一种用于驱动LED的高效自适应智能恒流源
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1. LED必须采用恒流源供电 我们知道LED是一种发光二极管，它的伏安特性完全和一般的半导体二极管一样，具有负温度特性。所谓“ 负温度特性”就是指当温度升高时，伏安特性左移，其具体数值大约在9mV/°C。这时候假如采用恒压电源供电，那么其正向电流就会随温度的增加而加大(见图一)，这样，它的结温也会随着加大，从而形成正反馈，最终导致LED烧毁。 图1. 采用恒压电源供电将会使LED的电流随温度而增加 例如一个LED采用3.3V的恒压电源供电时，在-40°C时，其正向电流是8mA，当环境温度升高到25°C时，其正向电流就会升高到20mA，而当环境温度为85度时，其正向电流就会增加到37mA。这显然是不能允许的。所以LED必须采用恒流电源来供电。 2. 几种电源类型 这种恒流源可以有两种方法来实现，一种是开关电源，另一种是线性电源。这两种电源的性能比较如下表所示： 从表中可以看出，开关电源除了效率比线性电源高以外，其他都是缺点。线性电源唯一的缺点是效率低，如果改进了效率低这个缺点，那么就全都是优点了! 3. 线性恒流源的具体电路 上面表中的线性恒流源需要5个元件，实际上它只是一个恒流二极管，其他两个保护元件，一个整流桥，一个电解电容，具体电路如图2所示： 图2 采用恒流二极管的驱动电路 图中的CRD就是恒流二极管，图中采用了几个CRD并联，如果有一个电流足够大的CRD。那么采用一个就可以了。恒流二极管的伏安特性如图3所示： 图3 恒流二极管的伏安特性 它可以在Vk一直到POV很大的输入直流电压范围内都保持电流恒定。而Vk的绝对值低于3V，假定整流后的直流电压为300V，恒流值为0.1A，那么总功率为30W，如果LED串的总电压也正好接近300V，而使恒流二极管工作于Vk点，那么它消耗的功率就只有0.3W，其效率为(30-0.3)/30=99%。 但是当输入电压增加的时候，恒流二极管就必须承担起消耗这些多余电压的功能，它的工作点就右移，而功耗就逐渐增大，整体的效率也就逐渐降低，表现为其效率的线性下降。 它是以牺牲自己作为代价而不让高电压加到后面的LED上。 图中还采用了两个保护元件，一个是变阻器，实际上是一个抗浪涌的变电阻，它平时的阻值很高，所以并在电路里对整个电路没有什么影响，一旦有一个高压浪涌脉冲，它的阻值立刻降低从而吸收掉这个浪涌脉冲，使它不会对后面的电路有损害。第二个保护元件是大功率热敏电阻NTC，它是为了吸收电解电容充电时的高峰值电流，平时它的电阻很小，串在电路里面没有什么影响。一旦有一个高峰值电流，它的电阻因为发热而很快增大，从而削减了峰值电流值。 4. 如何让恒流二极管始终工作在高效率的Vk点上 我们先来看一下恒流二极管的工作点是怎么决定的。外面的市电电压(先假定是220V)经过整流桥和电解电容滤波以后得到的直流电压大约是306V。这个电压加在LED串和恒流二极管上。而LED串的电压等于每个LED的正向电压乘以LED个数(假定每个LED的伏安特性都是一样的)，而LED的正向电压 是根据它的正向电流从伏安特性上查到的，实际上的正向电压应该等温度稳定以后测量，因为随着温度的升高，LED正向电压会从额定的3.3V降到2.8V左右。不论如何，如果这串LED正向电压的总和加上Vk正好等于整流后电压，那么这个恒流二极管就可以正好工作在Vk点，从而得到最高的效率。 然而整流后电压是由市电电压决定的，而市电电压虽然额定是220V，但实际上很多地方完全不是这样，尤其是在工业区的工厂里，不但可能远低于220V，而且还会有经常突变的情况发生。 5. 对市电电压的自适应 为了适应这种市电电压的不确定性和多变性，必须想出一种自适应的方法来适应这种情况。这就需要有两个措施，一是测出恒流二极管上的电压(高于3V的数值)，二是想方法使得串联的LED总电压仍然能够等于整流后电压减去Vk。我们想出的方法就是改变串联的个数，市电电压高了就增加LED个数，电压低了就减少串联的个数。因为电压的变化也是有限的，例如不超过 /- 20%，所以改变的数目也不会大于这个百分数。其实现的框图如图4所示。 |
