引言
由于小功率白光LED 價格低廉，發熱量小，光效高等特點，被大范圍的應用到了普通照明，景觀照明，因此小功率LED 驅動電源的設計和性能上的提高也就有了迫切的需求。LED 照明燈通常采用市電供電，由于LED 工作電壓低，電流小等特點，用市電驅動LED 要解決降壓和整流問題，還要有比較高的效率，較小的體積和較低成本。LED 是電流驅動器件，其亮度與正向電流成正比，為了保證LED 發光高效均勻、LED 驅動源應為恒電流輸出。因此設計高效簡單，價格低廉的LED 驅動源成為當前一個研究熱點。
提出一種基于恒流二極管的電容降壓式小功率LED 驅動電路設計方案，由交流市電供電，輸出低壓恒流，只需調整電路中部分元件參數即可恒流驅動不同功率LED 燈組。這種設計方案在傳統電容降壓驅動電路基礎上引入了恒流二極管，保證了驅動源低壓恒流輸出。負載小功率LED 采用交叉陣列方式連接，降低了滅燈率。
1 LED 連接方式
在設計LED 照明系統時，需要考慮選用什么樣的LED 驅動器，以及LED 的連接方式，只有合理的匹配設計，才能保證LED 正常工作。小功率白光LED 的正向電壓范圍一般為2.8~4 V，工作電流為15~20 mA。照明用的LED 燈一般是多個這樣的小功率LED 通過串并聯方式組合在一起的，這些LED 通常需要匹配以產生均勻的亮度。另外還需要采用合理的方式將這些LED 連接在一起，不能因為其中一顆LED 燈珠損壞而導致整個LED 燈組不能工作。
將多個同型號的LED 串接在一起，流過每個LED 的電流相等。LED 一致性較差時，雖然不同LED 燈珠正向電壓不同，但流過每個LED 的電流相等，每個LED 燈珠的亮度將會一致。LED 串聯連接驅動源輸出電壓要求較大，電流必須恒定在20 mA 以下。當其中一個LED 因為品質不良斷路后，將會導致整個LED 燈組不亮，這對LED 燈珠的品質和焊接工藝要求較高。
多個LED 燈珠全部并聯，需要驅動器輸出較大的電流，輸出電壓在3 V 左右。并聯連接方式可以避免一個LED 燒壞后整個燈組熄滅這一嚴重缺陷。由于LED 發光強度與工作電流成正比關系，LED 燈珠之間參數存在一定差異，流過每個LED燈珠的電流不一致，直接導致LED 發光亮度不均勻。采用恒流方式驅動并聯LED 時，LED 燈珠應盡量多的并聯，防止因為其中幾顆LED 燒壞，致使流過其他LED 的電流增加而燒壞。
為了提高可靠性、發光均勻性，提出了交叉陣列連接方式，圖1 為LED 交叉陣列連接方式圖。
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從圖中可以看出當其中個別LED 短路或斷路，也不會引起整個燈組熄滅。這種交叉陣列連接方式具有線路簡單，亮度穩定，可靠性高，對驅動要求較低等特點。
2 小功率LED 驅動電路設計
2.1 電容降壓電路
LED 采用交流市電供電時，必須經過AC/DC以及DC/DC 轉換將高電壓的交流電轉換為低壓直流電，目前降壓電路主要有工頻變壓器線性降壓電路，高頻開關電路，基于IC 的降壓電路，電容降壓電路等幾類。考慮到驅動電源的體積與成本，本文采用電容式降壓電路。圖2 為電容降壓電路：
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圖2 中無極性降壓電容C1 的充放電電流為IC=2πfCU0 (U0 為交流電壓，f 為交流頻率)，降壓電容C1 向負載提供的電流I0 實際上就是流過C1的充放電電流IC。當負載電流小于的充放電電流時 ,多余的電流就會流過濾波電容C2。若U0=220 V，f=50 Hz 則IC=69C(IC 的單位為mA，C 的單位為μF)。為了能夠保證降壓電容安全可靠工作，其耐壓值應大于2 倍市電電壓，因此降壓電容宜選用耐壓值630 V 的獨石電容。R1 為1 MΩ 放電電阻，當電路斷電C1 通過R1 快速放電，D1—D4 為IN4007組成的全波整流橋。為了獲得較好的濾波效果，選擇的濾波電容的容量應滿足RLC=(3~5)T/2(RL 為負載電阻，T 為0.02 s)，耐壓值應大于1.1 2 U0(U0為電容降壓電路輸出電壓)。原則上，電容值取的越大，輸出電壓越平滑其紋波值越小。但是隨著電容容量的增大，一般其體積也隨之增大，在考慮電路板面積的情況下，應盡量選擇大容量的濾波電容。
2.2 市電供電的小功率LED 驅動電路
