大功率LED高频驱动电路设计方案

　　实验表明大功率LED 在高频驱动下发光亮度与持续恒流驱动相比变化不大， 但发热量却有明显的下降。LED 在一个脉冲周期内只有高电平时才导通发光产生， 而在低电平时LED 熄灭， 此时LED 热量迅速辐射出去。频率越高单位时间内LED与空气热交换次数越多， LED芯片温度越低。为了散热大功率LED芯片大多数是贴装在铝基板上的， 铝基板与空气之间主要是通过对流的方式进行热传递的。LED 持续点亮时， LED芯片温度变化缓慢， 铝基板附近一个区域内有一个温度梯度， 形成层流区域。LED 在高频驱动下芯片温度会不断地变化， 温度梯度被打破， 铝基板附近就形成了湍流区域。由热力学知识可知湍流的对流换热系数远远大于层流的对流换热系数， 那么在单位时间内铝基板向湍流区域发散的热量就要远远大于层流区域。由此可知LED 在高频驱动下发热量比持续导通时低。这样采用高频驱动方式LED 可以有效地降低芯片的温度， 从而减小LED 光衰， 延长LED 使用寿命， 另外也有助于简化LED 灯具的散热设计。由于受到LED 和驱动器件的响应时间的限制，以及高频本身会引起器件发热， 采用基于恒流二极管高频驱动源的频率应小于2MH z。

　　LED 调光主要有模拟调光和PWM 调制调光两种方式。由于LED 在低电流时会产生色衰， 因此模拟调光一般不常用。PWM 调制通过改变脉冲占空比来实现， 调节二极管D1负极输入高频脉冲的占空比， 即可实现LED调光。

图5 基于恒流二极管的5W 白光LED高频驱动电路

　　图5为基于恒流二极管的5W 白光LED高频驱动电路。高频自激式开关电路将交流市电转换为20V 直流电， 经恒流二极管2THL300后输出电流恒定为300mA。在开关电路中高频变压器磁芯为EE 16, 原边N 1绕制12圈， N2 绕制210圈， 副边绕制40圈。

　　D5 为6. 2 V 稳压二极管， 用以稳定输出电压， Q 1为功率型开关管M JE13003, D16 为锗管。由NE555 构成频率为200 kH z占空比1 /6 ~ 5 /6 可调的高频脉冲发生电路， 用来控制恒流二极管通断。5颗1W 白光LED串联， 每颗LED电流相同， 发光亮度一致。调节可调电阻R 9实现PWM调光。

　　4 小结

　　笔者介绍的高频LED 驱动电路使用恒流二极管实现了LED的高效恒流驱动。由于恒流二极管的工作电压范围比较宽， 在输入直流电压大范围波动时，驱动电路仍然能够保证恒定电流输出， 且不会因负载短路而烧毁。通过调节高频脉冲信号的占空比很容易实现调光， 并且不会出现LED色度偏移现象。采用高频方式驱动减小LED 的发热量， 从而简化了LED灯具的散热设计。另外采用高频恒流驱动方式相比持续恒流驱动可以节省40%左右的电能， 达到了高效节能的目的。

　　主要创新点是通过在驱动回路中串入大电流恒流二极管， 实现驱动源恒电流输出。高频脉冲信号控制恒流二极管通断， 瞬态驱动大功率LED, 有效地降低了LED芯片发热， 节能40% 左右。