LED驅動電路/電壓驅動/電流驅動

驅動電路定義：

驅動電路(Drive Circuit)，位于主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進行放大的中間電路（即放大控制電路的信號使其能夠驅動功率晶體管），稱為驅動電路。

驅動電路的作用：將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅動功率晶體管—開關功率放大作用。

?例如：運放+三極管?

驅動電路的介紹

基本任務

驅動電路的基本任務，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號，對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號，以保證器件按要求可靠導通或關斷。

優良的驅動電路對變換器性能的影響:

驅動電路

1.提高系統可靠性

2.提高變換效率(開關器件開關、導通損耗)

3.減小開關器件應力(開/關過程中)

4.降低EMI/EMC

驅動電路隔離措施

驅動電路為什么要采取隔離措施

安規問題，驅動電路副邊與主電路有耦合關系，而驅動原邊是與控制電路連在一起， 主電路是一次電路，控制電路是ELV電路，?一次電路和ELV電路之間要做加強絕緣，實現絕緣要求一般就采取變壓器光耦等隔離措施。

驅動電路采取隔離措施的條件

需要隔離

控制參考地與驅動信號參考地（e極） 同—驅動電路無需隔離；

無需隔離

控制參考地與驅動信號參考地（e極）不同—驅動電路應隔離。

驅動電路隔離技術

驅動電路隔離技術一般使用光電耦合器或隔離變壓器（光耦合；磁耦合）。?[1]??由于 MOSFET 的工作頻率及輸入阻抗高，容易被干擾，故驅動電路應具有良好的電氣隔離性能，以實現主電路與控制電路之間的隔離，使之具有較強的抗干擾能力，避免功率級電路對控制信號的干擾。

光耦隔離驅動可分為電磁隔離與光電隔離。采用脈沖變壓器實現電路的電磁隔離，是一種電路簡單可靠，又具有電氣隔離作用的電路，但其對脈沖的寬度有較大限制，若脈沖過寬，磁飽和效應可能使一次繞組的電流突然增大，甚至使其燒毀，而若脈沖過窄，為驅動柵極關斷所存儲的能量可能不夠。光電隔 離，是利用光耦合器將控制信號回路和驅動回路隔離開。該驅動電路輸出阻抗較小，解決了柵極驅動源低阻抗的問題，但由于光耦合器響應速度較慢，因而其開關延遲時間較長，限制了適應頻率。

典型光耦內部電路圖

光耦指的是可隔離交流或直流信號KCB EA。

1.由IF控制Ic；電流傳輸比CTR-Current Transfer Ratio

?

2.輸入輸出特性與普通三極管相似,電流傳輸比Ic/IF比三極管“β?”小;

3.可在線性區， 也可在開關狀態。驅動電路中， 一般工作在開關狀態。

光耦的特點：

光耦基本電路

1.?參數設計簡單

2.?輸出端需要隔離驅動電源

3.?驅動功率有限

磁耦合-變壓器隔離

受高頻調制的單向脈沖變壓器隔離電路

磁耦合：用于傳送較低頻信號時—調制/解調

磁耦合的特點:

1.既可傳遞信號又可傳遞功率

2.頻率越高,體積越小-適合高頻應用

雙極性晶體管驅動電路的要求

最佳驅動特性和驅動電流波形

最佳驅動

1.開通時：基極電流有快速上升沿和過沖—加速開通，減小開通損耗；

2.導通期間：足夠的基極電流，使晶體管任意負載飽和導通—低導通損耗；

關斷前調整基極電流，使晶體管處于臨界飽和導通—減小ts， 關斷快;

3.關斷瞬時：

足夠、反向基極電流—迅速抽出基區剩余載流子，減小ts

?；反偏截止電壓，使ic迅速下降，減小if。

恒流驅動電路

恒定電路即基極電流恒定，功率管飽和導通。

恒流驅動優點：優點：電路簡單；

普通恒流驅動電路

恒流驅動缺點：輕載時深度飽和，關斷時間長。

驅動電路實質

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驅動電路放電

驅動電路的實質是給柵極電容充放電。?[2]?

