任务一
LED驱动技术

LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因此在工作过程中需要对其进行保护，以稳定其工作状态，从而产生了驱动的概念。LED驱动是指连接在交流（AC）或直流（DC）电源与LED负载之间的电子控制装置，用于提供合适的恒定电流和工作电压，它实际上就是LED的电源，因此也将其称为“LED驱动电源”，这与电视机或计算机的电源概念一样。

驱动电源能在输入电压和环境温度等因素发生变化的情况下，有效控制LED电流的大小，直接影响到LED的性能和发光效果。否则，LED的发光亮度将随输入电压和温度等因素的变化而变化。若电流失控导致工作电流过大，将严重影响LED的可靠性和寿命，并可能导致失效。因此，驱动电源在整个LED灯具中的作用就好像人的心脏一样重要。

知识点1：LED恒流驱动的基本方案

LED是一种电流驱动的低电压单向导电器件，为保证LED正常工作，必须满足以下基本要求。

①输入直流电压必须不低于LED的正向电压降，否则LED不会导通而发光。

②采用直流电流或单向脉冲电流驱动，当驱动并联的LED或LED串时，要求恒流而不是恒压。

LED恒流驱动的基本方案主要分为电阻限流、线性恒流源和开关恒流源3种。

1.电阻恒流方案

电阻限流方案是将电阻与LED串联，通过调节电阻值来控制LED的正向电流，是最简单的LED驱动电路，如图2-1所示，可以通过式2-1计算出LED的工作电流 I 。

（2-1）

I 与限流电阻 R 成反比，当电源电压 V 上升时， R 能限制 I 的过量增长，使 I 不超出LED的允许范围。此电路的优点是简单、成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻消耗功率并发热，导致用电效率低，仅适用于小功率LED产品。

2.线性恒流源

线性恒流源电路是利用电流负反馈原理，采用工作在线性区的功率三极管或MOSFET作为一个动态可调电阻来控制负载的电路。线性调节器有串联型和并联型两种，如图2-2所示。

并联型线性调节器又称为分流调节器（图2-2中LED实际可以是多颗），它与LED并联，当输入电压增大或者LED减少时，通过分流调节器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使通过LED的电流保持恒定。由于分流调节器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定调节。串联型线性调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持LED上的电压（电流）恒定。由于功率三极管或MOSFET管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正常工作。

线性恒流驱动电路具有电路简单、元件少、成本低、恒流精度高等优点，但是也存在以下缺点。

①调整管工作在线性状态，工作时功耗高、发热大，特别是压差过大时，不仅要求较大尺寸的散热器，而且降低了用电效率。

②它仅能工作在降压状态，不能工作在升压状态，即电源电压必须高于LED工作电压。

③电源电压要与LED工作电压严格匹配，不允许大范围改变，即它对电源电压及LED负载变化的适应性差。

④交流供电时，线性恒流驱动电路一般与直流开关稳压电源配合使用，不能直接使用。

3.开关恒流源

开关恒流源电路是利用电流负反馈原理，采用PWM信号控制晶体管导通和关断的时间比例，维持电流稳定输出的一种电源。开关恒流源的电路图如图2-3所示。

开关电源是目前能量变换效率最高的，可以达到90%以上。稳压范围宽、稳压效果好；可组成多种电路拓扑，满足LED驱动需要；可实现小型化和轻量化。因此，LED驱动电源多采用开关恒流源电路。

按照电路内部是否包含变压器，开关恒流源主要分为隔离型和非隔离型两大类。其中：非隔离型又分为降压（Buck）拓扑、升压（Boost）拓扑和降压-升压（Buck-Boost）拓扑。隔离型又分为正激式（Forward）拓扑、反激式（Flyback）拓扑、桥式（Bridge）拓扑和推挽式（Push-Pull）拓扑。

表2-1列出了用于驱动LED的几种开关型变换器拓扑的比较。

知识点2：市电供电的降压式LED驱动器

LED的发展和应用目标是取代白炽灯等传统光源，LED应用于普通照明领域的能源仍将主要来自电网。我国的市电电源是220V/50Hz，国际通用交流线路为85V～265V、50Hz/60Hz。由于LED要求在直流低电压下工作，采用市电电源供电，则需要通过适当的电路拓扑将其转换为符合LED工作要求的直流电源。

