LED驅(qū)動(dòng)電路/電壓驅(qū)動(dòng)/電流驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)電路定義：

驅(qū)動(dòng)電路(Drive Circuit)，位于主電路和控制電路之間，用來對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大的中間電路（即放大控制電路的信號(hào)使其能夠驅(qū)動(dòng)功率晶體管），稱為驅(qū)動(dòng)電路。

驅(qū)動(dòng)電路的作用：將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)功率晶體管—開關(guān)功率放大作用。

?例如：運(yùn)放+三極管?

驅(qū)動(dòng)電路的介紹

基本任務(wù)

驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)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(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)，對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)，以保證器件按要求可靠導(dǎo)通或關(guān)斷。

優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)變換器性能的影響:

驅(qū)動(dòng)電路

1.提高系統(tǒng)可靠性

2.提高變換效率(開關(guān)器件開關(guān)、導(dǎo)通損耗)

3.減小開關(guān)器件應(yīng)力(開/關(guān)過程中)

4.降低EMI/EMC

驅(qū)動(dòng)電路隔離措施

驅(qū)動(dòng)電路為什么要采取隔離措施

安規(guī)問題，驅(qū)動(dòng)電路副邊與主電路有耦合關(guān)系，而驅(qū)動(dòng)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(qiáng)絕緣，實(shí)現(xiàn)絕緣要求一般就采取變壓器光耦等隔離措施。

驅(qū)動(dòng)電路采取隔離措施的條件

需要隔離

控制參考地與驅(qū)動(dòng)信號(hào)參考地（e極） 同—驅(qū)動(dòng)電路無需隔離；

無需隔離

控制參考地與驅(qū)動(dòng)信號(hào)參考地（e極）不同—驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)隔離。

驅(qū)動(dòng)電路隔離技術(shù)

驅(qū)動(dòng)電路隔離技術(shù)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(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有良好的電氣隔離性能，以實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路之間的隔離，使之具有較強(qiáng)的抗干擾能力，避免功率級(jí)電路對(duì)控制信號(hào)的干擾。

光耦隔離驅(qū)動(dòng)可分為電磁隔離與光電隔離。采用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)電路的電磁隔離，是一種電路簡(jiǎn)單可靠，又具有電氣隔離作用的電路，但其對(duì)脈沖的寬度有較大限制，若脈沖過寬，磁飽和效應(yīng)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(qū)動(dòng)?xùn)艠O關(guān)斷所存儲(chǔ)的能量可能不夠。光電隔 離，是利用光耦合器將控制信號(hào)回路和驅(qū)動(dòng)回路隔離開。該驅(qū)動(dòng)電路輸出阻抗較小，解決了柵極驅(qū)動(dòng)源低阻抗的問題，但由于光耦合器響應(yīng)速度較慢，因而其開關(guān)延遲時(shí)間較長(zhǎng)，限制了適應(yīng)頻率。

典型光耦內(nèi)部電路圖

光耦指的是可隔離交流或直流信號(hào)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(qū)， 也可在開關(guān)狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路中， 一般工作在開關(guān)狀態(tài)。

光耦的特點(diǎn)：

光耦基本電路

1.?參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單

2.?輸出端需要隔離驅(qū)動(dòng)電源

3.?驅(qū)動(dòng)功率有限

磁耦合-變壓器隔離

受高頻調(diào)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(hào)時(shí)—調(diào)制/解調(diào)

磁耦合的特點(diǎn):

1.既可傳遞信號(hào)又可傳遞功率

2.頻率越高,體積越小-適合高頻應(yīng)用

雙極性晶體管驅(qū)動(dòng)電路的要求

最佳驅(qū)動(dòng)特性和驅(qū)動(dòng)電流波形

最佳驅(qū)動(dòng)

1.開通時(shí)：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(dǎo)通期間：足夠的基極電流，使晶體管任意負(fù)載飽和導(dǎo)通—低導(dǎo)通損耗；

關(guān)斷前調(diào)整基極電流，使晶體管處于臨界飽和導(dǎo)通—減小ts， 關(guān)斷快;

3.關(guān)斷瞬時(shí)：

足夠、反向基極電流—迅速抽出基區(qū)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(qū)動(dòng)電路

恒定電路即基極電流恒定，功率管飽和導(dǎo)通。

恒流驅(qū)動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單；

普通恒流驅(qū)動(dòng)電路

恒流驅(qū)動(dòng)缺點(diǎn)：輕載時(shí)深度飽和，關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)。

驅(qū)動(dòng)電路實(shí)質(zhì)

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驅(qū)動(dòng)電路放電

驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)質(zhì)是給柵極電容充放電。?[2]?

