LED电源及其基本驱动电路设计

LED 供电的原始电源目前主要有三种：即低压电池、太阳能电池和交流市电电源。无论是采用哪一种原始电源，都必须经过电源变换来满足 LED 的工作条件。这种电源变换电路，一般来说就是指的 LED 驱动电路。在 LED 太阳能供电系统中，还需要蓄电池或超级电容器，用以储存太阳能。在夜晚需要照明时，蓄电池或超级电容器再通过控制电路放电，为 LED驱动电路供电。

太阳能和风能与 LED 的结合，是 LED 应用的一大亮点，它将为第三世界的贫困和边远地区带来光明，让绿色照明的光辉照亮世界的每一个角落。

一、低压直流供电的 LFD驱动电路

1.当输入电压高于 LED电压时

当输入电压高于 LED或 LED串的电压降时，通常采用线性稳压器或开关型降压稳压器。

(1)线性稳压器

线性稳压器是一种 DC-DC 降压式变换器。LED 驱动电路所采用的线性稳压器大都为低压差稳压器(LDO)，其优点是不需要电感元件，所需元件数量少，不产生 EMI,自身电压降比较低。但是与开关型稳压器相比，LDO的功率损耗还是较大，效率较低。LDO在驱动 350mA以上的大功率 LED串时，往往需要加散热器。

(2)开关型降压(buck)稳压器

基于单片专用 IC 的开关型降压稳压器需要一个电感元件。 许多降压稳压器开关频率达 1MHz以上，致使外部元件非常小，占据非常小的空间，效率达 90%以上。但这种变换器会产生开关噪声，存在 EMI问题。图 1所示是基于 Zetex 公司 ZXSC300的 3W LED降压型驱动电路。其中的RCS为电流传感电阻， D1为1A的肖特基二极管。 在6V的输入电压下， 通过LED的电流达1.11A.ZXSC300 采用 5 引脚 SOT23 封装。

目前有很多降压变换器单片IC将开关MOSFET(Q1)和降压二极管(D1)也集成在同一芯片上，使外部元件数量进一步减少。

2.当输入电压低于 LED电压时

当输入电压低于 LED或 LED串的总正向压降时，LED需要升压型驱动电路。升压型变换器主要有以下两种类型。

(1)电感升压变换器

在手机背光照明中，常使用电感升压型 LED 驱动电路。开关型电感升压变换器被用作驱动一个或多个 LED组成的 LED串，通过每个 LED的电流相等。如果 LED串中有一个 LED开路，其他 LED 将会熄灭。图 2 所示为电感升压型 LED 驱动电路，LED 串由 8 只日亚化工公司的NSPW500BS型白光 LED组成，在 4V的输入电压下，通过每个 LED的电流约为 25mA.

目前绝大多数升压稳压器 IC,都将开关管集成在芯片中，有的还集成了肖特基二极管。

(2)开关电容(电荷泵)升压变换器

开关电容升压转换器亦即电荷泵。电荷泵专用 IC 内置切换开关，外接 1 个或两个 1μF的充放电电容。电荷泵工作模式有 1×、1.5×和 2×，近几年又出现了 1.33×(4/3 倍)和 4×模式。在输出电压接近输入电压时，电荷泵不需要升压，即在 1×模式工作。当需要升压时，则切换到 1.5×或其他工作模式。电荷泵电路可以驱动 LED 阵列，也可只驱动 1 个 LED.图 3 所示为基于MAXl570的电荷泵驱动5个白光LED的电路。 MAX1570采用4mm×4mm的16引脚QFN封装，最大厚度为 0.8mm.MAX1570 输入电压范围为 2.7V~5.5V,在1MHz 的固定频率和在 1×及 1.5×模式高效工作，为 LED提供 30mA的恒流，LED电流匹配精度达 0.3%,并且 LED电流可由单个电阻 RsEr设置。 可通过数字输入或 PWM 来控制LED亮度， 在关闭状态仅消耗 0.1μA的电流。

3.当输入电压既可能高于也可能低于 LED电压时

在输入电压既可能高于，也可能低于 LED或 LED串的总电压降时，就必须使用降压/升压变换器。基于 LT℃3783 的降压/升压型变换器驱动 8 只1.5A串联 LED的电路如图 4 所示。该 LED串驱动电路的输入电压范围为 9~36V,LED 串的总电压降范围为 18~37V.在 VIN=14.4V,Vo=36V和 I0=1.5A条件下，输出功率为 54W,效率达 93%.电路的开关频率由 IC 脚FREQ上的