1.市电供电的驱动电源分类

①AC-DC电源按照是否采用变压器分为非隔离式和隔离式两种。所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED（即输入与输出）之间没有物理上的电气连接。最常用的是采用变压器来实现电气隔离，而“非隔离”则没有采用高频变压器来实现电气隔离。通常隔离电源会更安全，但是非隔离的电源可以通过采用陶瓷外壳、塑料网等设计来达到安全要求。

②AC-DC电源按照构成原理分为整体式和分体式两种。

a.整体式配置：利用元器件或驱动IC直接实现恒流输出，这种配置主要应用于射灯、球泡灯等空间有限的照明灯具，其优势在于能效较高、安装方便等。

b.分体式配置：这种配置先实现恒压，再利用DC-DC电路实现恒流，即两者单独存在，这种配置在安全性和灵活性方面具有优势。

③AC-DC电源按照电路结构方式主要分为以下几类。

a.电阻、电容降压方式：通过电容降压，在启动使用时，由于充放电的作用，通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片，易受电网电压波动的影响，电源效率低，可靠性差。

b.电阻降压方式：通过电阻降压，受电网电压变化的干扰较大，不容易做成稳压电源，降压电阻要消耗很大部分的能量，电源的效率很低，可靠性较差。

c.线性变压器降压方式：电源体积大，质量偏大，电源效率也很低，一般只有45%～60%，一般很少用，可靠性不高。

d.电子变压器降压方式：电源效率较低，电压范围也不宽，一般为AC 180V～240V，纹波干扰大，EMI电磁干扰大。

e. RCC降压方式：稳压范围比较宽，电源效率比较高，一般可以做到70%～80%，应用较广。但是这种控制方式的振荡频率是不连续的，开关频率也不容易控制，负载电压纹波系数也比较大，异常负载适应性差。

f. PWM控制方式：这种电源效率极高，可以做到80%～90%，输出电压和电流稳定，可靠性高。目前，大功率LED驱动电源主要采用PWM控制方式。

2.市电供电的驱动电源基本结构

AC-DC驱动电源主要包括：EMI电路、输入整流滤波电路、PFC电路、功率变换电路、PWM稳压控制电路、输出整流滤波电路和保护电路等几部分。当市电进入电源后，先经过扼流线圈和滤波电容去除高频杂波和干扰信号，然后经过整流和滤波得到高压直流电。接着通过开关电路把直流电转为高频脉动直流电，再送高频开关变压器降压。然后滤除高频交流部分，这样最后输出供给设备使用的相对纯净的低压直流电。

（1）EMI滤波器

EMI滤波器的主要作用是削弱EMI信号的传导干扰和辐射干扰，把它控制在EMC标准规定的极限电平以下。标准的EMI滤波器通常是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路，其作用是允许设备正常工作时的频率信号进入设备（一般来说，就是工频50Hz/60Hz或者中频400Hz），而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。

EMI滤波器的基本网络结构如图2-4所示。其中 L ₁ 和 L ₂ 是绕在同一磁环上的2只独立线圈，称为共模线圈（LCM）， L ₃ 和 L ₄ 是独立的差模抑制电感。

EMI滤波器既能有效地抑制电子设备外部的EMI信号传入设备，又能大大衰减本身工作时产生的传向电网的EMI信号，同时对共模和差模噪声都具有抑制作用。

（2）整流电路

整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称为单向脉动性直流电压。整流电路通常由整流二极管组成，主要类型有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路三种。桥式整流电路是使用最多的，其电路如图2-5所示。

