输出恒流又被称为“镇流”,本节给出LED 驱动器输出恒定电流的四种方案,分别是镇流电阻、镇流电容、线性恒流驱动电路、开关恒流驱动电路。

1.镇流电阻

镇流电阻原理图如图3.13所示。这是一种极其简单,自LED 面世以来至今还一直在使用的经典电路。LED 工作电流I 按下式计算：

图3.13　镇流电阻原理图

I 与镇流电阻R 成反比,当电源电压U 上升时,R 能限制I 的过量增长,使I不超出LED 的允许范围。此电路的优点是简单、成本低；缺点是电流稳定度不高,电阻发热消耗功率,导致用电效率低,仅适用于小功率LED 范围。

在实际应用中,单只小功率LED 仅能做信号灯。要想做成LED 灯具,有时要用到几十甚至数百只超高亮度小功率LED,才能达到使用要求。

图3.14　镇流电阻结构图

为便于供电(高电压、小电流),最好直接由市电～220V 供电,通常将许多LED 串联后,再串一只镇流电阻组成一条支路,最后将若干条支路并联起来构成整个灯具电路,如图3.14(b)所示,这种接法简称为“串并”接法。此接法有一个明显的缺点是：支路中的任一只LED 断路时,该支路所有LED 都不亮,故障影响面较大。

一种经改进的“串并串”接法可解决这个问题,如图3.14(a)所示。所谓“串并串”是先用少量LED 串联再串联镇流电阻组成一条支路,再将若干条支路并联组成“支路组”,最后将若干“支路组”再串联构成整个灯具电路。此种接法不仅缩小了断一只LED 的故障影响面,而且将镇流电阻化整为零,将几只大功率电阻变成几十只小功率电阻,由集中安装变成分散安装,这样既利于电阻散热,又可以将灯具设计得更紧凑。根据经验,支路串联LED 数不宜多,一般取3～6只；支路并联数不宜少,至少应大于5条。这样当1条支路断路时,其余4条支路电流都将增加25%,因此,在选定LED 正常工作电流时要留出过载余量。

2.镇流电容

镇流电容结构图如图3.15所示。在交流电路中,电容存在容抗XC,通交流,阻直流,起到了稳定输出直流电压Uo的作用。

另外,电容消耗无功功率,不发热,而电阻则消耗有功功率,会转化为热能耗散掉,所以镇流电容比镇流电阻能节省一部分电能,并可将LED 灯直接接到市电～220V 上,使用更为方便。

此方案的优点是简单,成本低,供电方便；缺点是电流稳定度不高,效率也不高。此方案仅适用于小功率LED 范围。

图3.15　镇流电容结构图

在图3.15中,直流输出电流为

式中,N 为支路数,I 为支路电流,0.8为安全系数。

镇流电容容抗为

电容为

因电路输入侧是交流,输出侧经整流滤波成直流,很难计算出C 值。由式(3.4)计算出的C 值精度很低,只能作为参考值,其准确值只有通过实验来确定。

电容C1 起滤波作用,这点非常重要。如果取消它,用示波器从R 两端观察到LED将会承受很高的尖峰电流,威胁LED 的使用安全。有了它可降低电流的峰值,提高平均值。C1 的值也是通过实验来确定的,使峰值与平均值之比,即峰值系数KM控制在1.2～1.3比较合适,即

电阻R1 是为限制合闸冲击电流而设置的,其值不宜大。电阻R2、R3 是电容C、C1 的放电电阻,保证断电后,电容C、C1 存储的电荷能迅速泄放掉,避免因触及而遭受电击。

3.线性恒流驱动电路

上面已经提到,电阻、电容镇流电路可以看成是直流恒压电源,其原理是：通过负载的电压恒定使得流过LED 的电流恒定。但这两种镇流方案的缺点是电流稳定度低(电流稳定度是在一定时间内,多次测量通过负载的电流大小,利用公式计算得出),用电效率也低(约50%～70%),仅适用于小功率LED灯。

为了满足中、大功率LED灯的供电需要,利用电子技术中常见的电流负反馈原理,设计出许多恒流驱动电路。像直流恒压电源一样,按其调整管是工作在线性状态,还是工作在开关状态,恒流驱动电路也分成两类：线性恒流驱动电路和开关恒流驱动电路。

图3.16是最简单的两端线性恒流驱动电路。它借用三端集成稳压器LM337 组成恒流电路,稳压器LM337的1脚和2脚之间的基准电压为1.25V。外围仅用两个元件：电流取样电阻R 和抗干扰消振电容C。

恒流值I 由R 值来确定：

反过来,根据所要求的恒流值I,可计算电流取样电阻：

图3.16　线性恒流驱动电路

LM337最大输出电流可达1.5A,工作压差≤40V,稳流精度高,可达±1%～2%,内部设有过流、过热保护,使用安全可靠。LM337工作在线性状态,其功率损耗P=U0I,在恒流值I 已定的情况下,只有降低工作压差U0 才能降低功耗。合适的工作压差为4～8V,低于3V 将不恒流了。

线性恒流驱动电路一般与直流开关稳压电源配合使用。电源稳压值按下式计算：

式中,N 为LED 串联个数；UL 为单只LED 正向工作电压；U0 为恒流驱动电路额定工作压差,一般取6V 计算。

用电效率为(www.daowen.com)

