反激式LED恒流驱动电路的设计与实现

包伟+田丽+杜道昶

摘 要 本文针对LED驱动电路质量参差不齐的现状，设计了一种反激式变换LED恒流驱动电路，其输出功率为120W，输出电压为33V～37V，该电路采用串并混合连接，结合功率因数校正电路和反激式变换电路等方法来实现恒流驱动电路的设计。性能测试表明，其输出恒流效果较好，电流稳定度约2.7%，输出电压纹波低，可用于恒流驱动混联方式组成的多只LED阵列。

关键词 LED光源；反激式；恒流电路；功率因数校正；连续导通模式

中图分类号TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）161-0174-03

LED即为发光二极管的缩写，其英文全称为Light Emitting Diode，它是在具备普通二极管性质的基础上，具有发光特质的半导体组件。在其工作过程中，LED的核心为具有单向导电性能的PN结，当给予PN结正向电压时，电能会被转化为光能，这是由于电子会由N区移动至P区，当电子与多数载流子在P区进行复合是，便会以光的形式将多余的能量释放出来。反之，当给予PN结负向电压时，少数载流子难以与电子复合，空间电荷区变宽，则没有多余的能量释放，故不能发光。通常采用发光效率、发光强度、光通量、光强分布和波长等参数来表达LED的光学特性。

基于LED的寿命长、效率高和节能环保等特点，目前已经被广泛应用于城市照明中。结合LED的光通量与电流关系曲线，以及伏安特性曲线的分析，可以得出电流大小对其光照强度有决定性的影响，电流也对其光通量有必然的影响，所以恒定的电流条件才能获得稳定光照强度。基于此，本文对电流的恒定性进行研究，设计了一种反激式电路，其输出功率为120W，输出电压为33V～37V，该电路可以通过结合功率因数校正电路和反激式变换电路的方法来进行设计，采用串联和并联混合使用的方法，为120只功率为1W的LED照明灯提供电流输入。最终，本文建立了一种反激式LED恒流驱动电路。

1 LED恒流驱动电路组成

本文结合功率因数校正电路和反激式变换电路的理念，设计了一种恒流驱动的LED电路。它主要有220V交流电压为输入，通过EMI滤波、整波滤波、升压交变等部分组成，其中，交变电流通过EMI滤波及整流滤波后，继而进入到校正电路中对功率进行校正，而后续的反激式变换电路则进行降压交换处理，恒流控制则采用AP4310芯片为核心的电路进行，继而抽样调整，最终将稳定的恒流输入到LED光照设备中。该电路体系中，通过过流、过压以及过温3种保护方式来进行电路保护。

2 LED恒流驱动电路设计

2.1 LED负载为混联方式

如图1所示，LED负载排布为串联和并联混合使用的矩阵排布方式，对120只功率均为1W的LED灯组成。其中，串联的LED上的电流基本一致，但由于数量较多，其输出电压则会较大；采用并联方式连接是，其输出电压相对较低，但对驱动电流容量要求则相对高一些。

式中，I1-L表示支路电流，I0为总输出电流，L为LED的并联列数，V0为输出电压，Vi为单个LED灯的正向电压，H为单个并联支路中串联的LED灯个数，RP则表示其单个LED的电阻。

2.2 LED恒流源输入整流滤波电路设计

如图2所示为EMI滤波及整流滤波电路，其中R1-3为压敏电阻器，主要用来电路中的过电压，R4为热敏电阻，用来调整电路接通瞬间的浪通电流。而两级共轭滤波电路则由LP1-2和R5-6等部分组成，RY1-2接机。B1为整流桥，主要实现电压的直流转换。