桥式整流电路的工作原理： V ₂ 为正半周时，对VD ₁ 、VD ₃ 加正向电压，VD _l 、VD ₃ 导通，VD ₂ 、VD ₄ 截止，构成 V ₂ 、VD _l 、 R _fz 、VD ₃ 通电回路，在 R _fz 上形成上正下负的半波整流电压； V ₂ 为负半周时，对VD ₂ 、VD ₄ 加正向电压，VD ₂ 、VD ₄ 导通，VD ₁ 、VD ₃ 截止，构成 V ₂ 、VD ₂ 、 R _fz 、VD ₄ 通电回路，同样在 R _fz 上形成上正下负的另外半波的整流电压，输出电压波形如图2-6所示。

（3）功率因数校正电路

功率因数（PF）定义为有功功率（ P ）与视在功率（ S ）的比值。AC-DC驱动电源采用桥式整流和大容量铝电解电容滤波电路来实现AC-DC变换，只有当线路的峰值电压大于滤波电容两端的电压时，整流元件中才有电流流过，虽然AC输入电压仍然能保持正弦波波形，但AC输入电流却出现严重畸变，呈幅度很高的尖峰状脉冲，如图2-7所示。导致功率因数很低，一般为0.5～0.6，影响电源的利用率，对电能造成巨大的浪费，而且产生谐波电流。因此，必须采用功率因数校正（PFC）技术，对发生失真的AC输入电流进行校正，进而减少电流谐波，增加电力系统容量，减小线损，节约电能。

PFC电路分为无源PFC（被动式）和有源PFC（主动式）两种类型。无源PFC电路只使用二极管、电阻、电容和电感等无源元件，功率因数只能达到0.7～0.8。典型的无源PFC电路如图2-8所示。它的拓扑结构简单、成本低，但是体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形。有源PFC电路通常由电感电容及电子元器件组成，体积小、重量轻，可以提供91%～95%的高效能，其结构框图如图2-9所示。

安森美半导体推出了高度整合的NCP1650系列PFC控制器，降低了PFC电路的设计难度，使设计更简单。NCP1650系列PFC控制器的内部结构如图2-10所示。采用集成化的PFC控制器是PFC电路设计的主要趋势。

3.电容降压式LED驱动器

电容降压电路属于一种常见的小电流电源电路，由于其具有体积小、成本低、电流相对恒定等优点，常应用于LED的驱动电路中。

（1）最简单的电容降压电路

如图2-11所示，电路中利用两颗反向并联的LED对降压后的交流电进行整流。该电路广泛应用在夜光灯、按钮指示灯及一些要求不高的位置指示灯等场合。

（2）采用压敏电阻的电容降压电路

一个实用的采用电容降压的LED驱动电路如图2-12所示，该电路与目前大部分应用电路的不同之处在于连接有压敏电阻。压敏电阻能在电压突变的瞬间（如雷电、大用电设备启动等）有效地将突变电流泄放，从而保护LED和其他电子元件。

在图2-12中，电容 C ₁ 的作用是降压和限流；VD ₁ ～VD ₄ 的作用是整流，用于将交流电整流为脉动直流电压，VD ₁ ～VD ₄ 可以选择1N4007系列的整流二极管。 C ₂ 和 C ₃ 的作用为滤波，用于将整流后的脉动直流电压滤波成平稳的直流电压。 C ₂ 和 C ₃ 的耐压应根据负载电压而定，一般为负载电压的1.2倍，其电容容量视负载电流的大小而定。压敏电阻 R _V 的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压对地泄放掉，从而保护LED不被瞬间高压击穿。

LED串联的数量视其正向导通电压而定，在220V交流电路中最多可以达到80颗左右。电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值，在220V/50Hz的交流电路中，可以选择耐压为400V以上的涤纶电容或纸介质电容。

（3）采用晶闸管的电容降压电路

图2-13所示为采用晶闸管的电容降压驱动电路。在该电路中，晶闸管V和 R ₃ 组成保护电路，当流过LED的电流大于设定值时，V按一定的角度导通，从而对电路中的电流进行分流，使LED工作于恒流状态，从而避免LED因瞬间高压而损坏。