開通：

1.驅動電壓足夠高，一般>10V；（減小RDS(on))

2.足夠的瞬態驅動電流，快的上升沿；(加速開通）

3.驅動電路內阻抗小。?(加速開通）

關斷：

1. 足夠的瞬態驅動電流，快的下降沿；?(加速關斷）

2. 驅動電路內阻抗小。?(加速關斷）

3. 驅動加負壓。?(防止誤導通）

LED驅動電源為什么要用恒流源？

LED燈具已經走進千家萬戶，一些愛動手的朋友可能拆開過。你會發現它的主要結構包括LED燈板、散熱外殼、驅動電源。燈板表面貼裝的LED燈珠，是實際發光的部件。LED燈珠需要直流供電，必須把電網提供的交流電轉換為直流電才能供燈珠工作。這就需要驅動電源。而LED驅動電源卻不是我們日常生活中見到的恒壓電源，而是恒流電源。

原因：就要從LED燈珠的伏安特性說起。LED燈珠的伏安特性曲線與普通二極管相似，都是指數曲線，也就是說當工作電壓達到開啟電壓后LED燈珠開始有電流流過。隨著電壓的升高，電流按指數規律上升。1）因為LED燈珠工作過程中會發熱，若選用恒壓電源供電，隨著溫度的上升，特性曲線左移，電流會進一步上升，溫度會更高。這是一個正反饋的過程，不利于工作狀態的穩定，容易燒壞燈珠。

2）而選用恒流電源供電后，燈珠工作發熱，特性曲線左移，因電流不變，燈珠承受的電壓降低，實際功率下降，發熱量降低，這是一個負反饋的過程，有利于工作狀態的穩定。即使有一顆燈珠發生短路損壞，其他燈珠依然能正常工作。

led驅動電路的應用

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LED的應用離不開它所需要的驅動控制電路，通過驅動電路來獲得良好而平穩的電流，使LED顯示更加均勻、漂亮，滿足各種場合的應用要求。?[3]?

一是盡可能保持恒流特性，尤其在電源電壓發生±15%的變動時，仍應能保持輸出電流在±10%的范圍內變動。二是驅動電路應保持較低的自身功耗，這樣才能使LED 的系統效率保持在較高水平

驅動須知

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LED在具體的使用時，要注意驅動電路的選用。

LED 驅動電路除了要滿足安全要求外，另外的基本功能應有兩個方面：

根據能量來源的不同，LED驅動電路總體上可分為兩類，一是AC/ DC轉換，能量來自交流電，二是DC/ DC轉換，能量來自干電池、可充電電池、蓄電池等。

根據LED驅動原理的不同，又可以分為線性驅動電路和開關驅動電路。

電路組成

在需要使用比較多的led產品時，如果將所有的LED串聯，將需要LED驅動器輸出較高的電壓：如果將所有的LED并聯，則需要LED驅動器輸出較大的電流。將所有的LED串聯或并聯，不但限制著LED的嚴使用量，而且并聯LED負載電流較大，驅動器的成本也會增加，解決辦法是采用混聯方式。串、并聯的LED數量平均分配，這樣，分配在一個LED串聯支路上的電壓相同，同一個串聯支路中每個LED上的電流也基本相同，亮度一致，同時通過每個串聯支路的電流也相近。?[1]?

驅動電路

引言

近年來，高亮度LED照明以高光效、長壽命、高可靠性和無污染等優點正在逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統光源。在一些應用中，希望在某些情況下可調節燈光的亮度，以便進一步節能和提供舒適的照明。常見的調光有雙向可控硅調光、后沿調光、ON/OFF調光、遙控調光等?？煽毓枵{光器在傳統的白熾燈等調光照明應用已久，且不用改變接線，裝置成本較低，各品牌可控硅調光器的性能和規格相差不大，但是其直接應用在LED驅動場合還存在著一系列問題。

調光原理

市面上大多數可控硅調光器基本結構如圖1所示，其工作原理如下：當交流電壓加雙向可控硅TRIAC兩端時，由于Rt、Ct組成的RC充電電路有一個充電時間，電容上的電壓是從0V開始充電的，并且TRIAC的驅動極串聯有一個DIAC(雙向觸發二極管，一般是30V左右)，因此TRIAC可靠截止。當Ct上的電壓上升到30V時，DIAC觸發導通，TRIAC可靠導通，此時TRIAC兩端的電壓瞬間變為零，Ct通過Rt迅速放電，當Ct電壓跌落到30V以下時，DIAC截止，如果TRIAC通過的電流大于其維持電流則繼續導通，如果低于其維持電流將會截止。電感L和電容C的作用是減小電流和電壓的變化率，以抑制電磁干擾EMI問題。