開通：

1.驅(qū)動(dòng)電壓足夠高，一般>10V；（減小RDS(on))

2.足夠的瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，快的上升沿；(加速開通）

3.驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗小。?(加速開通）

關(guān)斷：

1. 足夠的瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，快的下降沿；?(加速關(guān)斷）

2. 驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗小。?(加速關(guān)斷）

3. 驅(qū)動(dòng)加負(fù)壓。?(防止誤導(dǎo)通）

LED驅(qū)動(dòng)電源為什么要用恒流源？

LED燈具已經(jīng)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，一些愛動(dòng)手的朋友可能拆開過。你會(huì)發(fā)現(xiàn)它的主要結(jié)構(gòu)包括LED燈板、散熱外殼、驅(qū)動(dòng)電源。燈板表面貼裝的LED燈珠，是實(shí)際發(fā)光的部件。LED燈珠需要直流供電，必須把電網(wǎng)提供的交流電轉(zhuǎn)換為直流電才能供燈珠工作。這就需要驅(qū)動(dòng)電源。而LED驅(qū)動(dòng)電源卻不是我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降暮銐弘娫?，而是恒流電源?/p>

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(shù)曲線，也就是說當(dāng)工作電壓達(dá)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(shù)規(guī)律上升。1）因?yàn)長(zhǎng)ED燈珠工作過程中會(huì)發(fā)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(huì)進(jìn)一步上升，溫度會(huì)更高。這是一個(gè)正反饋的過程，不利于工作狀態(tài)的穩(wěn)定，容易燒壞燈珠。

2）而選用恒流電源供電后，燈珠工作發(fā)熱，特性曲線左移，因電流不變，燈珠承受的電壓降低，實(shí)際功率下降，發(fā)熱量降低，這是一個(gè)負(fù)反饋的過程，有利于工作狀態(tài)的穩(wěn)定。即使有一顆燈珠發(fā)生短路損壞，其他燈珠依然能正常工作。

led驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用

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LED的應(yīng)用離不開它所需要的驅(qū)動(dòng)控制電路，通過驅(qū)動(dòng)電路來獲得良好而平穩(wěn)的電流，使LED顯示更加均勻、漂亮，滿足各種場(chǎng)合的應(yīng)用要求。?[3]?

一是盡可能保持恒流特性，尤其在電源電壓發(fā)生±15%的變動(dòng)時(shí)，仍應(yīng)能保持輸出電流在±10%的范圍內(nèi)變動(dòng)。二是驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)保持較低的自身功耗，這樣才能使LED 的系統(tǒng)效率保持在較高水平

驅(qū)動(dòng)須知

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LED在具體的使用時(shí)，要注意驅(qū)動(dòng)電路的選用。

LED 驅(qū)動(dòng)電路除了要滿足安全要求外，另外的基本功能應(yīng)有兩個(gè)方面：

根據(jù)能量來源的不同，LED驅(qū)動(dòng)電路總體上可分為兩類，一是AC/ DC轉(zhuǎn)換，能量來自交流電，二是DC/ DC轉(zhuǎn)換，能量來自干電池、可充電電池、蓄電池等。

根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)原理的不同，又可以分為線性驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。

電路組成

在需要使用比較多的led產(chǎn)品時(shí)，如果將所有的LED串聯(lián)，將需要LED驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓：如果將所有的LED并聯(lián)，則需要LED驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流。將所有的LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED的嚴(yán)使用量，而且并聯(lián)LED負(fù)載電流較大，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)增加，解決辦法是采用混聯(lián)方式。串、并聯(lián)的LED數(shù)量平均分配，這樣，分配在一個(gè)LED串聯(lián)支路上的電壓相同，同一個(gè)串聯(lián)支路中每個(gè)LED上的電流也基本相同，亮度一致，同時(shí)通過每個(gè)串聯(lián)支路的電流也相近。?[1]?

驅(qū)動(dòng)電路

引言

近年來，高亮度LED照明以高光效、長(zhǎng)壽命、高可靠性和無污染等優(yōu)點(diǎn)正在逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源。在一些應(yīng)用中，希望在某些情況下可調(diào)節(jié)燈光的亮度，以便進(jìn)一步節(jié)能和提供舒適的照明。常見的調(diào)光有雙向可控硅調(diào)光、后沿調(diào)光、ON/OFF調(diào)光、遙控調(diào)光等?？煽毓枵{(diào)光器在傳統(tǒng)的白熾燈等調(diào)光照明應(yīng)用已久，且不用改變接線，裝置成本較低，各品牌可控硅調(diào)光器的性能和規(guī)格相差不大，但是其直接應(yīng)用在LED驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合還存在著一系列問題。