（4）具有滤波单元的电容驱动电路

在图2-14所示电路中， C ₁ 、 R ₁ 、 R _{V 1} 、 L ₁ 和 R ₂ 组成第一级电源滤波电路，用于将输入的瞬间高压滤除； C ₂ 、 R ₃ 组成降压电路； C ₃ 、 C ₄ 、 L ₂ 及 R _{V 2} 组成整流后的滤波电路。此电路采用双重滤波电路，能有效地保护LED不被瞬间高压击穿损坏。

4.变压器降压式LED驱动器

变压器降压电路利用变压器将交流220V降低为某个低电压值，该电压值仍为交流电压，常应用于LED景观照明电路中。

（1）变压器降压整流滤波LED驱动电路

采用变压器（T ₁ ）降压和全波整流、电容滤波电路驱动功率型白光LED的电路，如图2-15所示。

变压器降压LED驱动电路比较简单，成本较低，但当电网电压波动时，通过LED的电流变化率较大。同时，由于限流电阻上的功率消耗较大，电源效率很低，并且当交流线路电压突然升高时，有可能使LED损坏。

（2）采用线性稳压器的变压器降压式LED驱动电路

针对全波整流、电容滤波电路存在的不足，可以采用线性稳压电源驱动LED。三端集成稳压器采用MC7809，其应用电路如图2-16所示。

MC7809像其他一些线性稳压器一样，能提供优良的线路和负载调节，电流调节率通常不大于±5%，电路设计简单。但是，线性稳压器也存在一些缺点，主要表现在功率消耗大、效率低和难以实现电子调光功能。

（3）采用集成电流源的LED驱动电路

用专门定制的驱动LED的集成电流源替代线性稳压器，可以克服线性稳压器所存在的弊端。美国安森美公司的NUD4001就是一种适合于驱动功率型白光LED的集成电流源。

NUD4001采用8个引脚SO封装，内置电流源和可编程电流设置电路。其中1脚为直流电压输入端，2脚未连接，3脚为输出电流设置端，4脚为接地端，5脚～8脚为驱动电流输出端。NUD的直流输入电压范围为6V～30V，最大输出电流达500mA，自身的电压降仅为1.4V。其应用电路如图2-17所示。

知识点3：LED驱动电源的设计

1.设计步骤

LED应用的关键技术之一是提供与其特性相适应的电源或驱动电路，因此LED驱动电源的科学设计对LED照明灯具尤为重要。

（1）确定照明目的

在建立设计目标之前就必须确定照明要求。对于某些应用，存在现成的照明标准，可以直接确定要求。对其他应用，确定现有照明的特性是一个好方法。具体来说，包括照明功用、光输出、光分布、CRI、灯具尺寸和电源功率等。

（2）确定设计目标

明确要求后就可以确定LED照明的设计目标，包括工作环境、材料清单成本和使用寿命。

（3）计算LED的数量和工作电流

LED的数量直接影响光输出、功耗和照明成本，因此，需要多少颗LED才能满足设计目标是设计过程中最重要的参数之一。要准确计算所需要的数量，必须首先估计光学、热和电气系统的效率。

（4）选择驱动芯片

根据LED数量、连接方式和工作电流，选择合适的驱动类型和拓扑结构。正确选择LED驱动电源芯片是设计LED照明灯具的前提条件。

目前，国内外生产的LED驱动电源芯片种类繁多、性能各异、型号多达数千种。LED驱动电源芯片的分类见表2-2。

2.驱动电源的布局与布线

LED驱动电源的正确布局对确保其长期稳定地工作并符合电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）要求至关重要。目前，LED驱动电源以印制电路板（PCB）为主要装配方式。大量实践证明，即使电路设计正确，因布局或布线不合理，也会对LED驱动电源的可靠性产生不利影响。因此，在设计PCB时，应采用正确的方法。

（1）LED驱动电源布局的一般原则

①对元器件进行布局时，首先要确定PCB的尺寸及形状。由于隔离式LED驱动电源分为输入、输出两侧，并且要求两侧实现电气隔离，因此通常将PCB设计成长方形。先将PCB中所用元器件的封装均匀排列成长方形，左边为一侧元器件，右边为二侧元器件，并预留4个安装孔位置，在禁止布线层画一个长方形，将所有元器件包围起来，留有一定的安全边界，PCB尺寸大小也就基本确定了。

