【摘要】LED是一种发光二极管，它作为第四代照明光源也被称为绿色光源，因它具有节能、环保、体积小、寿命长等特点而被广泛应用于电子设备、普通照明、显示屏等众多领域。而且随着其技术的不断更新，已经开始进入寻常百姓家，大有替代白炽灯甚至节能灯的趋势。本文采用的是恒流驱动电路的解决方案，选择了PT4115的驱动芯片，具有成本低、电路简单、高效的特点，适合LED产品的市场化发展需求。
【关键词】LED；照明；驱动电路
面对着全球能源急剧短缺而使忧虑不断增加的大环境下，节约能源成为我们人来未来所要面临的重要问题。在照明领域里，LED发光产品的广泛应用引起了人们的普遍关注。它作为新型的绿色光源产品，它的优势不断呈现，是发展的必然趋势，未来将是以LED为代表的新型照明时代。
1.LED概述
1.1 基本概念
LED是一种将电能转化为光能的电子零件，同时它还具备二极体的特性，也就是具有一个正极和一个负极，LED最特别的一个地方是它只有从正极通电才会发光，所以一般地当对它给予直流通电的时候，LED能够稳定地发光，但是当遇上交流电的时候，LED就会闪烁。LED的发光原理是给它外加电压，让电子和电洞在半导体内相结合，然后将能量以光的形式释放出来，使其达到发光的效果，因此LED属于冷性发光。近些年来LED最具吸引力的发展是在蓝光LED上面涂上荧光粉，将蓝光转化为白光的LED产品。
LED是通电的时候发光的半导体材料制成的发光元件，材料使用III-V族化学元素（如：磷化镓(GaP)）等半导体制成，核心为PN结。通常它有P-N结的I-N特性，就是正向时能够导通，反向时就截止，并被击穿。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴是反向由P区注入N区。进入对方区域的少子的一部分和多子复合而发光。
光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即
λ=1240/Eg(mm)
上面公式中Eg的单位为伏特，如果产生可见光，半导体材料的Eg应该在3.26~1.63eV范围内。
1.2 LED照明的特点
LED具备点光源与固态光源的特性，因此它具有节能、寿命长、安全性好、绿色环保等优点。
(1)耗电量少
LED灯是直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，如果是白光LED灯的能耗只是普通白炽灯的1/10，节能灯的1/4，在相同亮度下，比传统照明节能80%以上，可省去一半的照明电费。
(2)寿命长
一个LED灯的使用寿命可达5万个小时，比荧光灯的寿命长接近10倍。以每天使用14小时计算，LED灯的使用寿命近10年。它采用固体冷光源和环氧树脂进行封装，不存在灯丝易燃烧、光衰、热沉积这些缺点。
(3)绿色环保
环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，不会产生电磁干扰，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。
(4)安全性好
LED灯采用冷光源，无辐射，不含汞、钠等危害健康的物质，可以安全接触。
最大特点：无须暖灯时间。
1.3 LED灯的发光效率
荧光灯的发光效率大约在55-80lm/w，有的达到72lm/w，而LED灯的发光效率在100lm/w以上，而且还在不断上升。目前它们的差别接近一倍，随着LED技术的发展可能达到3倍或更高。36W的荧光灯一共发出2592流明，但是荧光灯的光效只有70%，因此流明数仅为1814.4；而LED的光效超过130lm/w，设100lm/w，只要18W就能达到1800流明，因此要相同亮度LED灯只要荧光灯的一半即可（见表1表2）。
2.实现方案
设计思路：要将高压的交流电变换成低压的直流恒流源，才能点亮LED灯。最经济有效的方法是适配器。AC220V由适配器在灯具外的安全降压变换，向LED灯提供稳定的12V直流电源，在灯具底座安装恒流源电压板，将直流电压转换成稳定的直流恒流源，再安装一个开关。
2.1 电源控制
图2.1 整流稳压电路图
日常的220V电压加在4个二极管组成的单向桥式整流电路之间，220V交流电经过整流后被送到R电阻处，通过R的电路限流，电容进行滤波和稳压管稳压，得到直流的稳定电压，保持后面电路的正常工作。
整流：提高输出电压中的直流成分，降低其中的脉冲成分。
滤波：一方面尽量降低输出电压中的脉动部分，另一方面尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近理想的直流电压。
稳压：稳压二极管的特点是击穿后，两端的电压基本保持不变。当把稳压管接入电路后，若电源电压发生波动，或者其他原因造成电路中各点电压变动的时候，负载两端的电压将基本被保持。
2.2 驱动电路
2.2.1 适配器