調(diào)光原理

市面上大多數(shù)可控硅調(diào)光器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理如下：當(dāng)交流電壓加雙向可控硅TRIAC兩端時(shí)，由于Rt、Ct組成的RC充電電路有一個(gè)充電時(shí)間，電容上的電壓是從0V開始充電的，并且TRIAC的驅(qū)動(dòng)極串聯(lián)有一個(gè)DIAC(雙向觸發(fā)二極管，一般是30V左右)，因此TRIAC可靠截止。當(dāng)Ct上的電壓上升到30V時(shí)，DIAC觸發(fā)導(dǎo)通，TRIAC可靠導(dǎo)通，此時(shí)TRIAC兩端的電壓瞬間變?yōu)榱?，Ct通過Rt迅速放電，當(dāng)Ct電壓跌落到30V以下時(shí)，DIAC截止，如果TRIAC通過的電流大于其維持電流則繼續(xù)導(dǎo)通，如果低于其維持電流將會(huì)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(diào)光器若直接用于控制普通的LED驅(qū)動(dòng)器，LED燈會(huì)產(chǎn)生閃爍，更不能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)光控制。原因歸結(jié)如下：

(1)可控硅的維持電流問題。目前市面上的可控硅調(diào)光器功率等級(jí)不同，維持電流一般是7～75mA(驅(qū)動(dòng)電流則是7～100mA)，導(dǎo)通后流過可控硅的電流必須要大于這個(gè)值才能繼續(xù)導(dǎo)通，否則會(huì)自行關(guān)斷。

(2)阻抗匹配問題。當(dāng)可控硅導(dǎo)通后，可控硅和驅(qū)動(dòng)電路的阻抗都發(fā)生變化，且驅(qū)動(dòng)電路由于有差模濾波電容的存在，呈容性阻抗，與可控硅調(diào)光器存在阻抗匹配的問題，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)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?cái)夭ㄊ沟幂斎腚妷嚎赡芤恢碧幱诜逯蹈浇斎霝V波電容將承受大的沖擊電流，同時(shí)還可能使得可控硅意外截止，導(dǎo)致可控硅不斷重啟，所以一般需要在驅(qū)動(dòng)器輸入端串接電阻來減小沖擊。

(4)導(dǎo)通角較小時(shí)LED會(huì)出現(xiàn)閃爍。當(dāng)可控硅導(dǎo)通角較小時(shí)，由于此時(shí)輸入電壓和電流均較小，導(dǎo)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(chǎn)生閃爍。

?

可控電源

線性調(diào)光存在的問題，即人眼在低亮度情況下對(duì)光線的細(xì)微變化很敏感;而在較亮?xí)r，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(jī)編程來實(shí)現(xiàn)調(diào)光信號(hào)和調(diào)光輸出的非線性關(guān)系(如指數(shù)、平方等關(guān)系)的方法，使得人眼感覺的調(diào)光是一個(gè)線性平穩(wěn)過程。

文中設(shè)計(jì)的電路利用RC充放電電路來實(shí)現(xiàn)這一功能。

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

圖2

根據(jù)圖2中，RC充放電電路的輸出經(jīng)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(shí)間系數(shù)，θ為可控硅的導(dǎo)通角。

則在最小導(dǎo)通角對(duì)應(yīng)的輸出為零，即電路輸出的最大值對(duì)應(yīng)電流參考的最大值：

從式(1)和式(2)可得輸出電流表達(dá)式如式(3)所示。

在斬波角為θ時(shí)，電路對(duì)應(yīng)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(shè)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(shù)如式(6)所示。

?

實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)以上分析，本文設(shè)計(jì)一臺(tái)基于反激變換器的可控硅調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)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(lián)作為負(fù)載;RC時(shí)間系數(shù)選擇0.5，增益為0.2。電路的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)通角為115°時(shí)阻抗匹配開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(shù)為0.78。從圖中可看出，當(dāng)可控硅導(dǎo)通瞬間，由于驅(qū)動(dòng)器輸入端有差模濾波電容導(dǎo)致輸入電流有沖擊電流尖峰，而當(dāng)輸入電流小于一定值時(shí)，阻抗匹配開關(guān)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(dǎo)通角對(duì)應(yīng)的輸出電流曲線，實(shí)際調(diào)試中可控硅導(dǎo)通角在150°之后就接近滿載輸出了。圖4e)為可控硅在不同導(dǎo)通角下對(duì)應(yīng)電路的cosφ曲線。

結(jié)語(yǔ)

本文分析了現(xiàn)有可控硅調(diào)光器用于LED驅(qū)動(dòng)時(shí)存在的問題，并根據(jù)人眼對(duì)光線反應(yīng)非線性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種利用普通PWM芯片結(jié)合外圍電路搭建的可控硅非線性調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路，分析了電路在調(diào)光過程中的工作特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)0～100%平穩(wěn)無閃爍調(diào)光。?[2]?

審核編輯：黃飛