电路虽具有电路简单、元件少、成本低、恒流精度高、工作可靠等优点，但使用中也发现几点不足： a、调整管工作在线性状态，工作时功耗高发热大（特别是工作压差过大时），不仅要求较大尺寸的散热器，而且降低了用电效率。 b、电源电压要求按公式（13）与LED工作电压严格匹配，不允许大范围改变。也就是说它对电源电压及LED负载变化的适应性差。 c、它仅能工作在降压状态，不能工作在升压状态。即电源电压必须高于LED工作电压。 d、供电不太方便，一般要配开关稳压电源，不能直接用～220V供电。

输入整流:将正负变化的交流电变成单向变化的直流电 滤波:将变化的电压波形平滑成波动较小的直流电压波形 T V EMC filter 整流器（Rectifier 切换开关（MOS） 脉宽调制器（PWM） 隔离变压器 （Transformer） 滤波电路 回授（Feedback） 整流器（Rectifier） 滤波 电路 AC in DC out 输入整流:将正负变化的交流电变成单向变化的直流电 滤波:将变化的电压波形平滑成波动较小的直流电压波形 变压器:储存能量,产生需要的输出电压.原、副边隔离。 输出稳压:稳定输出电压 取样反馈:将输出电压的变化反映到控制电路,以便采取相应的措施保证输出电压在规定的范围内 PWM+开关:控制电路,根据反馈回来的信号控制变压器储存能量的多少,从而保证输出的稳定

采用开关电源驱动的优点:效率高，一般可以做到80%～90%，输出电压、电流稳定。输出纹波小。且这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。 LED驱动电源主要有恒压式和恒流式 （1）恒压式： a、当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化； b、恒压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。 c、 以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均； d、 亮度会受整流而来的电压变化影响。

1）恒流式： a、 恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高； b、 恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。 c、 恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。 d、 应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量； 开关恒流驱动电路 恒流源和恒压源不同之处就是恒流的那部分电路。 恒流部分：它主要由T1、R8、R9、R5组成。三级管的导通电压0.7V是已知量。R8阻值也是已知量，当电路开始工作后，只要R8和流过R8的电流乘积大于0.7V，三极管开始工作,电路就进入恒流工作。

LED与LED驱动电源的匹配 我们已经很清楚的知道LED驱动电源只有两种方式： 恒流式：电流不变电压在一定范围内变化(随负载变化) 恒压式：电压不变电流在一定范围内变化(随负载变化) 而LED灯配合的方式有三种：串联式， 并联式，串并混联式。

串联式： 要求LED驱动器输出较高的电压。当LED的一致性差别较大时，分配在不同的LED两端电压不同，通过每颗LED的电流相同，LED的亮度一致。 当某一颗LED品质不良短路时，如果采用稳压式驱动，由于驱动器输出电压不变，那么分配在剩余的LED两端电压将升高，驱动器输 出电流将增大，导致容易损坏余下所有LED。如采用恒流式LED驱动，当某一颗LED品质不良短路时，由于驱动器输出电流保持不变，不影响余下所有LED 正常工作。当某一颗LED品质不良断开后，串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是在每个LED两端并联一个齐纳管，当然齐纳管的导通电压需要比LED的导通电压高，否则LED就不亮了。

并联式： 要求LED驱动器输出较大的电流，负载电压较低。分配在所有LED两端电压相同，当LED的一致性差别较大时，而通过每颗LED的电流不一致，LED的亮度也不同。可挑选一致性较好的LED，适合用于电源电压较低的产品 当某一个颗LED品质不良断开时，如果采用恒压式LED驱动，驱动器输出电流将减小，而不影响余下所有LED正常工作。如果是采用 恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED电流将增大，导致容易损坏所有LED。解决办法是尽量多并联LED，当断开某一颗LED 时，分配在余下LED电流不大，不至于影响余下LED正常工作。所以功率型LED做并联负载时，不宜选用恒流式驱动器。当某一颗LED品质不良短路时，那么所有的LED将不亮，但如果并联LED数量较多，通过短路的LED电流较大，足以将短路的LED烧成断路。

串并混联方式 在需要使用比较多LED的产品中，如果将所有LED串联，将需要LED驱动器输出较高的电压。如果将所有LED并联，则需要LED驱动器输出较大的电流。 将所有LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED负载电流较大，驱动器的成本也会大增。解决办法是采用混联方式。串并联的LED数量平均分配，分配在一串LED上的电压相同，通过同一串每颗LED上的电流也基本相同，LED亮度一致。同时通过每串LED的电流也相近。 　当某一串联LED上有一颗品质不良短路时，不管采用恒压式驱动还是恒流式驱动，这串LED相当于少了一颗LED，通过这串LED的电流将大增，很容易就会 损坏这串LED。大电流通过损坏的这串LED后，由于通过的电流较大，多表现为断路。断开一串LED后，如果采用恒压式驱动，驱动器输出电流将减小，而不 影响余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED电流将增大，导致容易损坏所有LED。解决办法是尽量多并联LED，当断开某一颗LED时，分配在余下LED电流不大，不至于影响余下LED正常工作。

