LED照明燈驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

隨著固態(tài)照明工業(yè)領(lǐng)域的興起與不斷改進(jìn)，發(fā)光二極管（LED）因其具有高效、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等特點(diǎn)，已成為現(xiàn)今照明技術(shù)的可選方案，并逐漸被應(yīng)用于照明。促使人們關(guān)注LED照明技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵因素是，其大大降低了能源的消耗，并可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可靠的工作。當(dāng)然，采用LED照明，首先需要考慮的是其亮度、成本以及壽命。由于影響LED壽命的主要原因是其頻繁啟動(dòng)瞬間的電流沖擊，外界的各種浪涌脈沖，以及正常工作時(shí)的電流限制等，筆者在本文介紹的電路綜合了這些因素，從電路設(shè)計(jì)上盡量避免大電流對(duì)LED照明燈具的沖擊，并將其工作電流穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)，解決了目前LED照明燈具的亮度衰減問(wèn)題，從2而有效地延長(zhǎng)其使用壽命。

一、驅(qū)動(dòng)電源

LED均采用直流驅(qū)動(dòng)，因此在市電與LED之間需要加一個(gè)電源適配器即LED驅(qū)動(dòng)電源。它的功能是把交流市電轉(zhuǎn)換成適合LED的直流電。通常驅(qū)動(dòng)LED采用專(zhuān)用恒流源或者驅(qū)動(dòng)芯片，容易受體積和成本等因素的限制，最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法就是采關(guān)于LED的驅(qū)動(dòng)方式LED驅(qū)動(dòng)電源按其驅(qū)動(dòng)方式可以分為恒流式和穩(wěn)壓式。恒流式驅(qū)動(dòng)電路輸出的電流是恒定的，輸出的直流電壓隨著負(fù)載阻值的大小不同會(huì)在一定范圍內(nèi)變化，負(fù)載阻值小，輸出電壓就低，負(fù)載阻值越大，輸出電壓也越高。對(duì)于穩(wěn)壓電源電路而言，其輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化。

由于LED是電流隨電壓變化顯著的器件，當(dāng)LED正向?qū)〞r(shí)，其正向電壓的微小變化便可引起LED電流的巨大變化。對(duì)于穩(wěn)壓式LED驅(qū)動(dòng)電源，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電流波動(dòng)較大，LED在大電流下工作較長(zhǎng)時(shí)間會(huì)損壞。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)流經(jīng)LED的實(shí)際電流為其允許的最大電流的70%時(shí)，LED的發(fā)光效能為最佳。同時(shí)，由于發(fā)光二極管PN結(jié)的電壓溫度系數(shù)為-2mV/℃左右，當(dāng)LED散熱不良導(dǎo)致溫度升高時(shí)，其工作電流也會(huì)較初始階段有明顯變化，這也是市面上各種LED產(chǎn)品快速老化的主要原因。顯然，保證LED的驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定對(duì)于LED的防老化顯得尤為重要。因此，恒流式驅(qū)動(dòng)電源是比較理想的LED驅(qū)動(dòng)方式。用電容降壓式電源。用它驅(qū)動(dòng)小功率LED，具有不怕負(fù)載短路、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且一個(gè)電路能驅(qū)動(dòng)1～70個(gè)小功率LED（但是，這種電源電路啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，尤其是頻繁啟動(dòng)，會(huì)給LED造成破壞。當(dāng)然，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)便可避免這種沖擊）。

F，oI的單位是A。限流電容必須采用無(wú)極性電容，而且電容的耐壓值須在630V以上。m電容降壓式電源的典型電路如圖1所示，C1為降壓電容器（采用金屬化聚丙烯電容），R1為C1提供放電回路。電容C1為整個(gè)電路提供恒定的工作電流。電容C2為電解電容，其耐壓值取決于所串聯(lián)的LED的個(gè)數(shù)（約為其總電壓的1.5倍以上），它的主要作用是抑制通電瞬間引起的電壓突變，從而降低電壓沖擊對(duì)LED壽命的影響。R4為電容C2的泄流電阻，其阻值應(yīng)隨著LED個(gè)數(shù)的增加適當(dāng)增加。需要注意的是，該電路必須根據(jù)負(fù)載的電流大小選取適當(dāng)?shù)碾娙?，而不是依?jù)負(fù)載的電壓和功率，通常降壓電容C1的容量C與負(fù)載電流Io的關(guān)系可近似認(rèn)為：C=14.5oI，其中C的容量單位是

