基于恒流二极管的小功率LED驱动电路设计

中心议题：

• LED连接方式
• 小功率LED 驱动电路设计

解决方案：

• 电容降压电路设计
• 市电供电的小功率LED 驱动电路设计

由于小功率白光LED 价格低廉，发热量小，光效高等特点，被大范围的应用到了普通照明，景观照明，因此小功率LED 驱动电源的设计和性能上的提高也就有了迫切的需求。LED 照明灯通常采用市电供电，由于LED 工作电压低，电流小等特点，用市电驱动LED 要解决降压和整流问题，还要有比较高的效率，较小的体积和较低成本。LED 是电流驱动器件，其亮度与正向电流成正比，为了保证LED 发光高效均匀、LED 驱动源应为恒电流输出。因此设计高效简单，价格低廉的LED 驱动源成为当前一个研究热点。本文设计一种基于恒流二极管的小功率LED 驱动电路，工频市电供电，输出电流恒定。

1 LED 连接方式

在设计LED 照明系统时，需要考虑选用什么样的LED 驱动器，以及LED 的连接方式，只有合理的匹配设计，才能保证LED 正常工作。小功率白光LED 的正向电压范围一般为2.8~4 V，工作电流为15~20 mA。照明用的LED 灯一般是多个这样的小功率LED 通过串并联方式组合在一起的，这些LED 通常需要匹配以产生均匀的亮度。另外还需要采用合理的方式将这些LED 连接在一起，不能因为其中一颗LED 灯珠损坏而导致整个LED 灯组不能工作。

将多个同型号的LED 串接在一起，流过每个LED 的电流相等。LED 一致性较差时，虽然不同LED 灯珠正向电压不同，但流过每个LED 的电流相等，每个LED 灯珠的亮度将会一致。LED 串联连接驱动源输出电压要求较大，电流必须恒定在20 mA 以下。当其中一个LED 因为品质不良断路后，将会导致整个LED 灯组不亮，这对LED 灯珠的品质和焊接工艺要求较高。

多个LED 灯珠全部并联，需要驱动器输出较大的电流，输出电压在3 V 左右。并联连接方式可以避免一个LED 烧坏后整个灯组熄灭这一严重缺陷。由于LED 发光强度与工作电流成正比关系，LED 灯珠之间参数存在一定差异，流过每个LED灯珠的电流不一致，直接导致LED 发光亮度不均匀。采用恒流方式驱动并联LED 时，LED 灯珠应尽量多的并联，防止因为其中几颗LED 烧坏，致使流过其他LED 的电流增加而烧坏。

为了提高可靠性、发光均匀性，提出了交叉阵列连接方式，图1 为LED 交叉阵列连接方式图。

从图中可以看出当其中个别LED 短路或断路，也不会引起整个灯组熄灭。这种交叉阵列连接方式具有线路简单，亮度稳定，可靠性高，对驱动要求较低等特点。

2 小功率LED 驱动电路设计

2.1 电容降压电路
LED 采用交流市电供电时，必须经过AC/DC以及DC/DC 转换将高电压的交流电转换为低压直流电，目前降压电路主要有工频变压器线性降压电路，高频开关电路，基于IC 的降压电路，电容降压电路等几类。考虑到驱动电源的体积与成本，本文采用电容式降压电路。图2 为电容降压电路：

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图2 中无极性降压电容C1 的充放电电流为IC=2πfCU0 （U0 为交流电压，f 为交流频率），降压电容C1 向负载提供的电流I0 实际上就是流过C1的充放电电流IC。当负载电流小于的充放电电流时 ,多余的电流就会流过滤波电容C2。若U0=220 V，f=50 Hz 则IC=69C（IC 的单位为mA，C 的单位为μF）。为了能够保证降压电容安全可靠工作，其耐压值应大于2 倍市电电压，因此降压电容宜选用耐压值630 V 的独石电容。R1 为1 MΩ 放电电阻，当电路断电C1 通过R1 快速放电，D1—D4 为IN4007组成的全波整流桥。为了获得较好的滤波效果，选择的滤波电容的容量应满足RLC=(3~5)T/2（RL 为负载电阻，T 为0.02 s），耐压值应大于1.1 2 U0（U0为电容降压电路输出电压）。原则上，电容值取的越大，输出电压越平滑其纹波值越小。但是随着电容容量的增大，一般其体积也随之增大，在考虑电路板面积的情况下，应尽量选择大容量的滤波电容。

