关键词：发光二极管； 驱动/ 大功率发光二极管； 单端反激； 恒流源

Abstract：The high power light emitting diode （LED） is viewed as a novel lamp-sourse which can replace the traditionalones.It is suitable to use the constant current drive.A constant current source based on single flyback with the power supplyof 220 V/50 Hz AC is designed.The circuit is generally introduced，the principle of constant current is analyzed，and thefeedback circuit is designed.This constant current source can provide the high-power LED with constant current，opening ofcircuit with voltage limiting function is also included.It can meet the demands for driving the high power LED.The experimentalresult proves that this constant current source based on single flyback can be used to drive the high power LED .
Keywords：light emitting diode； drive / high power light emitting diode； single flyback； constant current source

1 引言
      近年来，大功率发光二极管（LED）以其高光效、高可靠性、长寿命和无辐射的优点，在信号显示和显像等领域获得了越来越广泛的应用。大功率LED 的问世又极大地拓展了LED 的应用领域， 并被视为一种可能取代白炽灯、荧光灯等传统光源的新型光源[1-2]，这使得设计大功率LED 照明驱动电路显得十分有必要。在分析大功率LED 用恒流驱动必要性的基础上， 设计了一种利用高频开关变换器实现的恒流电源，用于大功率LED的驱动。
2 大功率LED 的电气特性
      现在市售的大功率LED 的额定电流从350 mA到1.8 A， 功率从1 W 到8 W 不等， 额定电流大的LED 对应的功率也大。在此选定其中一种大功率LED 做电气特性分析。图1a 示出LED 的正向压降Uf与电流If的关系， 光通量Φ 与If的关系如图1b所示。由图可见，大功率LED 的Uf与If是一条很陡的曲线，Uf稍增大零点几伏，相应的If值就会产生很大的变化。如果把大功率LED 的初始工作点定在Uf=3.15 V，对应的If≈150 mA，如果Uf增加0.25 V，即达到3.4 V，此时If≈350 mA，增加了一倍还多。由此可知，电压的微小变化会引起较大的电流变化。由图1b 可知，Φ 与If近似成正比的关系，If的较大变化会引起Φ 的较大变化，LED 功耗和温度也急剧增加，导致LED 发光亮度不稳定，甚至损坏。所以若要对大功率LED 采用定电压（恒压）驱动，则是一个严重的挑战。反之，当If有50 mA 的变化时，Uf变化相当小，只有零点零几伏，这样小的电流变化不会引起LED 发光亮度的较大改变和急剧温升， 亦不会对LED 的使用构成威胁， 所以对大功率LED 来说，采用恒定电流驱动显得十分必要[3-4]。
3 电路结构与控制原理
      所设计的电路为单端反激拓扑， 采用双电流环对输出电流进行控制， 输出端电路含有必要的开路限压保护，即过载保护，使功率电路器件免受损坏。考虑到电路成本，采用精密小电阻进行采样，虽然整个电路的效率会有所下降，但电路成本降低了不少。

       控制框图如图3 所示。输出电流检测信号经PI调节后， 输出的误差信号经光耦隔离后作为电流检测比较器的给定，将其与电感电流相比较，输出的比较信号经PWM 比较器后形成PWM 波，用以控制开关管的开关的状态，这样就形成了双电流环控制。外电流环在保证输出恒定电流稳定精度的情况下，内电流环通过检测电感电流， 更快地提高系统的动态性能和响应速度，实现输出端电流恒定。
      图4 出示实际电路原理图。电路稳态工作情况下，当输出端突然开路，或输出端开路状态下输入端突然加电时，输出端电压会突然跳高，此时会击穿稳压管VZ2， 将输出端电压箝位在该稳压二极管的额定电压下，从而避免了电路器件的损坏，实现了开路限压保护功能。当带载超过额定输出电压时，电压亦被箝位在该稳压管的额定电压下， 此时电路处于大范围的稳定工作范围内。如果输出端接大于额定输出电压的大功率LED 作为负载，则表现为单个大功率LED 发光亮度下降。
4 部分重要参数设计
      设定实验样机的输出恒定电流为0.8 A，额定功率为36 W，额定输出电压为45 V。VZ2的额定稳压值为48 V。控制芯片UC3842 方框图如图5 所示。由接在管脚8 的电阻RT和接管脚4 的耦合电容CT决定电路的工作频率，这里采用100 kHz。因电路隔离需要，UC3842 内部的误差放大器悬空不使用。当电路的输入端刚加电时， 为了使电路缓慢起振而设计了电容C7， 为使CT不过多地影响电路的工作频率，选用100 pF 的贴片电容。
     设计变压器时[5]，选择EE28L 型磁芯，中心柱磁路有效面积Ae=76.32 mm2，饱和磁感应强度在100 ℃时为320 mT。因电路工作频率为100 kHz，暂设占空比为0.4，则开关管导通时间ton=（1/100）×0.4 =4 μs。单相交流整流采用电容滤波， 直流电压不会超过交流输入电压有效值的1.4 倍，也不小于1.2 倍。输入端经整流滤波后直流母线电压最小值Umin=220×1.2=264 V， 这里取交流磁感应强度的变化幅值△Bac=0.1T。计算初级匝数：
                               Np= Uminton△BacAe= 264×4×10-60.1×76.32×10-6 =138.4 匝（1）
       取初级匝数139 匝。输出额定电压为45 V 时，设二极管和绕组的压降为1.0 V，则初级每匝伏数为Umin/Np＝264/139＝1.9 V/匝， 输出端的次级绕组匝数Ns=（45+1.0）/1.9=24.2 匝，取25 匝。设计反馈环路参数：R29＝68 kΩ，R31＝5.6 kΩ，R32=0.25 Ω （精度10%）。额定输出电流设定为0.8 A 时，PI 调节器参数为：R28＝1.1 kΩ，C18=0.2 μF。
5 实验结果
       图6 示出实验波形。如图6b 所示，电压波形呈围绕零电平的毛刺状电压， 这主要是受电路动态特性和开关频率影响所致。

      如图6c 所示，电压波形是具有一定幅值的高电平，以实现近似线性PI 调节，该波形验证了分析的正确性和负反馈环路设计的合理性。输出电流启动时波形如图6d 所示。虽然在电路启动过程中电流有一定的过冲， 需经过约5 ms 后才进入稳定状态，但它不会对大功率LED 构成威胁，因为过冲的时间很短，而大功率LED 能短时间耐受几倍于自身额定电流的过冲， 这样的过冲是为了保证整个电路的快速动态响应特性。由图6e，f 所示输出端电流波形可以看出，电路有很好的恒流效果，波形中的高频毛刺可通过在输出端并联大的高频瓷片电容进一步减小，但对于大功率LED 这样的负载来说，高频毛刺不会对LED 构成威胁，可利用它来驱动大功率LED。
6 结论
      设计了一种由220 V/50 Hz 交流电直接供电的恒流源， 分析了电路的恒流原理并设计了电流负反馈回路， 利用反激拓扑开关变换器来实现恒流源的设计。该恒流源可以用来驱动大功率LED，实验样机的制作验证了设计的正确性和可行性， 对推广大功率LED 的应用，使其跻身通用照明领域，节省能源及保护环境等具有一定的工程应用价值。