②布局一般从高频变压器开始。将高频变压器布置在PCB中间，左边为一次侧，右边为二次侧。输入滤波电容器、一次绕组和功率开关管组成一个较大脉冲电流的回路。二次绕组、整流二极管和输出滤波电容器构成另一个较大脉冲电流的回路。这两个回路要布局紧凑，引线短捷。以减少泄漏电感，从而降低吸收回路的损耗，提高电源的效率。在一次侧带高压的元器件之间应适当加大间距，并根据需要适当微调PCB的尺寸，最后完成PCB的整个布局。

③PCB尺寸要适中，过大时印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也提高；尺寸过小，会造成散热不好，还容易受相邻印制导线的干扰。

④关键元器件的合理布局也非常重要。模拟地（AGND，控制器IC的模拟地引脚）包括取样电阻分压器的接地端和控制器特定引脚的旁路电容的公共接地端，可使用较宽的长引线。功率地（PGND）则包括输入电容器、输出电容器的接地端以及MOSFET的源极，功率地线必须采用短而宽的引线，以减小引线阻抗，提高电源效率。这样布局可防止较大的开关电流通过模拟地的回路进入电池或电源，造成干扰。

⑤设计多层PCB时，可将一个中间层作为屏蔽，功率元器件置于PCB的顶层，小功率元器件放置在底层，这种布局能降低干扰。

（2）LED驱动电源布线的一般原则

①LED驱动电源的布线，主要是考虑线宽的选择和绝缘间距的问题。特别要注意地线的布线和取样点的选择，这会直接影响电源的性能指标。布线时应优先考虑选择单面板，以降低PCB的成本，但布线难度会增大。必要时还要设计一些跨线来完成电路连接。

②PCB布线时如果两条细平行线靠得很近，就会造成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。

③选择合理的导线宽度。由于瞬变电流在印制线条上所产生的脉冲干扰主要是由印制导线的分布电感造成的，因此应尽量减小印制导线的分布电感。印制导线的分布电感与其长度成正比，与其宽度成反比，采用短而宽的导线对抑制干扰是有利的。

④虽然采用平行走线可减小导线的分布电感，但导线之间的互感和分布电容会增加，还容易引起串模干扰。设计复杂的电源系统时，可采用井字形的网状布线结构，具体方法是在PCB的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。

（3）LED驱动电源布局与布线的注意事项

①LED驱动电源的接地。在电子设备中，接地是控制干扰的有效方法。将接地与屏蔽结合起来使用往往能事半功倍，能解决大部分干扰问题。电源系统中的地线大致可分为一次侧地、二次侧地、模拟地、功率地、屏蔽地和系统地。

应正确选择单点接地和多点接地。模拟地允许采用多点接地法，功率地应采用单点接地法。

若地线很细，则接地电位会随电流的变化而变化，使信号不稳定，抗噪声性能变差。因此应将接地线尽量加粗，可按通过3倍工作电流的余量来选择线宽，一般情况下功率地线的宽度应大于3mm。

②减小噪声干扰的方法。产生噪声干扰主要有三个途径：一是开关噪声，由于地回路存在分布电阻和分布电感，当功率电路的接地返回电流通过控制器（IC）的地回路时，在地线上产生开关噪声；二是地回路本身的噪声不仅会降低稳压（或稳流）输出精度，还容易干扰同一PCB上其他敏感电路；三是在电源或电池正端出现的开关噪声能耦合到同一电源供电的其他元器件（包括控制芯片），使基准电压发生波动。若发现输入旁路电容器两端电压不稳定，可在控制器的电源引脚前面增加一级RC型滤波器，这有助于稳定其供电电压。此外，交流电流通过的回路面积越大，所产生的磁场越强，形成干扰的可能性也大大增加。将输入端旁路电容器靠近功率电路能减少输入电流回路所包围的面积，可避免产生干扰。

由于电感电流不能发生突变，当电感电流快速变化时，电感电压会产生幅度很高的尖峰电压和振铃，不仅会形成电磁干扰，而且容易损坏电路中的元器件，必要时应增设 RC 吸收回路或钳位电路。