2.2 市电供电的小功率LED 驱动电路
基于恒流二极管的市电供电小功率LED 驱动电路如图3 所示：

图中D5,D6 为恒流二极管，本设计采用的恒流二极管为贵州博越公司的2DHL 系列。2DHL 系列恒电流二极管是一种硅材料制造的基础电子器件。正向恒电流导通，反向截止。输出的恒电流大，精度高，启动电压低。器件按极性接入电路回路中，即可达到恒流的效果，应用简单，实现了电路理论和电路设计中的二端恒流源。由于输出电流大，可以直接驱动负载，实现恒定电流电源。在LED、半导体激光器、以及需要恒功率供电驱动的场合有广泛应用。具有启始电压低(3~3.5 V)，恒流电压范围广(25~100 V)，响应时间快（tr ＜ 50 ns tf ＜70 ns），负温度系数等优良特性。为了提供更大电流可以将多个恒流二极管并联使用，并联以后输出电流为各个恒流二极管标称电流之和。由于恒流二极管工作电压范围加大，因此即使负载LED 短路也不会导致整个驱动电路烧毁，具有很强的电路保护功能。

小功率LED 正向电压2.8~3.2 V，最大工作电流为20 mA。LED 亮度L 与正向电流IF 成正比：，工作电流越大发光亮度越大，但由于LED 也具有亮度和饱特性，所以LED 正向驱动电流应小于其标电流。小功率LED电流达15 mA 以后，亮度以达到饱和，如果继续增大电流不仅不会提高亮度，还会使LED 的PN 温度迅速升高导致光衰。

C1 为降压电容，电容降压电路输出电流主要与降压电容容量和输出电压有关，输出电压越高电流越小。理论上驱动电路输出电压可以达100 V 以上，但考虑到高电压下滤波电容C2 的体积较大，不易于电路安装，本文设计的驱动电路主要使用50 V和100 V 的滤波电容。虽然电容容值越大驱动电路输出电流越大，但降压电容值太大会降低整个驱动电路的安全特性与稳定性，因此建议降压电容的容值不要超过3.3 μF。下表1 给出了采用0.68~3.3 μF不同大小降压电容，驱动电路在不同电压下提供的电流以及能够驱动的最多LED 数量。（此表中的数据为多次实验与仿真所得）

表1 C1 容值与输出电流关系表

LED 采用交叉阵列方式连接，先将相同个数LED 并联成组，再将各个组串联。采用交叉阵列方式，对LED 灯珠一致性要求不高，并且不会因为其中一颗灯珠损毁而导致整个LED 灯熄灭。由于目前LED 白光频谱成分单一，柔和性较差，为了提高LED 灯整体发光柔和度，应在白光LED 灯中适当加入几颗黄光LED 灯珠。
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3 仿真与实验分析

3.1 驱动电路的 Pspice 仿真
为了验证驱动电路的可行性，采用pspice 电路仿真软件对电路进行了仿真，图3 为瞬态分析时输出电压与电流波形。驱动电路中降压电容C1 容量为1 μF，滤波电容C2 容量为1000 μF，串联一颗2DHL060 恒流二极管（恒定电流60 mA），输出驱动28 颗0.06 W 白光LED（采用4*7 交叉连接方式）。从图可以看出电路在100 ms 时进入稳定状态 ,稳定后其输出电压为25V 输出电流恒定为60 mA。验证了基于恒流二极管的小功率LED 驱动电路的可行性。

3.2 实验分析
为了进一步验证了基于恒流二极管的小功率LED 驱动电路的可行性。制作了驱动65 颗（5*15方式连接）0.06 W 白光LED 的驱动源，其中降压电容C1 为1.5 μF，滤波电容C2 为1000 μF，恒流二极管为两颗2DHL040 并联，并利用万用表对电流电压进行测量。实际测得输入电压在196~248 V范围内输出电流恒定为80 mA，相当于流过每个LED 电流为 16 mA。在219 V 输入电压条件下，整个电路消耗的功率为 7.1 W ，则驱动源的功率因素为 0.47。图5 为制作的小功率驱动源实物图。

4 总结

本文设计的基于恒流二极管小功率LED驱动电路结构简单、成本低廉、满足LED 恒流驱动的要求，经过多次实验验证本驱动电路可靠性很高。通过改变降压电容可适合用作多种 LED 灯具电源。

虽然驱动电路功率因素较低，但特别适合低端照明市场应用。LED 相比传统光源发光效率高，小功率LED 灯发光亮度即可与大功率的日光灯媲美，因此采用本驱动源的LED 灯整体上还是节能的。

主要创新点：在传统电容降压驱动电路基础上引入了恒流二极管，保证了驱动源低压恒流输出。

负载小功率LED 采用交叉阵列方式连接，降低了灭灯率。