LED驱动原理

LED发光二极管驱动电路设计
  1,定电流控制与定电压控对LED的影响
LED灯源因颜色或使用的LED个数不同，要点亮各个灯源即需要不同的电压值，而若要只使用一种定电压电源供应器(如12V)来点亮不同的灯源时，必须依LED个数在各个灯源上加上数量不等的串联限流电阻，以限制电源供应器输出过高的电压到灯源上，如此虽可以点亮LED但也同时带来功率损耗并转成热能累积在灯源上，不只违反照明节能目标也使LED衰减加速。此外，虽然可以在理论上计算出所需的限流电阻值，但因灯源点亮后或环境的热效应会造成电阻值变动，最常发生的情形是温度升高时灯源本身电阻会下降，此时电源供应器输出的电流会大幅超越额定电流值并造成LED 过度驱动发亮而缩短寿命。另一方面若灯源与电源供应器距离太远时(延长线使用过长)会造成压降而大大降低光度输出。定电压控制系统当串联的LED上有单个损坏时外围LED也会整体电压快速降低而使得电流加大而陆续过热损坏；定电流系统因会依回授电阻、电流值来调整因此能避免此现像。
  2, 在亮度、稳定性及寿命上的比较
就LED照明的电源供应来说，LED与传统灯泡发光方式不同之处在于灯泡是靠电子流过产生的热能而发光，而LED是靠电子流过激发出光子来发光；故转换效率越高，或是电子数量越大，光就越亮，而当电子数量过大就会造成LED烧毁，因此为得到更好的亮度，驱动电流都会设计到逼近LED的最大电流上限値，因处于临界值，要避免危险选用定电流方式驱动，会比电流不恒定的定电压驱动方式优良。也因为如此，使用定电压驱动LED因担心LED烧毁因此必须牺性亮度使用较低的电流驱动LED，故当视觉照明需要较高亮度时就无法达到。而使用定电流驱动不论在亮度、稳定度及寿命均会优于同样亮度的定电压驱动灯源。
  3, PWM调光控制
LED亮度可通过PWM信号控制，这种方法通过调整驱动器的导通时间控制LED的输出电流。仿真调光改变的是LED驱动器的输出电流，会导致色彩失真。所以，PWM调光是调节LED亮度的理想方式。采用PWM调光方式时，LED驱动器的导通时间可调，其工作周期近似等效于显示器亮度，即100%工作周期对应最大亮度。也可以利用PWM调光方案从零到满负载调节LED电流，但由于控制回路速度太慢，无法实现较宽的亮度调节范围。对电路进行改进则可获得快速响应，利用HT46R24就可以实现这样的PWM调光控制回路。
当PWM调光信号变低时，通过断开与LED串联的开关，可迅速将LED电流降到零。同时，用于驱动开关MOSFET的闸极驱动器通过短接MAX16818的CLP接脚被关闭，通过导通Q1完成该作业。同时，与外部电压回路中补偿组件串联的开关(Q3)开路，因而保持外部电压回路补偿电容器的电压。将CLP接脚短路到地可以立即将输入电流降至零。因为平均电流控制模式有很高的交越频率：
所以，不需要将一个开关与内部回路电流的补偿电容器串联。一旦PWM调光信号变高，CLP接脚断开，而与外部电压补偿电路串联的开关导通，打开LED串联开关允许LED电流流过。通过这种方式，控制回路可以恢复到断开LED电流通路前的状态，快速恢复LED电流，而且电流过冲非常小。LED驱动器的完整原理图如图1所示。
图1中的LED驱动器输入电压为7V至28V，LED电流通过电位器R2在0.4A到1.2A范围内调节。LED支路可以串联1到4只LED。图2提供了一个亮度调节过程的例子。LED电流具有较快的上升和下降时间，当PWM调光信号变高时，对于0.8A的LED电流会有小于100mA的过冲。

图1：降压-升压LED驱动器原理图。

图2a中，3只串联LED的电流为0.8A，输入电压为7V。示波器信道1为PWM调光信号，信道4为LED电流，该电流在PWM信号变高时会增大。图2b中，当PWM信号切断时，LED电流降为0。


图2a：PWM调光过程中，LED电流的上升过程(Vin = 7 V，I = 0.8 A，3只LED串联) ( Ch1：PWM调光信号；Ch4：LED 电流)

图2b：PWM调光过程中，LED电流的下降过程 ( Ch1：PWM调光信号；Ch2：LED 电流)
图3a和图3b采用了相同设置，唯一区别是输入电压为14V。


图3a：PWM调光过程中，LED电流的上升过程 (Vin = 14 V，I = 0.8 A，3只LED串联)( Ch1：PWM调光信号；Ch4：LED 电流)


图3b：PWM调光过程中，LED电流的下降中 ( Ch1：PWM调光信号；Ch4：LED 电流)
从上述测试结果可以看出，平均电流控制模式能够理想用于LED驱动。同时，也可以方便地对该电路加以改良，使PWM亮度控制电路能实现较高的调光比。