带有调光功能的大功率LED灯驱动电路设计方案

LED被公认为是绿色的第四代光源，是一种固体冷光源，具有高效、寿命长、安全环保、体积小、高可靠性、响应速度快等诸多优点。目前达到同样的照明效果，LED的耗电量大约是白炽灯的1/10，荧光灯的1/2 。LED驱动电路对LED来说至关重要，而LED调光控制可以节能，高亮度白光LED的驱动和调光是近年来研究的热点。本文在这方面进行了研究，针对现有电路的不足，设计了一款新颖的带有调光功能的LED灯驱动电路。

LED的特性

LED的理论光效为300 lm/W。目前实验室水平达260 lm/W，市场化水平在120 lm/W以上。高亮度LED的一般导通电压约为3.0~4.3V，其核心是PN结，其 伏安特性与普通二极管相同。其电流电压关系如式（1）： 式中，VF为二极管正向电压，I0是反向饱和电流，为定值，q为电子电荷1.6×1019，k为波尔兹曼常数，大小为1.38×10-23，T是热力学温度，常数β近似取2。当加在LED上的电压小于其导通电压时，LED上几乎没有电流通过。但当LED导通后，其正向电流随正向电压按指数规律变化， 很小的电压波动就会引起很大的电流变化。在导通区电压从额定值的80%上升到100%时，电流则从其额定值的0%上升到100%。

图1为某种LED相对光通量和其正向电流IF的关系，其他种类的大功率LED光通量与正向电流的关系与此虽有差异，但是差别非常小。图中可以看出， 当白光LED正向电流大于某一值时白光LED才能有效地发光，LED的光通量和其正向电流成正比的关系，因此可以通过控制LED的正向电流来控制其发光亮度。LED若采用恒压源驱动，很小的电压变化将引起很大的电流变化，因此恒压驱动只适用于要求不高的小功率场合下，在要求高的场合和大功率场合下LED都要采用恒流驱动。
研究表明，LED发光亮度随工作时间下降，亮度下降后光效随电流的增加而减少，LED的亮度与驱动电流成饱和关系。LED的电流达到其额定电流的70%~80%后，很大比例的电流转化成了热能，因此LED的驱动电流宜为工作电流额定电流的70%~80%。
带有调光功能的大功率LED灯驱动电路

目前市场主流有三种LED驱动电路，电荷泵电路多在小功率情况下使用；开关电源电路对输出电流控制不太容易做到精确，且单纯开关电源控制有偏差时易损坏LED灯；线性电路效率不高。

基于以上原因，本文设计出全新的LED驱动电路，该电路以单端反激式开关电源作为前级控制，线性的压控制恒流源作为控制的后级。市电经单端反激式电源变换后可得到直流电压输出，该输出作为后级的压控制恒流源的输入。由于压控制恒流源的输入电压是由高效率的单反激式开关电源供电，压控制恒流源精确控制LED的同时可在较大范围改变其恒流源的输入电压，故效率和精度都有保证，且可由市电供电。同时，两级控制不易损坏LED灯。
系统电路如图2所示。图中变压器T1、开关管Q1、二极管D1和电容C1构成单端反激式开关电源;运算放大器U1、U2和功率管Q2等器件构成压控制恒流源;单片机STC89C51为核心控制器件。灰度值变化时，单片机根据其得到的灰度值产生一相应的亮度控制电压。亮度控制电压加在U1的同相输入端，U1的反向输入端是经U2得到的LED的电流信号，R12为电流检测电阻。U1的输出电压即为MOS管Q2的控制电压，由运算放大器虚短概念知，U1 的反向输入电压要等于其正向输入端上的电压，也就是稳定时R12上的电流受亮度控制电压的控制，而不随负载的变化而变化。单片机根据其得到的灰度值产生一相应的亮度控制电压的同时还产生一PWM信号，该PWM信号与 TL431上的信号相遇后去控制Q1的开关，然后单片机根据得到的LED电流信号，改变PWM信号的占空比，改变开关电源的输出电压，也即改变恒流源的输入电压使功率管Q2上的电压减少，使其在输出电流不变的情况下工作在可调电阻区或接近于可调电阻区，以提高效率。TL431是三端可调分流基准，在这里 TL431及其相应电相的存在是为了限制开关电源的最高输出电压，进一步提高系统的安全性。
光线相对较好时，单片机根据得到的灰度值，控制其输出的亮度控制电压，使恒流源的输出电流相对较小，可达到节能效果。图2中单片机输出的亮度控制电压要经D/A转换才能供给恒流源，未画出D/A部分。

驱动电路采用开关电源作为控制的第一级，压控制恒流源作为控制的第二极，结合了二者优点，效率和控制精度上都有保证，且可由市电直接供电，两级驱动，安全性高，不易损坏价格较高的LED灯。实验表明，该系统效率可达83%以上，功率和单端反激式开关电源相同，很值得推广。

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