基于恒流二極管的市電供電小功率LED 驅動電路如圖3 所示：
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圖中D5,D6 為恒流二極管，本設計采用的恒流二極管為貴州博越公司的2DHL 系列。2DHL 系列恒電流二極管是一種硅材料制造的基礎電子器件。
正向恒電流導通，反向截止。輸出的恒電流大，精度高，啟動電壓低。器件按極性接入電路回路中，即可達到恒流的效果，應用簡單，實現了電路理論和電路設計中的二端恒流源。由于輸出電流大，可以直接驅動負載，實現恒定電流電源。在LED、半導體激光器、以及需要恒功率供電驅動的場合有廣泛應用。具有啟始電壓低(3~3.5 V)，恒流電壓范圍廣(25~100 V)，響應時間快(tr < 50 ns tf <70 ns)，負溫度系數等優良特性。為了提供更大電流可以將多個恒流二極管并聯使用，并聯以后輸出電流為各個恒流二極管標稱電流之和。由于恒流二極管工作電壓范圍加大，因此即使負載LED 短路也不會導致整個驅動電路燒毀，具有很強的電路保護功能。
小功率LED 正向電壓2.8~3.2 V，最大工作電流為20 mA。LED 亮度L 與正向電流IF 成正比：
mL = KI F (K 為比例系數)[6]，工作電流越大發光亮度越大，但由于LED 也具有亮度和飽特性，所以LED 正向驅動電流應小于其標電流。小功率LED電流達15 mA 以后，亮度以達到飽和，如果繼續增大電流不僅不會提高亮度，還會使LED 的PN 溫度迅速升高導致光衰。
C1 為降壓電容，電容降壓電路輸出電流主要與降壓電容容量和輸出電壓有關，輸出電壓越高電流越小。理論上驅動電路輸出電壓可以達100 V 以上，但考慮到高電壓下濾波電容C2 的體積較大，不易于電路安裝，本文設計的驅動電路主要使用50 V和100 V 的濾波電容。雖然電容容值越大驅動電路輸出電流越大，但降壓電容值太大會降低整個驅動電路的安全特性與穩定性，因此建議降壓電容的容值不要超過3.3 μF。下表1 給出了采用0.68~3.3 μF不同大小降壓電容，驅動電路在不同電壓下提供的電流以及能夠驅動的最多LED 數量。(此表中的數據為多次實驗與仿真所得)。
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LED 采用交叉陣列方式連接，先將相同個數LED 并聯成組，再將各個組串聯。采用交叉陣列方式，對LED 燈珠一致性要求不高，并且不會因為其中一顆燈珠損毀而導致整個LED 燈熄滅。由于目前LED 白光頻譜成分單一，柔和性較差，為了提高LED 燈整體發光柔和度，應在白光LED 燈中適當加入幾顆黃光LED 燈珠。
3 仿真與實驗分析
3.1 驅動電路的 Pspice 仿真
為了驗證驅動電路的可行性，采用pspice 電路仿真軟件對電路進行了仿真，圖3 為瞬態分析時輸出電壓與電流波形。驅動電路中降壓電容C1 容量為1 μF，濾波電容C2 容量為1000 μF，串聯一顆2DHL060 恒流二極管(恒定電流60 mA)，輸出驅動28 顆0.06 W 白光LED(采用4*7 交叉連接方式)。
從圖可以看出電路在100 ms 時進入穩定狀態 ,穩定后其輸出電壓為25V 輸出電流恒定為60 mA。基本驗證了基于恒流二極管的小功率LED 驅動電路的可行性。
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3.2 實驗分析
為了進一步驗證了基于恒流二極管的小功率LED 驅動電路的可行性。制作了驅動65 顆(5*15方式連接)0.06 W 白光LED 的驅動源，其中降壓電容C1 為1.5 μF，濾波電容C2 為1000 μF，恒流二極管為兩顆2DHL040 并聯，并利用萬用表對電流電壓進行測量。實際測得輸入電壓在196~248 V范圍內輸出電流恒定為80 mA，相當于流過每個LED 電流為 16 mA。在219 V 輸入電壓條件下，整個電路消耗的功率為 7.1 W ，則驅動源的功率因素為 0.47。圖5 為制作的小功率驅動源實物圖。
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4 總結
本文設計的基于恒流二極管小功率LED驅動電路結構簡單、成本低廉、滿足LED 恒流驅動的要求，經過多次實驗驗證本驅動電路可靠性很高。通過改變降壓電容可適合用作多種 LED 燈具電源。