圖1

可控硅前沿調光器若直接用于控制普通的LED驅動器，LED燈會產生閃爍，更不能實現寬范圍的調光控制。原因歸結如下：

(1)可控硅的維持電流問題。目前市面上的可控硅調光器功率等級不同，維持電流一般是7～75mA(驅動電流則是7～100mA)，導通后流過可控硅的電流必須要大于這個值才能繼續導通，否則會自行關斷。

(2)阻抗匹配問題。當可控硅導通后，可控硅和驅動電路的阻抗都發生變化，且驅動電路由于有差模濾波電容的存在，呈容性阻抗，與可控硅調光器存在阻抗匹配的問題，因此在設計電路時一般需要使用較小的差模濾波電容。

(3)沖擊電流問題。由于可控硅前沿斬波使得輸入電壓可能一直處于峰值附近，輸入濾波電容將承受大的沖擊電流，同時還可能使得可控硅意外截止，導致可控硅不斷重啟，所以一般需要在驅動器輸入端串接電阻來減小沖擊。

(4)導通角較小時LED會出現閃爍。當可控硅導通角較小時，由于此時輸入電壓和電流均較小，導致維持電流不夠或者芯片供電Vcc不夠，電路停止工作，使LED產生閃爍。

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可控電源

線性調光存在的問題，即人眼在低亮度情況下對光線的細微變化很敏感;而在較亮時，由于人眼視覺的飽和，光線較大的變化卻不易被察覺。并提出了利用單片機編程來實現調光信號和調光輸出的非線性關系(如指數、平方等關系)的方法，使得人眼感覺的調光是一個線性平穩過程。

文中設計的電路利用RC充放電電路來實現這一功能。

圖2是一種利用普通的脈寬調制PWM芯片結合外圍電路來搭建可控硅調光的LED驅動電路框圖。維持電流補償電路通過檢測R1端電壓(即輸入電流)來控制流過維持電流補償電路的電流。當輸入電流較小時，維持電流補償電路上流過較大的電流;當輸入電流較大時，維持電流補償電路關斷，維持電流補償以恒流源的形式保證可控硅的維持電流。調光控制電路包括比較器、RC充放電電路和增益電路。實驗中選用一款旋鈕行程和斬波角成正比的可控硅調光器，其最小導通角約為30°。

圖2

根據圖2中，RC充放電電路的輸出經過增益電路后可得電流參考為：

式中k為增益，VC為RC充放電電路的輸入電壓，τ為RC的時間系數，θ為可控硅的導通角。

則在最小導通角對應的輸出為零，即電路輸出的最大值對應電流參考的最大值：

從式(1)和式(2)可得輸出電流表達式如式(3)所示。

在斬波角為θ時，電路對應的輸入功率為：

式中Vp為輸入電壓峰值，Rin為等效輸入阻抗。

假設電路的變換效率為η，且電路的輸出功率為PO=IO·UO，則可得到電路的等效輸入阻抗如式(5)所示。

從式(5)可得電路的功率因數如式(6)所示。

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實驗及結果

根據以上分析，本文設計一臺基于反激變換器的可控硅調光LED驅動器，控制芯片為NCP1607;輸入交流電壓220V，最大輸出功率為25W，最大輸出電流為0.7A;以3串(每串10只0.8W的LED燈)相并聯作為負載;RC時間系數選擇0.5，增益為0.2。電路的實驗波形和工作特性曲線如圖4所示。

圖4

圖4

圖4

圖4a)、b)、c)為可控硅導通角為115°時阻抗匹配開關驅動電壓VZ、輸入電流Iin、輸入電壓Vin的波形，電路的輸出電流為470mA，功率因數為0.78。從圖中可看出，當可控硅導通瞬間，由于驅動器輸入端有差模濾波電容導致輸入電流有沖擊電流尖峰，而當輸入電流小于一定值時，阻抗匹配開關開通以保證流過可控硅的電流大于其維持電流。

圖4d)為可控硅不同導通角對應的輸出電流曲線，實際調試中可控硅導通角在150°之后就接近滿載輸出了。圖4e)為可控硅在不同導通角下對應電路的cosφ曲線。

結語

本文分析了現有可控硅調光器用于LED驅動時存在的問題，并根據人眼對光線反應非線性的特點，設計了一種利用普通PWM芯片結合外圍電路搭建的可控硅非線性調光LED驅動電路，分析了電路在調光過程中的工作特性，實驗結果實現0～100%平穩無閃爍調光。?[2]?

審核編輯：黃飛