圖2PTC熱敏電阻

二、保護(hù)電路

由于電容降壓電源是一種非隔離式電源，在通電瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的電流，也就是所謂的浪涌電流。此外，由于外界環(huán)境的影響（如雷擊），電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌信號(hào)，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。而LED抗浪涌電流和抗反向電壓能力都比較差，加強(qiáng)這方面的保護(hù)也非常重要，尤其是有些LED燈裝在戶外（如LED路燈）。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入、保護(hù)LED不被損壞的能力。本電路用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻來(lái)限制電流的突變，利用正溫度系數(shù)熱敏電阻自動(dòng)調(diào)節(jié)電流大小，使之趨于某個(gè)特定的變化范圍，同時(shí)在電源輸入端并有瞬態(tài)電壓抑制器以避免電壓過(guò)載。

（一）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻保護(hù)

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻簡(jiǎn)稱(chēng)NTC熱敏電阻，NTC是NegativeTemperatureCoefficient的縮寫(xiě)，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，限制浪涌電流的最簡(jiǎn)單有效的方法是在線路輸入端串聯(lián)一只NTC熱敏電阻，如圖1中的R2。由于在冷啟動(dòng)時(shí)，NTC熱敏電阻呈現(xiàn)高阻抗，因而使浪涌電流得到限制。而當(dāng)電流的熱效應(yīng)使NTC熱敏元件的溫度升高，NTC阻值急劇下降時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的電流限制作用會(huì)較小。由于NTC熱敏電阻在熱態(tài)下的阻抗并不是零，故會(huì)產(chǎn)生功率損耗，當(dāng)然，這種損耗是很小的。

（二）正溫度系數(shù)熱敏電阻保護(hù)

正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC（PositiveTemperatureCoefflCient）是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻。為使電路中的電流在正常工作下趨于穩(wěn)定，本電路還采用了PTC熱敏電阻（見(jiàn)圖2），如圖1中的R3。電流通過(guò)PTC熱敏電阻后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當(dāng)超過(guò)居里點(diǎn)溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導(dǎo)致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度又升高，周而復(fù)始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能。正常情況下，PTC元件串接在電路中，呈低阻狀態(tài)，保證電路正常工作；當(dāng)電路發(fā)生短路或竄入異常大電流時(shí)，PTC元件的自熱使其阻抗增加把電流限制到足夠小，起到過(guò)電流保護(hù)作用。當(dāng)產(chǎn)生過(guò)電流的故障得到排除，PTC元件自動(dòng)復(fù)原到低阻狀態(tài)。既避免了維護(hù)更換，也避免了可能引起電路損壞的持續(xù)循環(huán)的開(kāi)閉狀態(tài)。

圖3筆者制作的照明模塊

（三）瞬態(tài)電壓抑制器保護(hù)

瞬態(tài)電壓抑制器（TransientVoltageSuppressor），簡(jiǎn)稱(chēng)TVS，是在穩(wěn)壓管基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高效保護(hù)器件，主要用于對(duì)電路元件進(jìn)行快速過(guò)壓保護(hù)。當(dāng)TVS管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10～12s量級(jí)的速度將兩極間的高阻抗變?yōu)楹艿偷淖杩梗崭吣芰康睦擞?，將兩極間的電壓鉗位于一個(gè)預(yù)定值，保護(hù)電子線路中的元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊而損壞。對(duì)于過(guò)壓保護(hù)這一方面，本電路就是在電源輸入端并聯(lián)了TVS，如圖1中的VD3，這樣可以將電壓維持在TVS最大承受范圍之內(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)電壓高于TVS擊穿點(diǎn)的過(guò)壓現(xiàn)象時(shí)，可以讓電流流經(jīng)TVS，借此保護(hù)LED照明燈具。實(shí)驗(yàn)表明，將指針萬(wàn)用表串入電路后，在電路通電瞬間，指針突然偏轉(zhuǎn)大角度的現(xiàn)象得到明顯的改善，有效地防止了浪涌電流對(duì)LED的沖擊。同時(shí)，啟動(dòng)一段時(shí)間后，電流有所下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。在器件的選用方面，用1W的金屬膜電阻或線繞電阻代替NTC也可達(dá)到要求，過(guò)壓保護(hù)選用TVS或者壓敏電阻均可。在線路板設(shè)計(jì)方面，需要注意的是，高壓輸入部分（即電源輸入端到整流橋部分）應(yīng)盡量遠(yuǎn)離后面的負(fù)載電路，而且在允許的情況下，高壓輸入部分導(dǎo)線間的距離應(yīng)保證在1mm以上?；谶@些方面的考慮，筆者設(shè)計(jì)了如圖3所示LED照明燈具，此照明模塊已經(jīng)連續(xù)工作了4年左右，亮度未見(jiàn)有所衰減，而且未經(jīng)任何維護(hù)。此電路易于推廣、普及，可廣泛應(yīng)用于公共照明、走廊、倉(cāng)庫(kù)等。