LED驱动电路及多路均流技术探讨

　　0 引言

　　与传统的白炽灯和日光灯相比，LED具有环保、节能、寿命长、抗震动冲击等特性，因此在全球能源短缺的背景下，LED已成为照明行业的一个研究热点。由于LED驱动电源的品质会直接影响LED照明产品的可靠性，而LED驱动电源又是目前整个LED照明系统中故障率最高的环节，因此伴随LED应用领域的不断扩大，开发安全、可靠、高效、体积小、寿命长的LED驱动电源成为必然的趋势。

　　1 LED驱动电路

　　LED的光强度与其正向电流的大小成正比。LED两端一个较小的电压变化会造成流过LED的电流的较大的变化，从而引起光强度的显著变化。所以对于LED通常使用恒流控制以保持发光强度的恒定。

　　1.1 LED恒流驱动电路拓扑

　　对于不同功率等级的LED电路，应选择不同的驱动电路拓扑以达到性能和成本之间的平衡。

　　小功率LED照明系统一般不要求进行功率因数校正，因此可采取简单的拓扑，如初级端调节(PrimarySideRegulation，PSR)或Buck拓扑等。其中PSR技术可将LED驱动器的成本降至最低。如图1所示，该电路只需采集变压器初级的电流信息即可精确控制次级端的LED电流，不仅消除了输出电流检测损耗，同时省去所有次级反馈电路，降低了成本，提高了效率。

　　图1 采用PSR控制技术的反激变换器

　　对于中功率的LED照明应用，一般要求进行功率因数校正，因此一般采用单级PFC或者使用准谐振(Quasi-Resonance，QR)技术的反激变换器等。单级式LED驱动电路具有结构简单、元件少、成本较低等优点，但是输出纹波较大，在对性能要求不高的中功率LED照明系统中应用时具有优势。准谐振技术的基本原理就是利用MOSFET两端的电容(寄生电容或外接电容)与变压器原边漏感产生的谐振来驱动负载，通过实时检测开关器件两端的谷底电压来控制开关管的近似零电压开通，从而减小MOSFET的开关损耗，提高变换器的效率，同时降低EMI噪声，如图2所示。

　　图2 采用QR技术的反激变换

　　1.1.3大功率LED照明系统一般采用两级式的PFC或LLC拓扑。两级式PFC由于有单独的一级PFC，性能更优异，但是成本比较高;而采用LLC谐振变换的LED驱动电路(如图3所示)具有诸多的优点，如开关工作频率高，开关损耗小，允许的输入电压范围宽，效率高，重量轻，体积小，EMI噪声小，开关应力小等。

　　图3 基于LLC变换器的LED驱动电路

　　1.2 去电解电容LED驱动电路方案

　　LED照明多采用市电供电，但LED需要直流驱动，因此电路中需要一个整流模块。通常为了得到满足规定的PF值，还需要加入PFC电路。因为输入功率是脉动的，输出功率是恒定的，必须要有一个大容值的电解电容来平衡输入输出两端的瞬时功率差。电解电容的存在使得LED驱动电路的寿命降低。如果简单地把电解电容去掉，会使输出电流有很大的脉动，电路的PF也会较低;如果使用电磁储能来替代电容储能会使得电路体积庞大，因此研究其他去电解电容LED驱动电路方案十分必要。

　　基于较小脉动电流可以用来驱动LED的考虑，在去掉电解电容的同时在输出侧增加LC滤波电路，同时在输入电流中注入3、5次谐波电流，既可使功率因数达到要求，又能减小LED电流的峰值平均之比。但这种方法由于输出电流含有2倍于电网频率的交流电流，会带来LED闪烁，长时间在闪烁光源下工作会加重眼睛负担甚至造成眼睛损伤。

　　另一种方案如图4所示，该电路的设计思路是控制流过双向Buck-Boost辅助回路的电流ib等于i0中2倍于电网频率的交流成分，从而间接地控制流过LED的电流保持恒定，避免LED闪烁。但是这种方案由于需添加多个额外器件故效率较低。

　　图4 利用辅助电路的无电解电容LED驱动电路

　　文献[6]中是采用峰值与平均值之比小于1.4的正弦电流或方波电流来驱动LED，通过正弦电流发生电路或者方波电流发生电路产生基准信号，从而获得所需电流信号用以直接驱动LED[6]，并且输入侧可以获得很高的功率因数，但是控制方法复杂。无电解电容的LED驱动方案目前仍然有许多的不足，例如系统控制较复杂，无法取得很高的功率因数，系统启动慢，还有对雷击敏感等，目前仅用于中小功率LED照明系统中。对于其更广泛的应用有待进一步的研究。

　　2 LED均流技术

　　为保证多颗LED的亮度一致，通常是将它们串联起来。串联的LED数目受LED驱动电压的限制，故在需要较多LED的应用中一般采用串并联连接方式。但是由于不同LED串的V-I特性不同，简单地将它们并联起来会产生多路不均流的问题。针对多路LED的均流，目前已经有许多种均流方法，大致可分为有源均流和无源均流两种。

　　2.1 有源均流

　　有源均流是使用开关管等有源器件外加一定的控制电路组成电流调节器来实现电流的控制。电流调节器有线性和开关两种工作模式。线性模式的电流调节器由于要承受输入电压和LED导通压降之间的压差，而输入电压却是按照LED最大导通压降来设置的，因此调节器效率较低，即便采用自适应控制方法也不能显著地提高效率，该方案仅在低功率照明系统中较适用;而开关模式的电流调节器使用DC-DC变换器来调节每一路的电流，效率较高，但是每一路都需要一个DC-DC变换器，故对多路输出而言，其成本较高，系统庞大。

　　2.2 无源均流

　　无源均流是指使用无源器件来实现均流控制。图5所示是一种利用均流变压器来实现多路均流的方案，它利用耦合电感之间的联系使某一路电流的变化可以耦合到另一路从而实现均流。但是当多路输出时需要很多的均流变压器，而且变压器电感值的偏差和输出电压偏差都会影响均流的精度。

　　图5 变压器均流

　　出于安全的考虑，LED驱动器通常需要输入输出的电气隔离，因此许多时候需要考虑用隔离型的LED驱动电路，例如半桥、全桥等电路。图6所示为一种利用平衡电容均流的方法，它根据变压器副边正负交替输出的特点，利用回路中的电容在稳态时的安秒平衡特性来实现2路均流。

　　图6 基于LLC变换器的电容均流电路

　　为了实现2N路的同时均流，可以采用将多个变压器原边串联的方案，但是它需要变压器励磁电感的参数完全一致，否则会影响均流效果。为此在多路输出时可以采用将耦合电感均流与电容均流结合起来的方案，从而实现2N路LED均流，如图7所示。

　　图7 基于LLC变换器的电容加耦合电感均流电路

　　在上述的现今主要的均流方案中，无源方案虽然电路简单，但因为没有使用反馈控制，均流精确度无法保障，均流效果易受器件参数变化影响;而有源方案采用了反馈控制，可以精准控制每路电流，但是所需元件较多，控制电路较复杂，成本较高，且引入的有源器件会使系统效率较低。

　　3 结语

　　要使新一代绿色节能光源LED广泛地应用于普通照明领域，设计高效、稳定的LED驱动电路十分关键。针对不同的应用环境，应采取合理的驱动方式，保证LED可靠工作，同时还要努力克服电解电容带来的寿命限制，使LED照明真正走入正轨。

编辑：Cedar