2.3 功率因数校正电路设计

功率因素校正的主要有单级式和双级式这两种电路的结构[ 1 ]。在这篇文章里所采用的是双极式的电路。这一功率校正电路的前级所采用的压式变换器是以OB6563这一芯片组成的，由于功率因数的大大增加，使其能够提供大概400V直流电压以确保后级电路的工作。在连续导通CCM模式的控制之下，电路控制策略是由芯片的乘法器进行运算的。在这款高性能的PFC芯片，拥有着9.5V～28V的较为宽广的工作范围[2，3]，而与大电压范围对应的缺失较小的工作电流。对于其组成部分，则包含了场效应模式下的管驱动逻辑电路、零电流的检测（ZCD）处理电路以及针对总谐波分布进行优化的乘法器等，能够对电流进行逐周期的限制，并且还能够在电压不够时进行限制，在电压过高时进行保护的功能。

2.4 恒流控制电路设计

如图3所示为恒流控制的电路图，图中运放负反馈元件为C4～5、R6～7，Rt为热敏电阻，R13～14为电阻，其与Q3形成过温补偿电路。由图可知，其中AP4310芯片为核心组成部分之一，且该芯片拥有独立的两路开环误差放大器[4，5]。在其工作过程中，通过运放1来进行电压的操控，由R1 1等进行输出电压LED到芯片2脚的等分压输入处理，且保持其3脚处拥有2.5V的稳定电压。对于其二极管D1的光耦，则由放大器1进行输出，以进行LED电压的反馈电路的构建。而电流操控则由运放2进行。对R3电阻进行电流取样，并将其转换的电压输送到芯片6脚，对于二极管D3的光耦则由放大器2进行输出，以进行LED电流的反馈电路的构建，且在此过程中，反馈位置为如前所述反激式变换级，以对电流进行稳定处理。

2.5 部分参数测试

论文的试验结果如图4所示。图中的（a）图是功率因数乘法器输入电压取样点电压，电压值保持在0.8V左右。如图4（b）所示为针对功率因数乘法器的输出电压的取样结果，约为2.4V。如图4（c）所示为反激变换场效应条件下的管漏极电压的波形图。从图中能够发现，漏极电压幅值峰的最高值大概是340V，并保持在5.5μs左右的导通时间。如图4（d）所示为对于反激变换电路进行电流取样后的电阻电压的波形图，其电压的最大极值约为0.24V左右，当达到峰值时，立马停止场效应管。如图4（e）所示为输出电流-电压的曲线，当其电压处于220V时，该曲线则可以对调整负载进行检测获得。【560】在负载在10Ω到24Ω变化时（之中间隔1Ω），单只LED管电流开始从0.290A慢慢降低到0.282A，电流变化量大概是0.08A，电流稳定程度大概是2.7%，电压从35.2V提升到约36.8V后，开始变得恒定。图中的（f）是LED恒定电流源输出电压纹波曲线，在图上可以发现，纹波比较小，最高值大概是70mV。利用针对LED恒定电流源开始长时间运作通电检测，结论表示运作稳定，可以达到驱动数只大功率LED的目的。

3 结论

本文通过理论分析，核心内容是构造了一种输出功率是120W的反激式变换LED恒定电流驱动电路，它的输出电压范围是33V～37V，可以在120只功率是1W的LED管运用10串联12并联混合联接的模式构成的LED阵列中供给驱动电源。借助对它们功率因数校正电路、反激式变换电路、恒定电流操控电路采取试验和性能检测，可以发现它们的负载在10Ω到24Ω变换时，恒定电流效果更好，电流稳定程度为2.7%左右，输出电压纹波较低，仅仅是70mV左右，有效地展现了该反激式LED恒定电流驱动电路，实现了大功率LED驱动和稳定电流的作用。

参考文献

[1]李环平.LED驱动电源的研究与设计[D].华南理工大学，2010.

[2]李振森.单级PFC反激式LED驱动电源设计与研究[D].杭州电子科技大学，2010.

[3]蒋汇.一种离线反激式的LED恒流驱动芯片设计[D].电子科技大学，2014.

[4]王世松，刘廷章，尚晓锋，沈晶杰.基于TNY279的LED恒流驱动电路的设计与实现[J].电力电子技术，2011（3）：93-96.

[5]刘涛.LED恒流驱动开关电源的研制[D].电子科技大学，2009.