摘要：大功率發光二極管因其良好的性能而在照明中得到廣泛應用。首先介紹了發光二極管的電特性，并根據并聯、串聯的特點，對具有較好穩定性與可靠性的LED串并聯組合電路加以分析。研究了用恒定輸出電流驅動大功率LED組的反激式電路，并給出電路參數設計。根據驅動方法，構建了10．0V／1．10A的輸出電路原型，并在額定負荷與過載負荷下進行測試，以檢驗電流的穩定性。試驗結果表明，這個LED驅動電路精度高、性能穩定、效率高，說明所提出的方法對于驅動大功率發光二極管是切實可行的。
關鍵詞：LED照明電路；反激式；恒定電流；驅動電路
1引言
作為一種光源，大功率發光二極管發光效率高、壽命長、穩定性好。隨著半導體技術的快速發展，用LED作為發光器件，是未來若干年的一種發展趨勢。
隨著大功率發光二極管在照明領域的迅速發展，研究高效的驅動方法顯得越來越重要。發光二極管是低壓大電流器件，因而小的電壓變化會引起較大的電流變化。LED的光度主要取決于它的電流，電流太大，會引起器件性能退化；電流太小又會影響其亮度。因此，常采用恒定電流驅動大功率發光二極管。
常規的線性恒流源電路結構簡單，但體積大、效率低，不常用。為了提升電源效率，只好用開關式電源為LED供電。DC－DCPWM轉換器效率高，常用來為LED驅動電路供電。通常，用于LED驅動電路的DC－DCPWM轉換器有BUCK型、BOOST型、BUCK－BOOST型3種，這3種都是非隔離型轉換器［4、5］。然而，有些隔離型的DC－DC轉換器，例如反激式變換器，也可用于LED驅動電路，以獲得恒定輸出電流。反激式變轉器副邊濾波電感可以移開，以獲得電氣隔離，同時減小轉換器體積、降低成本。此外，反激式變換器可以將任意個LED接到任一直流電源，只要調整變壓器匝比即可，因而這種電路成為眾多LED驅動電路的首選。
最近數年涌現出許多新的LED驅動電路。諧振轉換器拓撲技術一直是各種功率電路研究的課題，旨在獲得大功率、低開關功耗和低的EMI。由于這些拓撲技術起著電壓－電流轉換器的作用，其中又沒有使用電流敏感元件，因而對LED的應用也有興趣。具有自動調壓功能的新穎LED驅動電路，是一個電流控制、單端初級電感轉換器（SEPIC），其中采用了順序移相PWM調光方法來調整LED的亮度。
回顧以上，本文提出基于反激式變換器的恒定電流電路，作為9個大功率LED管的驅動電路，其中鎮流器電阻以及輔助電流電路沒有必要，可提供一個高效、小體積、低成本LED照明系統。2發光二極管的電氣特性
2．1發光二極管的電特性
發光二極管的核心是PN結，其伏安關系與普通二極管相同。從理論上講，LED的正向電流與正向電壓呈現指數關系，如式（1）所示。
IF＝I0eqVFβKT－!"1（1）
式中：電荷q＝1．6×10－9C，波茨曼常數K＝1．38×10－23J／K，T為熱動態系數，常數β＝1～2。
當電壓加在LED上，N區電子具有充足能量穿越PN結進入存在空穴的P區。當電子非常接近P區正電荷時，兩種電荷“重新組合”。正負電荷的每一次“重新組合”，就會以光子形式釋放出某頻率的量子電磁能量。因此，穿越PN結的電荷越多，發出的光也就越強。與此同時，電流也隨著發出的移動電荷成正比增加。因此，LED的亮度隨著流過電流而改變。
圖1所示反映了試驗用發光二極管的正向電壓與電流的特性、正向電流與亮度的特性（管子型號：CSHV－NL60SWG4－A2，額定功率1W，額定電流350mA，正向電壓3．4V，發光效率801m／W）。正向電流是在2．6V正向電壓下開始流動，之后隨正向電壓上升在額定值范圍內增加，當正向電壓升至3．3V－3．5V時，正向電流達額定值350mA。正向電流增加，亮度也正比增強。
2．2發光二極管的連接方法
單個發光二極管體形很小，其亮度（取決于驅動電流）不能滿足一般照明要求。為獲得足夠亮度，必須把若干LED相連接，用恒流源為每個LED供電并保障亮度。有串聯、并聯兩種連接方式。
并聯LED可以在不同電流下運行，特別是若其中一個失效（斷開），其余可正常運行。并聯的主要不足在于，由于道閘電阻有偏差的緣故，電流均衡以及穩定運行。此外，道閘電阻隨LED個數正比增加。
串聯連接中，每個LED的驅動電流必然是等效的，盡管電源與道閘電阻有偏差，以保證電源－負載系統的穩定運作。串聯電路更為有效，因為每個LED的亮度穩定。串聯電路的總電壓與電流由LED的接通與損壞（斷開）情況決定的。這種情況會影響LED的亮度。甚至造成LED一個一個地損壞。
考慮到串聯、并聯各自的優缺點，本項目采用LED混聯（串－并聯）負載，恒流源電路穩定性、可靠性俱佳，如圖2所示。
3驅動電路
3．1電路狀態
本項目提出了由反激式DC－DC轉換器組成的LED驅動電路，它帶有恒定輸出電流控制功能，驅動LED照明電路。有了這種驅動電路，整個LED照明電路就變得體積小、重量輕，效率較高。驅動9個大功率LED的電路如圖3所示，其中T1是高頻變壓器，C1是輸入濾波電容，C2是輸出濾波電容，Ei是直流輸入電壓（橋式整流電壓中的），Vo是輸出電壓，Ii是輸入電流，Io是輸出電流，Di是整流二極管，Rd是電流檢測電阻。U1是MOSFET做成的功率管理集成電路，U2是光電偶，用以光電隔離；U3是比較器。