③旁路电容器的选择及接法。如果发现某个节点对噪声特别敏感，利用旁路电容器可降低该节点对串模干扰的灵敏度。通常在节点与地之间，或节点与输入高压线之间加一只小容量电容器，即可起到旁路作用。选择旁路电容器时，要确保它在可能引起问题的频率范围内有足够低的阻抗。其等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）会增加其高频阻抗，因此具有低ESR和ESL的陶瓷电容特别适合作高频旁路电容。

旁路电容器的安装位置也很重要，为抑制高频干扰，在给需要旁路的信号线进行布线时，可直接并联旁路电容器。

无论采用电池还是用电源给LED驱动器供电，电源阻抗都不可能为零。这意味着当控制器从电源吸取快速变化的电流时，电源电压将发生变化。为减小这种瞬态变化，可在输入端安装输入旁路电容器，有时将陶瓷电容器与电解电容器并联使用，目的就是限制大电流输入到功率电路中，避免对低噪声电路形成干扰。

某些节点不允许采用旁路措施，因为这将改变其频率特性，例如用于反馈的电阻分压器就不允许接旁路电容器，否则会造成相位失真，破坏反馈环路的稳定性。

④散热问题。从有利于散热的角度看，PCB最好沿垂直方向安装，板与板之间的距离一般不小于2cm。大功率器件尽量布置在PCB的上方，以减少这些发热器件对其他元器件温度的影响。

对温度较敏感的器件最好安置在低温区，不要安装在发热器件的正上方，PCB的散热主要靠空气流动，设计时应按照空气流动的途径来合理布局。

散热器表面应光洁、平直，无翘曲或锈蚀，并紧固在器件上。器件尽量安装在散热板的中心处。若要求二者绝缘，需加云母衬垫和绝缘套筒，也可选聚酯薄膜做绝缘衬垫。

在大功率器件与散热器的接触面上应涂一层导热硅胶，使二者紧密贴合，将接触面的热阻降至最低，这不仅能改善散热条件，还能减少散热器的尺寸。

散热器应尽量远离高频变压器、功率开关管、输出整流管等热源。

采用成品散热器时可根据计算出的散热器最大允许热阻 R _{θ SA} ，选购合适的散热器。

3. LT3517设计实例

LT3517是一款内部集成1.5A、45V开关，驱动多LED的电流模式驱动电路，可工作于升压、降压和降压/升压模式。它结合了传统的电压环路和一个独特的电流回路，可编程开关频率，允许通过外部器件优化效率和缩小器件尺寸。通过外部检测电阻编程可实现对LED电流的调节，为外部PWM输入提供高达5000∶1的LED调光。LT3517主要应用于显示屏背光、汽车、工业和建筑照明、扫描仪。

（1）LT3517的引脚定义

LT3517的引脚排列如图2-18所示，各个引脚的功能如表2-3所示。

（2）LT3517的应用电路

如图2-19～图2-22所示。

4. LinkSwitch-TN设计实例

①LinkSwitch-TN概述。LinkSwitch-TN在一个器件上集成了一个高压功率MOSFET开关和一个电源控制器，与传统的PWM控制器不同，LinkSwitch-TN采用简单的开/关控制器来调节输出电压，包括一个振荡器、反馈电路（检测及逻辑电路）、5.85V稳压电路、旁路引脚欠压电路、过温保护、频率调制、限流电路、前沿消隐电路，还集成了自动重启电路。在短路、开环的故障情况下，安全地限制了输出功率，降低了负载保护电路的成本。

LinkSwitch-TN系列器件型号及输出电流值见表2-4。

②LinkSwitch-TN系列器件引脚排列如图2-23所示，引脚功能如表2-5所示。

③LinkSwitch-TN系列支持降压、降压-升压及反激拓扑结构，其典型应用电路如图2-24所示。

④LinkSwitch-TN系列产品LNK306DN的非隔离式降压变压器如图2-25所示，LNK306DN具有最小的电流限流点（450mA），能确保300mA的输出电流。