混联方式还有另一种接法，即是将LED平均分配后，分组并联，再将每组串联一起。 当有一颗LED品质不良短路时，不管采用恒压式驱动还是恒流式驱动，并联在这一路的LED将全部不亮，如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，除了并联在短路LED的这一并联支路外，其余的LED正常工作。假设并联的LED数量较多，驱动器的驱动电流较大，通过这颗短路的LED电流将增大，大电流通过这颗短路的LED后，很容易就变成断路。由于并联的LED较多，断开一颗LED的这一并联支路，平均分配电流不大，依然可以正常工作，哪么 整个LED灯，仅有一颗LED不亮。 　　 如果采用恒压式驱动，LED品质不良短路瞬间，负载相当少并联一路LED，加在其余LED上的电压增高，驱动器输出电流将大增，极有可能立刻损坏所有 LED，幸运的话，只将这颗短路的LED烧成断路，驱动器输出电流将恢复正常，由于并联的LED较多，断开一颗LED的这一并联支路，平均分配电流不大， 依然可以正常工作，哪么整个LED灯，也仅有一颗LED不亮

LED驱动电源恒压源系列产品   通过对以上分析可知，驱动器与负载LED串并联方式搭配选择是非常重要的，恒流式驱动功率型LED是不适合采用并联负载的，同样的，恒压式LED驱动器不适合选用串联负载。

工程中的简易计算方法 例：SLT5-12VC 额定输出功率为5W电源，输出电压12V ，白光LED额定正向电压3.3V，耗散功率为65mW，可配置多少个LED？ （1）计算每条支路的LED个数： 3.3V × 3 =9.9V 65mW ÷3.3V =20mA （12V - 9.9V）÷ 20mA = 105Ω 　 （2）计算并联支路数 ：5W ÷ （65mW × 3 + 20mA × 20mA × 105Ω ） = 21 （3）总共可以接多少个LED：21 × 3 =63个（串并混联）

例：SLT10-350IF一个额定输出电流为DC 0. 35A，额定功率为10W电源，耗散功率为65mW，正向电为0 例：SLT10-350IF一个额定输出电流为DC 0.35A，额定功率为10W电源，耗散功率为65mW，正向电为0.02A的白光LED，可怎样配置？ （1）计算每条支路的LED个数：10W ÷ 0.35A = 28.6V 65mW ÷ 0.02A =3.25V 28.6V ÷ 3.25V =8 （2）计算并联支路数 ：0.35A ÷0 . 02 =18 （3）总共可以接多少个LED：8 × 18=144个（串并混联）

4:LED驱动电源使用中应注意的问题 A. LED降额使用。 B. 使用线性恒流驱动器，特别注意其工作压差。 C. 隔离式开关恒流驱动器次级输出电源不宜悬空，负极应接 地。 D. 对开关恒流驱动器，要严格遵守：先接好LED灯，再接通驱动器电源的操作顺序。 如果相反操作，在接通LED灯瞬间，将会有极大的冲击电流通LED灯，威胁LED灯的使用安全。现以图10电路为例，对此冲击电流值作一下计算，并对其产生原因作一次分析。

我们公司针对瞬间电流冲击问题研究了新型的解决方案，在输出端加入限流电路，主要有两种实现方案。 a、串联连接方式，将多余部分的能量消耗在限流电路内部。通过将多余的能量堵在负载之前，保证在连接开关闭合的瞬间流过LED灯负载上的电流在LED灯所允许的电流范围之内。 b、并联连接方式，同样也是将多余部分的能量消耗在限流电路内部。通过将多余的能量引到限流电路上，保证流过LED灯上的电流在LED灯的安全电流范围之内

a、串联连接电路

串联限流电路:配置在高频滤波电容(C3)和恒流回路之间，在一个横向分支上包含一个NPN型晶体管(Q1)的集电极—发射极通道和与这个集电极—发射极通道串联的限流电阻(R1)。集电结偏置电阻(R5)连接到NPN型晶体管(Q1)的集电极与基极之间。NPN型晶体管(Q2)的基极连接到NPN型晶体管(Q1)的发射极上，NPN型晶体管(Q2)的集电极与NPN型晶体管(Q1)的基极相连，NPN型晶体管(Q2)的发射极连接到限流电阻(R1)的一端。同时该限流电路可以串接在恒流电阻(R2)和限压回路之间，还可以串接在限压回路和连接开关(S1)之间，也可以串接在负载和输出极地电位之间。 当输出电流低于预先设定的限流值时，限流电阻上的压降低于0.7V，NPN型晶体管（Q2）处于截止状态，NPN型晶体管（Q1）处于饱和导通状态。电路正常工作，仅仅只在限流电阻(R1)和NPN型晶体管（Q1）上增加了少量损耗。当输出的电流大于预先设定的限流值时，便会在限流电阻上产生高于0.7V的压降，此时NPN型晶体管（Q2）饱和导通，NPN型晶体管（Q1）发射极—集电极通道的等效阻值增大，起到限制输出电流的作用，近而有效的保护了负载上短暂的过流现象。

b、并联连接电路

并联限流电路:配置在输出限压回路和负载之间，在一个纵向分支上并联上一个NPN型晶体管（Q3）的集电极—发射极通道，NPN型晶体管（Q3）的基极连接到负载负电位上，限流电阻（R2）连接到NPN型晶体管（Q3）的发射极和基极之间。NPN型晶体管(Q3)的集电极—发射极通道可以电容后的任意一个纵向分支上。 当输出电流值小于预先设定的阈值电流时，限流电阻（R2）两端的压降小于0.7V，NPN型晶体管(Q3)处于截止状态，电路正常工作；当输出电流值大于预先设定的阈值电流时，限流电阻两端的压降大于0.7V，NPN型晶体管(Q3)集电极—发射极通道变为低阻值，使得大部分的电流流过NPN型晶体管(Q3)的集电极—发射极通道上，且以热能的形式消耗在NPN型晶体管(Q3)的集电结上，从而有效地保护了负载上短暂的过流现象。

谢 谢 大 家 !