分析式(3.9)可知,降低U0 及增加N,可提高效率。

如果直流电源采用负极接地(接机壳),集成块LM337可直接安装在机壳上,散热效果更好。

4.开关恒流驱动电路

上述线性恒流驱动电路虽具有电路简单、元件少、成本低、恒流精度高、工作可靠等优点,但使用中也发现几点不足：

·调整管工作在线性状态,工作时功耗高、发热大(特别是工作压差过大时),不仅需要较大尺寸的散热器,而且降低了用电效率。

·电源电压要求按式(3.8)与LED 工作电压严格匹配,不允许大范围改变。也就是说,它对电源电压及LED 负载变化的适应性差。

·它仅能工作在降压状态,不能工作在升压状态,即电源电压必须高于LED 工作电压。

·供电不太方便,一般要配开关稳压电源,不能直接用～220V 供电。

采用开关恒流驱动电路能较好地解决上述问题。下面介绍几种开关恒流驱动电路实例。

(1)直流低压开关恒流驱动电路。

下面介绍一种由IC 构成的开关恒流驱动电路,这是一个它激开关恒流电路,其中使用了德州仪器公司生产的集成电路MC34063A。其内部结构框图如图3.17所示。

图3.17　MC34063A 内部框图

其中包含有占空比控制单元电路：1.25V 基准电压、误差比较器、振荡器、RS触发器等,还包含有驱动管Q2 和输出开关管Q1。在它的外围接上高频变压器T 及少量电子元件,就构成将6V 电源升压至12V 0.3A 的开关恒流电路,如图3.18所示。图3.18 中RSC 为限流电阻,它检测开关管Q1 流过的电流,使Q1 的电流不超过1.5A。R1 为驱动管Q2 的集电极电阻。CT 是振荡器定时电容,选用470pF时,开关频率约70kHz。VD1、R2、C2 构成过压吸收电路,在Q1 关断瞬间,将在Q1 集电极上所产生的反冲电压尖峰(下+、上-)吸收掉,防止Q1 被击穿。同时串接在次级绕组上的VD2、C3 完成整流滤波作用,并给LED 供电。R5 是电流取样电阻,当LED 工作电流在其上产生的压降等于1.25V 时,占空比受控,输出电流就进入恒流状态。

图3.18　基于MC34063A 的开关恒流驱动电路

恒流值计算公式如下：

MC34063A 的输入电压范围为3～40V,既可构成升压电路,也可构成降压电路,如有必要,还可外接开关管扩大输出电流和功率。

(2)交流220V 开关恒流驱动电路。

上面介绍的直流低压开关恒流电路适用于干电池、蓄电池、开关稳压电源供电的场合。如果能直接用市电～220V 给LED 灯供电,那是最方便不过了。交流220V 开关恒流驱动电路实际由交流220V 开关恒压源电路和线性或开关恒流源电路复合而成。前面对于直流低压输入的恒流源电路设计,已经给出了实例,这里仅对交流220V 开关恒压源电路设计进行介绍。

交流220V 开关恒压源电路的设计需解决降压、整流、变换效率、较小的体积、较低的成本以及安全隔离等一系列问题。单片集成开关电路TOPSwitch系列产品几乎全面满足了上述要求,应属首选方案。

TOP224Y 是三端器件(图3.19)。从外表看,它像一只普通的功率三极管,但内部电路非常复杂,它把开关电源所必需的PWM 控制器,100kHZ高频振荡器,高压启动偏置电路,误差放大器,过流、过热保护,功率开关管MOSFET 都集成在一起了。外围元件减至最少,这样大大地简化了开关电源的设计和制作。

它的三个端子分别叫控制极C、源极S、漏极D。三个极都是一极多用。

·控制极C的作用：

♢利用反馈控制电流IC 的大小来调节输出开关管的占空比D。从图3.20可以看出IC 增大,D 减小；反之,IC 减小,D 增大。

♢与内部并联调整器/误差放大器相连,能为芯片提供正常工作所需的偏流。

♢作为电源旁路、自动重启动和补偿电容的连接点。

·漏极D 的作用：

♢与片内功率开关管的漏极相连。

♢在启动期间,高压电流源经过内部开关给内部电路提供偏置电流。

♢它还是内部功率开关管工作电流的检测点。

·源极S的作用：

♢与片内功率开关管的源极相连,作为高压电源返回端。

♢作为一次侧控制电路的公共地和基准点。

图3.19　TOP224Y 引脚图

图3.20　占空比-电流关系图

由TOP224Y 构成的15V,2A 输出的直流开关电源电路如图3.21所示。采用三块集成电路：IC1 是单片稳压器TOP224Y,IC2 是光耦合器NEC2501,IC3 是精密基准电压源TL431。TL431(IC3)与光耦合器NEC2501(IC2)构成电气隔离式外部误差放大器,再与TOP224Y 内部误差放大器配合使用,对TOP224Y(IC1)的控制端电流进行精细调整,从而大大提高了稳压性。

图3.21　由TOP224Y 构成的应用电路

15V 稳压输出经R4,R5 分压后得到取样电压,与TL431内部2.5V 基准电压进行比较,通过改变K 端电位来控制IC2 中发光二极管的电流,进而调节控制端电流Ic。R1 是发光二极管的限流电阻,并能设定控制环路的直流增益。R4 与C8 还决定了外部误差放大器的频率特性。