1、大功率發(fā)光二極管高頻驅(qū)動電路的工作原理及設(shè)計(jì)方案摘要：白光發(fā)光二極管因其成本低、壽命長、體積小的特點(diǎn)，已迅速應(yīng)用于照明和背光領(lǐng)域，其驅(qū)動電路也層出不窮。然而，大多數(shù)驅(qū)動源都沒有解決效率低、發(fā)光二極管亮度不一致和發(fā)熱量大的問題。提出了一種基于恒流二極管的大功率發(fā)光二極管高頻驅(qū)動方案。采用端子可控的2TL系列恒流二極管作為驅(qū)動元件，在控制端輸入高頻脈沖小信號來控制恒流二極管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)光二極管高頻恒流驅(qū)動的目的。可以通過調(diào)整脈沖信號的占空比來實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的調(diào)光。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路不僅能保證發(fā)光二極管連續(xù)、穩(wěn)定、高效地工作，而且在一定程度上降低了發(fā)光二極管芯片的發(fā)熱量，提高了發(fā)光二極管

2、燈的使用壽命。此外，不需要輸入功率，整體節(jié)能可達(dá)40%左右。近年來，隨著白光發(fā)光二極管，特別是大功率白光發(fā)光二極管的出現(xiàn)，發(fā)光二極管作為一種新型的綠色照明光源，具有體積小、機(jī)械強(qiáng)度高、功耗低、壽命長、易于調(diào)節(jié)和控制、無污染等特點(diǎn)。目前，它已經(jīng)應(yīng)用于汽車車燈、交通信號燈、背光和照明。由于發(fā)光二極管具有工作電壓低、電流隨電壓指數(shù)增加的特點(diǎn)，傳統(tǒng)電源不能直接向發(fā)光二極管供電。發(fā)光二極管驅(qū)動器應(yīng)具有DC控制、高效率、調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、體積小、使用方便等特點(diǎn)。作者設(shè)計(jì)的大功率發(fā)光二極管驅(qū)動電路是基于2TL系列恒流二極管的恒流驅(qū)動方式。通過引入高頻控制信號，縮短了單位時間的通電時間，降低了發(fā)光二極

3、管芯片的發(fā)熱量，提高了發(fā)光二極管的發(fā)光效率。1個發(fā)光二極管的工作特性目前，市場上大功率發(fā)光二極管的單個功率從1W到數(shù)百瓦不等。由于大部分1W以上的大功率發(fā)光二極管都是基于1 WLED管芯封裝的，本文主要介紹1WLED的工作特性。(一)1w白光發(fā)光二極管的工作特性曲線；(二)發(fā)光強(qiáng)度與電流的關(guān)系曲線；(三)發(fā)光二極管電流與工作溫度的關(guān)系曲線圖1 1W高亮度發(fā)光二極管特性曲線圖1(a)是1W高亮度發(fā)光二極管的正向壓降和正向電流之間的關(guān)系曲線。從曲線可以看出，當(dāng)直流電壓超過某一閾值(約2 V)時，即發(fā)光二極管開啟后，發(fā)光二極管電流在某一電壓范圍內(nèi)呈指數(shù)增加。VF的微小變化將導(dǎo)致IF的巨大變化，這將導(dǎo)

4、致亮度的巨大變化。另外，發(fā)光二極管的PN結(jié)具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，發(fā)光二極管的勢壘降低。如果采用恒壓驅(qū)動方式，就不能保證發(fā)光二極管的亮度一致性，也會影響發(fā)光二極管的可靠性、壽命和光衰減。因此，目前大多數(shù)發(fā)光二極管都是由恒流驅(qū)動的。從圖1 (b)和(c)中可以看出，發(fā)光二極管的亮度L與正向電流成正比。發(fā)光二極管具有亮度飽和特性，因此發(fā)光二極管的正向驅(qū)動電流應(yīng)小于其額定電流。此外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)。隨著環(huán)境溫度的升高，PN結(jié)的復(fù)合速率c降低，亮度降低。隨著發(fā)光二極管的持續(xù)點(diǎn)亮，PN溫度會迅速上升，導(dǎo)致發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度和光衰減迅速下降。當(dāng)溫度上升到一定高度時，發(fā)光二極管的PN結(jié)會很快

5、燒壞。因此，在設(shè)計(jì)發(fā)光二極管驅(qū)動源時，不僅要保證發(fā)光二極管的恒流驅(qū)動，還要考慮減少發(fā)光二極管的發(fā)熱。2恒流二極管恒流二極管是由硅材料制成的基本電子器件。正恒流導(dǎo)通，反向截止，輸出恒流。該裝置按極性接入電路回路，回路可達(dá)到恒流效果。應(yīng)用簡單，實(shí)現(xiàn)了電路理論和電路設(shè)計(jì)中的雙端恒流源。本次驅(qū)動采用約伯公司的2TL系列恒流二極管2TL系列恒流二極管有一個控制端，可用于調(diào)節(jié)輸出電流。圖2是2TL系列恒流二極管的輸出特性曲線。圖2 2tl系列恒流二極管特性曲線3高頻發(fā)光二極管驅(qū)動電路基于半導(dǎo)體恒流二極管的高頻大功率發(fā)光二極管驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中Q1為2THLXXX系列恒流二極管，LD1為發(fā)光二極