电阻 R5 设置(频率范围为 20kHz~1MHz)，R7 与 R8 组成的分压器设置输出过电压保护电平，连接在 IC 脚 FBP 与高侧线路之间的 R4,用作感测 LED 电流。LTC3783 支持多拓扑结构。用其还可以构筑升压转换器和降压转换器等电路。

回扫变换器、单端初级电感变换器(SEPIC)和 CUK稳压器等，都可以升高或降低输入电压，

输出与输入电压在极性上可以相同或相反。每种拓扑都有独特的优势，但效率都比降压一升压稳压器低。

二、交流市电供电的 LED驱动电路

1.电容降压型 LED驱动电路

图 5 所示为电容降压型 LED 驱动电路(注：图 5 电路绘于上期本版)。图中，C1 为降压电容，R1 为泄放电阻，DI~D5 为桥式整流器，C2、C3 为滤波电容，RVl 用作瞬态过电压保护，R2 为限流电阻。在 220V50Hz 的输入电源下，通过电容 C1 的电流为 I=69C1(C1 单位为μF,I 单位为mA)。若选择 C1为 0.471μF,电流约为 32mA.在此情况下，R1 值可选择 1MΩ。

电容降压型 LED驱动电路仅适合于小功率应用，不能提供较大的驱动电流，而且效率很低。其优点是成本低，电路简单。

2.变压器降压 LED驱动电路

一种采用电源变压器降压的 LED驱动电路如图 6 所示。变压器次边输出为 12Vac,白光 LED的正向压降 VF=3.5V,正向电流 IF=350mA.桥式整流滤波电压为 12Vx2,限流电阻 R1 值为 R1=(12V× 2-3xVF)/IF =(12V× 2-3×3.5V)/350mA=18.3Ω

选择 R1=20Ω。R1 在 350mA 下的功耗为 0.352×20=2.45W,可选择 3W 的电阻。在 R1=20下Ω，通过 LED的电流为：

ILED=(12V× 2-3×3.5V)/20Ω=323mA

若桥式整流器输入电压波动±10%, 在10.8Vac下的LED电流为238mA, 在13.2Vac下的LED电流则为 429mA,导致 LED电流变化率超过±25%.由此可见，虽然图 6所示的电路比较简单，但电流调整能力很差，并且电源变压器大而笨重，不易于实现电路的小型化和轻量化。

图 7 所示为采用线性稳压器 MC7809 的白光 LED 驱动电路，其 AC 输入电压(12Vac)为电源变压器(或电子变压器输出。MC7809的 DC 输出电压为 9V,R1 值为： R1=(Vout-2×VF)/IF(9V-2x3.5V)/350mA=5.7Ω R1 消耗的功率为：

p=12×R=(0.35A)2×5.7Ω=0.698W

MC7809的功耗为： P=(12V×根号(2)2-9V)×IF=(17-9V)×0.35A=2.8W 采用线性稳压器后，电流调整率达±5%,但功率耗散较大，效率较低。

如果采用安森美公司生产的线性电流源 NUD4001 取代线性稳压器，电流调整率可低于 1%,NUD4001 的自身功耗在 350mA下，仅为 0.875W.

3.开关型稳压器

基于开关电源拓扑结构的离线 LED 驱动电路可以获得 80%左右的高效率，并且能提供恒流和恒压输出，但是电路比较复杂，成本较高，在有些情况下存在 EMI问题。

图 8 所示是基于控制器 NCPl012 的回扫(反激)式变换器驱动 5 个白光 LED的电路。 该电路的输出 DC 电压为 17.5V,输出功率为 6.125W,效率接近 80%.NCP1012 的开关频率为 65kHz,提供动态自供电(DSS)、过电压及短路保护和过温度保护，无需变压器提供偏置绕组。由于芯片上集成了功率 MOSFET,使外部元件进一步减少。

为满足景观照明、工业照明和建筑照明的需要，近期出现了很多用于驱动 LED 的离线控制器芯片。由于目前手机等便携式设备已趋于饱和，LED的应用将转向景观照明、汽车和大屏幕显示及普通照明领域。离线开关型 LED 驱动电路，将成为今后占主导地位的拓扑结构。LED 太阳能供电系统，将会有一个较大的发展。