恒定電流輸出電路的依據是負反饋原理。高頻變壓器T1將能量從輸入端傳遞到輸出端。在集成MOSFET“導通”期間，T1在原繞組中儲存能量，輸出電流僅由輸出濾波電容C2供給。在MOSFET“關斷”期間，變壓器儲存的能量被傳輸到LED負載與C2上，這時C2被充電。輸出電流由Rd檢測并轉換為電壓。通過比較檢測電壓與參考電壓，U3產生一個控制信號。U1根據相應的控制信號調節集成MOSFET的“通／斷”時間，從而向LED負載提供恒定輸出電流。
3．2功率管理芯片
本文驅動器所用的功率管理芯片為IC－TNY277，屬于Tiny－SwitchIII系列產品。TNY277芯片把高壓電源MOSFET與電源調控器集成在一個器件上，采用“通／斷”控制技術，成本低，功率可以擴展。TNY277芯片管腳分布如圖3所示，其中D腳是功率MOSFET漏極連接處，提供內部啟動與穩態運行工作電流；S腳內聯到輸出MOSFET源極，獲得高壓電源、控制電路公共端。EN／UV管腳有使能輸入、欠壓檢測兩個功能。正常運行期間，功率MOSFET的切換由這個管腳來控制。
3．3恒定輸出電流電路的分析
本文采用反激式變換器的恒定輸出電流電路，這一節進行電路參數的分析。
直流輸入電壓Ei是整流電壓VAC形成的，其最大值可表示為：
Eimax＝2姨×VACmax（2）
假設功率MOSFET的切換頻率、“導通”時間分別用f、ton來表示，那么，占空比D可按下式定義：
D＝ton×f（3）
驅動電路的輸入功率按下式計算：
Pi＝Poη（4）
其中：Po為輸出功率，η為電路效率。原邊電流平均值Ii可由下式計算。
Ii＝PiEimax＝Poη×Eimax（5）
假設原邊繞組的初始電流為零。在MOSFET“導通”期間，在原邊繞組上有一固定電壓，其中的電流線性上升。在“導通”期間的末端，原邊電流上升到Iip，如圖4所示。
那么，Ii與Iip之間關系可表示為：
Iip＝2Iif×ton（6）
電路的輸出功率由原邊電感與原邊電流決定，其中電感Lp可按下式計算。
Lp＝Eimax×tonIip（7）
在MOSFET“斷開”期間，勵磁電感中的電流迫使原繞組電壓極性反轉。由于電感中的電流不能瞬間巨變，在“斷開”瞬間，原繞組電流傳遞到副繞組后的大小為：
Isp＝Iip×NpNs!"（8）
其中的Np、Ns分別是原繞組、副繞組線圈匝數。
在MOSFET“斷開”期間，副繞組電流線性下跌，如圖4（b）所示，其平均值按下式計算。
Is＝Isp×（1－f×ton）2（9）
最后，根據式（2）－（9），電路的輸出電壓可以表示為：
V0＝η×EimaxN×f×ton1－f×ton!"（10）
其中：N為原繞組／副繞組的匝比。
假設，圖3的參考電壓是Vref，Rd檢測到的電壓是Vdec，穩壓管V4的電壓是V2，那么
Vref＝V2×R2R2＋R3（11）
Vdec＝I0×Rd（12）
當Vdec大于Vref時，光電偶起作用，MOSFET“關斷”，產生輸出電流。反過來，當Vdec小于Vref時，光電偶退出運行，MOSFET轉而“導通”，輸出電流開始增加，最終獲得恒定的輸出電流。
4實驗結果
根據以上分析，設計并制作了（反激式變換器構成）驅動LED的恒定電流電路原型，其輸入電壓范圍為180－260V交流電，電路輸出為10．0V／1．10A。9個大功率白色的LED作為負載，它們具有本文第2部分描述的特性，采用混聯方法。下面所有的實驗都是在室溫26．3℃和62．5％的濕度下完成的。
220V交流電源供電，在額定負荷下連續運行至少90min，每10min對電路測試一次，以驗證其電流的穩定性。測量結果表明，輸出電流在1．11460A與1．1148A范圍內變化，電流誤差為1．0％，電流穩定性為1．0％，如圖5所示。
220V交流電源在過載運行下（LED負載串聯一個電阻），電路持續運行至少90min，每10min測量一次，觀測到輸出電流的變化范圍為1．1158A與1．1160A之間，如圖6所示。當LED陣列串聯一個2Ω電阻作為負荷，輸出電流保持穩定，但大小與比稍小一點，因為受變壓器T1最大輸出功率的限制。
帶額定負荷（只帶LED），在180－260V交流下運行，輸出電流近似為1．11A，電路效率基本上在78％，電流誤差0．9％，電流穩定性1．2％，如圖7所示。
5結論
大功率LED光效率高、壽命長、穩定性好，在照明中應用廣泛。但LED驅動電路在效率、可靠性、穩定性方面存在不足，妨礙了成本降低、限制了運行壽命和LED照明線路的應用范圍。由于大功率LED的這些特點，本項目研究了基于反激式變換器的恒流輸出電路，設計、制作出輸出10．0V1．10A的原型電路。在180－260V交流電壓下，測得電流誤差0．9％、電流穩定性1．2％、電路效率78％。這些說明，本文提出的驅動方法，精度高、穩定性好、效率高。