6、管，D1為普通二極管(鍺管)。VCC是DC電源，D1負(fù)輸入是高頻脈沖。該電路的工作原理是：當(dāng)普通二極管D1的反相端為低電平時，2TL恒流二極管關(guān)斷，發(fā)光二極管熄滅；當(dāng)公共二極管的反相端為高電平時，恒流二極管導(dǎo)通并輸出大電流，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。由于人眼的視覺障礙，無法感覺到發(fā)光二極管的亮度變化。發(fā)光二極管的亮度可以通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來調(diào)節(jié)。圖3高頻大功率發(fā)光二極管驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖驅(qū)動1W以上的發(fā)光二極管一般使用2THL300恒流二極管，輸出電流為300 350毫安，最大使用電壓為2040伏。為了提供更大的電流，可以并聯(lián)多個恒流二極管，并聯(lián)后的輸出電流是每個恒流二極管標(biāo)稱電流的總和。2TL系列恒流二

7、極管可以在不同型號之間并聯(lián)使用(例如，2THL050和2THL300并聯(lián)的輸出電流為350 400毫安)。值得注意的是，不同類型恒流二極管的最大使用電壓由標(biāo)稱最大恒流二極管決定。圖4示出了恒流二極管的并聯(lián)模式。PN結(jié)正向壓降約為0。2TL系列恒流二極管的控制端和負(fù)端之間的電壓為7伏。為了在輸入高頻脈沖為0電平時完全關(guān)斷恒流二極管，鍺二極管的管壓降為0。2 V應(yīng)在D1使用。圖4恒流二極管并聯(lián)模式圖大功率白光發(fā)光二極管主要用于裝飾照明、建筑照明、景觀照明、大屏幕顯示背光等許多場合。在這些情況下，建議使用工頻商用電源。白色發(fā)光二極管的正向工作電壓范圍通常為3。2 4 V。如果使用交流電源，必須先進(jìn)行

8、交流/DC和DC /DC轉(zhuǎn)換。要驅(qū)動20W以下的發(fā)光二極管，VCC可以采用簡單的開關(guān)電源。開關(guān)電源具有高效率、低功耗、輸出電壓穩(wěn)定和體積小的特點(diǎn)。由于20 W以上的開關(guān)電源一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、制造成本高，VCC在驅(qū)動20W以上的發(fā)光二極管時應(yīng)采用工頻變壓器線性DC電源.由于2TL恒流二極管的工作電壓范圍寬(3 40 V)，瞬時沖擊電壓為100 V，在設(shè)計(jì)工頻變壓器線性DC電源時可以簡化穩(wěn)壓電路。鍺管D1的負(fù)端輸入可以是除高頻脈沖方波之外的其他類型的高頻信號。在實(shí)際應(yīng)用中，高頻方波脈沖信號通常用于促進(jìn)調(diào)光。實(shí)驗(yàn)表明，高頻驅(qū)動的大功率發(fā)光二極管亮度與恒流驅(qū)動相比變化不大，但發(fā)熱量明顯降低。在脈沖

9、周期內(nèi)，發(fā)光二極管只有在高電平時才打開并發(fā)光，而在低電平時，發(fā)光二極管熄滅，發(fā)光二極管的熱量迅速散發(fā)。頻率越高，單位時間內(nèi)發(fā)光二極管與空氣的熱交換次數(shù)越多，發(fā)光二極管芯片的溫度越低。為了散熱，大多數(shù)大功率發(fā)光二極管芯片安裝在鋁基板上，鋁基板和空氣之間的熱傳遞主要是通過對流進(jìn)行的。當(dāng)發(fā)光二極管持續(xù)點(diǎn)亮?xí)r，發(fā)光二極管芯片的溫度變化緩慢，在靠近鋁基板的區(qū)域存在溫度梯度，形成層流區(qū)域。在高頻驅(qū)動下，發(fā)光二極管芯片溫度會不斷變化，溫度梯度會被打破，在鋁基板附近會形成一個湍流區(qū)。根據(jù)熱力學(xué)知識，湍流的對流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于層流的對流傳熱系數(shù)，因此單位時間內(nèi)從鋁基板向湍流區(qū)域輻射的熱量遠(yuǎn)大于層流區(qū)域。i發(fā)光二極

10、管調(diào)光主要包括模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制調(diào)光。模擬調(diào)光不常用，因?yàn)榘l(fā)光二極管在低電流下會產(chǎn)生褪色。通過改變脈沖占空比實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，通過調(diào)節(jié)輸入到二極管D1陰極的高頻脈沖占空比實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管調(diào)光。圖5基于恒流二極管的5W白光發(fā)光二極管高頻驅(qū)動電路圖5是基于恒流二極管的5W白光發(fā)光二極管的高頻驅(qū)動電路。高頻自激開關(guān)電路將交流市電轉(zhuǎn)換為20V DC電源，輸出電流通過恒流二極管2THL300后保持在300毫安。在開關(guān)電路中，高頻變壓器的核心是EE 16，初級側(cè)N 1纏繞12次，N2纏繞210次，次級側(cè)纏繞40次。D5是6。2 V齊納二極管穩(wěn)定輸出電壓，Q 1是功率開關(guān)管MJE 13003，D16是鍺管。NE555構(gòu)成一個高頻脈沖發(fā)生電路，占空比在1/6到5/6之間可調(diào)，頻率為200千赫，用于控制恒流二極管的通斷。五個1W白色發(fā)光二極管串聯(lián)，每個發(fā)光二極管具有相同的電流和一致的發(fā)光亮度。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R 9，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制調(diào)光。4摘要作者介紹的高頻發(fā)光二極管驅(qū)動電路采用恒流二極管實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的高效恒流驅(qū)動。由于恒流二極管的工作電壓范圍較寬，當(dāng)輸入DC電壓在較大范圍內(nèi)波動時，驅(qū)動電路仍能保證恒流輸出，不會因負(fù)載短路而燒壞。通過調(diào)整高頻脈沖信號的占空比，很容易實(shí)現(xiàn)調(diào)光，并且不會出現(xiàn)發(fā)光二極管色