工程师详解一种高可靠性的LED照明驱动电路设计

随着固态照明工业领域的兴起与不断改进，发光二极管(LED) 因其具有高效、节能、寿命长、环保等特点，已成为现今照明技术的可选方案，并逐渐被应用于照明。促使人们关注LED 照明技术的一个关键因素是，其大大降低了能源的消耗，并可实现长期可靠的工作。有理由相信，这种新型的固态照明，必将带来人类照明领域的第三次革命。

当然，采用LED 照明，首先需要考虑的是其亮度、成本以及寿命。由于影响LED 寿命的主要原因是其频繁启动瞬间的电流冲击，外界的各种浪涌脉冲，以及正常工作时的电流限制等，本电路综合了这些因素，从电路设计上尽量避免大电流对 LED 照明灯具的冲击，并将其工作电流稳定在某一范围内，解决了目前LED 照明灯具的亮度衰减问题从而有效地延长其使用寿命。

驱动电源

LED均采用直流驱动，因此在市电与LED 之间需要加一个电源适配器即LED 驱动电源。它的功能是把交流市电转换成适合LED 的直流电。

LED驱动电源按其驱动方式可以分为恒流式和稳压式。恒流式驱动电路输出的电流是恒定的，输出的直流电压随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高。对于稳压电源电路而言，其输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化。

由于LED是电流随电压变化显着的器件， 当LED正向导通时，其正向电压的微小变化便可引起LED电流的巨大变化。对于稳压式LED 驱动电源而言，当负载变化时，电流波动较大，LED在大电流下工作较长时间会损坏。实验表明当流经LED的实际电流为其允许的最大电流的70 %时，LED的发光效能为最佳。同时，由于发光二极管PN 结的电压温度系数为- 2 mVP℃左右，当LED 散热不良导致温度升高时，其工作电流也会较初始阶段有明显变化，这也是市面上各种LED 产品快速老化的主要原因。显然，保证LED 的驱动电流稳定对于LED 的防老化显得尤为重要。因此，恒流式驱动电源是比较理想的LED 驱动方式。

通常驱动LED 均采用专用恒流源或者驱动芯片，当受体积和成本等因素的限制时，最经济实用的方法就是采用电容降压式电源。用它驱动小功率LED 具有不怕负载短路、电路简单等优点，而且一个电路能驱动1~70 个小功率LED。但是，这种电源电路启动时的电流冲击，尤其是频繁启动，会给LED造成破坏。当然，采取适当的保护便可避免这种冲击。

图1 电容降压式电源的典型电路

电容降压式电源的典型电路如图1 所示，C1 为降压电容器(采用金属化聚丙烯电容) ，R1 为C1提供放电回路。电容C1为整个电路提供恒定的工作电流。电容C2为电解电容，其耐压值取决于所串联的LED的个数(约为其总电压的1. 5 倍以上) ，它的主要作用是抑制通电瞬间引起的电压突变，从而降低电压冲击对LED 寿命的影响。R4 为电容C2的泄流电阻，其阻值应随着LED个数的增加适当增加。

需要注意的是，必须根据负载的电流大小选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率，通常降压电容C1 的容量C 与负载电流Io 的关系可近似认为：C = 14. 5 I ，其中C 的容量单位是μF ，Io 的单位是A.限流电容必须采用无极性电容，而且电容的耐压值须在630 V以上。

保护电路

由于电容降压电源是一种非隔离式电源，在通电瞬间会产生很大的电流，也就是所谓的浪涌电流。

此外，由于外界环境的影响如雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌信号，有些浪涌会导致LED的损坏。而LED抗浪涌电流和抗反向电压能力都比较差，加强这方面的保护也非常重要，尤其是有些LED灯装在户外，如LED路灯。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。本电路采用NTC(负温度系数热敏电阻) 来限制电流的突变，利用PTC(正温度系数热敏电阻) 自动调节电流大小使之趋于某个特定的变化范围，同时在电源输入端并有TVS(瞬态电压抑制器) 以避免电压过载。

1 NTC 保护

NTC 是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC 热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。限制浪涌电流的最简单有效的方法是在线路输入端串联一只NTC热敏电阻，如图1中的R2，由于在冷启动时，NTC热敏电阻呈现高阻抗，因而使浪涌电流得到限制。而当电流的热效应使NTC热敏元件的温度升高，NTC阻值急剧下降时，对系统的电流限制作用会较小。由于NTC热敏电阻在热态下的阻抗并不是零，故会产生功率损耗，当然，这种损耗是很小的。

2 PTC 保护

PTC(Positive Temperature CoefflCient)是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料。为使电路中的电流在正常工作下趋于稳定，本电路还采用了PTC热敏电阻，如图1中的R3，电流通过PTC 热敏电阻后引起温度升高，即发热体的温度上升，当超过居里点温度后，电阻增加，从而限制电流增加，于是电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能。

PTC元件串接在电路中，正常情况下，呈低阻状态，保证电路正常工作；当电路发生短路或窜入异常大电流时，PTC元件的自热使其阻抗增加把电流限制到足够小，起到过电流保护作用。当产生过电流的故障得到排除， PTC元件自动复原到低阻状态。

既避免了维护更换，也避免了可能引起电路损坏的持续循环的开闭状态。

3 TVS 保护

瞬态电压抑制器( Transient Voltage Suppressor) ，简称TVS ，是在稳压管基础上发展起来的一种高效保护器件，主要用于对电路元件进行快速过压保护。

当TVS管两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10~12秒量级的速度将两极间的高阻抗变为很低的阻抗，吸收高能量的浪涌，将两极间的电压箝位于一个预定值，保护电子线路中的元器件免受各种浪涌脉冲的冲击而损坏。

对于过压保护这一方面，本电路就是在电源输入端并联了TVS ，如图1 中的D2，这样可以将电压维持在TVS 最大承受范围之内，当出现电压高于TVS击穿点的过压的现象时，可以让电流流经TVS，藉此保护LED 照明灯具。

结论

图2  LED 照明灯具

实验表明，将指针万用表串入电路后，在电路通电瞬间，指针突然偏转大角度的现象得到明显的改善，有效地防止了浪涌电流对LED的冲击。同时，启动一段时间后，电流有所下降，并逐渐趋于稳定。用1W的金属膜电阻或绕线电阻代替NTC 也可达到要求，过压保护选用TVS或者压敏电阻均可。在线路板设计方面，需要注意的是，高压输入部分(即电源输入端到整流桥部分) 应尽量远离后面的负载电路，而且在允许的情况下，高压输入部分导线间的距离应保证在1 mm以上。基于这些方面的考虑，设计了如图2 所示LED照明灯具，此照明模块已经连续工作了4 年左右，亮度未见有所衰减，而且未经任何维护。此电路易于推广、普及，可广泛应用于公共照明、走廊、仓库等，极具商业化前景。