要点亮LED光源先要将交流电变换成直流恒流源，经过驱动芯片输出来实现。适配器（Adapter）是既经济又有效的降压和交直流变换的方法。适配器的输出电压在DC12V稳定不变，输出电流根据LED的功率进行选择，1W白光LED的工作电流为350mA，3个LED灯串联需要的电流还是350mA，如果降低光衰和延长LED的寿命，就设计为300mA--330mA，对于LED的发光亮度影响不明显，适配器的输出电流应该选择750mA-1A。
2.2.2 驱动芯片
LED的驱动通常分为三种：镇流电阻驱动、恒压驱动和恒流驱动。在选择LED的驱动芯片时，应该考虑集成度高、性能较好、应用电路简单、价格较低廉又性价比有优势的芯片，本文的设计将采用恒流驱动设计，因此选择了PT4115恒流驱动芯片。PT4115适用于1～6W的白光LED灯驱动时只要四个零件：Cin是输入滤波电容，Rs设定流过LED的电流IF，Rs=0.1/ILED；L是续流电感，D5是续流二极管。PT4115的开关频率采用抖频技术有效降低EMI，省略了抗EMI电路。
PT4115芯片具有如下的应用特点：
(1)电感越大，工作频率越低，恒流效果越好；
(2)输出电流越大，需要电感值越小，电感选择方便；
(3)输出电压越高，效率越高，3颗1W串联比1颗3W效率高；
(4)系统损耗由Rs损耗(0.1*Iout)、电感DCR损耗(DCR*Iout2)、功率开关导通损耗(Rsw*Iout2)、功率开关开关损耗（正比于开关频率）等主要部分组成；
(5)通常电感越大，功率开关损耗越小，但是DCR会变大，对应电感损耗变大；
(6)反馈电压100mV，Rs损耗业界最小，功率开关导通电阻Rsw为0.6欧姆，也较小，效率高于一般产品；
(7)内部带过温保护功能，外部也可设计过温保护，对LED有着双重保护；
(8)采用SOT89-5封装，热阻仅为45℃/W，散热特性很好。
3.电路设计
3.1 工作原理
LED工作的主要参数是VF/IF，其它相关的是颜色/波长/亮度/发光角度/效率/功耗。
LED是一个PN结二极管，只有施加足够的正向电压才能传导电流，VF正向电压是为LED发光建立一个正常的工作状态。IF正向电流是促使LED发光，发光亮度与流过的电流成正比例。LED VF标称电压：3.4V±0.2V。LED IF工作电流按应用需要选用，各挡不能混用。
3.2 电路组成
图3.2.1中D1-D4组成单相桥式整流电路，将交流电转换成直流电，即不管U1输出什么，经过整流桥后输出的都是直流电，确保PT4115驱动芯片输入稳定的直流电，保证电路正常工作，桥式整流电路二极管一般用1N4007。
C1是滤波电容，把脉冲直流变成平滑的直流。选择型号为100uF/25V的电解电容。
R1是取样电阻，用以控制PT4115输出电流的大小，决定着恒流源的绝对精度。R1的阻值与负载电流大小有关，公式计算为：
R1=
由于负载是3个串联的1W LED，额定电流为350mA，则采样电阻R1的大小为：
所以R1选择阻值约为0.2857Ω的金属膜电阻。
L是整流电感，是整个电路的关键元件，功能是把100KHz的脉冲电流变成三角波电流，L的电感量会影响工作电压范围内恒流源的稳定性。PT4115的最佳工作频率在1MHz以下，电感量大了小会影响其工作频率，因此本方案的电感在68uH以上，确保工作频率在1MHz以下。电感量小了，工作频率趋高，由于PT4115内部电流检测电路响应速度限制，对内部电流正常检测出现影响，不能更好的实现对内部开关的导通/关断控制。另外电感量太小还会导致PT4115的SW端烧坏，而无输出。所以此设计中L的电感量应选用68uH—100uH，Q值大于50，饱和电流大于800mA的磁路闭合电感器。
D5是续流二极管，在晶片内部MOS管处于截止状态时为储存在电感中的电流提供放电回路。由于工作在高频脉冲状态，D5应选用正向压降小，恢复速度快的肖特基二极管。
芯片PT4115的DIM端可外接PWM脉冲或直流电压调光，也可以接热敏电阻作辅助温度控制和自动亮度控制。由于本设计中不用到调节LED灯亮度，故DIM端悬空如图3.1.2。
如果电灯需要加入过热保护，可以在DIM段加上热敏电阻、NTC或者温度二极管，DIM端的电压由Rup和NTC分压决定，利用模拟调光原理和温度对PN结电流的负反馈实现动态温度控制，实现动态过温保护。
4.结论
本文从半导体照明的基本概念和LED的优点出发，对比了目前常用照明材质的发光效率和电耗；文章确定了恒定电流去驱动方式，设计了一个简单的LED电路，讲述了它的工作原理和电路图；证明了LED技术对照明行业的发展产生的深远影响，是新型的照明产品，将进入千家万户。
参考文献
[1]江磊,江程等.LED恒流驱动电路效率研究[J].光源与照明,2008(1):89-92.
[2]华晓.LED节能灯使用的可行性分析[J].机电信息,2010(36).
作者简介：陈洲（1988—），男，湖北荆州人，大学本科，现就读于孝感学院，研究方向：电子信息科学与技术。
