LED 分布式恒流驱动电源设计
侯
磊
(福州职业技术学院机电工程学院，福建福州350108)
摘要：为提高LED 驱动电源性能和输出电流的稳定性，设计出基于AP3706的直接恒流驱动电路，以及由AP3706与恒流源组成的分布式恒流驱动电路，并进行输出电压与输出电流的实验测试.结果表明，分布式恒流驱动电路比直接恒流驱动工作更稳定，恒流效果更好，可解决直接恒流驱动电路中出现的恒流模式不稳定以及因某一支路故障导致电流增大的问题. 关键词:LED ；驱动电源；分布恒流；直接恒流；恒流源中图分类号:TN86
文献标识码:A
文章编号:2095-2481(2020)04-0352-06
收稿日期:2019-08-23
作者简介：侯磊(1987-)，男，助教，硕士.E-mail:****************
LED 照明具有发光效率高、节电效果明显、起动时间短、寿命长、无污染及抗振动等显著优点，已受
到世界各国的关注，并有望发展成为新一代照明光源[1].随着LED 行业的逐步发展，用LED 作为显示器或背光源或其他照明设备已经成为一种趋势，对其进行恒流驱动也越来越成为人们关注的焦点.目前,LED 电源的驱动方式主要有两种：一种是恒压驱动.采用此驱动方式时,LED 两端电压保持基本恒定，但
由于电压中存在纹波，使得LED 电流随着电压的波动而波动.根据LED 的伏安特性，微小的电压波动会引起LED 电流的较大波动.另外，由于LED 负温度效应的影响，电流波动有可能造成结温和电流的恶性循环，严重时甚至会烧毁LED [2].另一种是恒流驱动.这是一种使流过LED 的电流保持恒定的驱动方式.当外界干扰使得电流增大或减小时,LED 电流都可以在恒流电路的调节作用下回到预设值[3].由于LED 正向压降的任何变化都会导致流过LED 电流的变化，从而影响亮度的变化，故在消除LED 正向压降变化导致的电流变化上，相对于恒压驱动器而言，恒流驱动器是更好的选择[4].但目前的恒流驱动大多采用直接恒流驱动方案，即以电源直接恒流供电,LED 串联或并联运行.这种方案的主要问题是可靠性差，其中某个LED 发生故障，就会影响其他LED 正常运行.为此，本文基于AP3706芯片直接恒流
驱动电路，设计1款分布式恒流[5]驱动电源，以使恒流驱动更简单实用.
1分布式恒流驱动方案
在大功率LED 照明情形下，因单颗
LED 功率太小，为使照明系统能够达到所需要的输出功率等级,LED 通常需要采用串并联结构.又由于LED 导通压降的离散性和负温度系数的特性，串并联结构的LED 必须采用合适的均流措施才能够实现各路LED 的电流均衡[6].基于此，本文提出的分布式恒流是以1个恒压源供电，各
LED 并联支路均独立设置1个恒流源，使各支路与整体线路工作稳定.其次级DC 部分的原理如图1所示.其组成及各模块功能
T
D
C
LED1LED2LED n
第32卷第4期2020年12月Vol.32No.4Dec.2020
宁德师范学院学报(自然科学版)
Journal of Ningde Normal University (Natural Science)
为:(1)变压器T 承担着初次级能量转换的功能，将整流桥产生的直流电压传递到副边;(2)二极管D 将变压器副边电压进行整流，为负载提供直流电源;(3)电容C 起滤波作用;(4)恒流源对各负载支路起恒流作用.
2电路主要部件的选择与设计
本文在直接恒流驱动电路的基础上设计了分布式恒流驱动电路.直接恒流驱动电路和分布式恒流
驱动电路的主电路和主要器件的选择完全相同，区别是分布式恒流驱动电路在负载端的每一个并联支路上均加入1个恒流源.
2.1
电源控制芯片的选择
AP3706是1款可以实现输出恒压恒流的LED 驱动电路控制芯片，其外围电路器件所需较少，性价
比较高，被广泛使用于中小功率驱动电路中.AP3706的LED 驱动电路属于直接恒流驱动，为对比分布式恒流驱动的特性，本文选择AP3706作为驱动电源的控制芯片，其芯片引脚如图2所示.
AP3706具有以下特点:(1)驱动反激式电路工作于断续导通模式下;(2)不需要副边光耦及恒压恒
流控制电路，采用原边控制技术实现恒压恒流输出;(3)不需要环路补偿电路实现稳定控制;(4)随机频率调制技术降低了系统EMI ;(5)开通了驱动外部三极管低电压，降低了开关损耗;(6)具有内部软起动、输出开路及过压保护和短路保护功能[7].
微波功率放大器2.2变压器设计
2.2.1原边电流峰值I P 反激变压器最大占空比为D max ≤0.45，原边所加直流电压为V S .由于要求原边
峰值电流，便以最低输入电压为85V 来计算原边所加直流电压，故有
I P =2P o V S D max =2×60×0.1(85×1.4-20)×0.45
=0.27A.
(1)
式(1)中,I p 为变压器原边电流峰值;P o 为电源输出功率;V s 为变压器原边的电压;D max 为变压器最大占空比.2.2.2
原边电感量L p 若V s 下波动限为7%，则有
V s (min )=0.93V s =92.07V ,L P =V s (min )D max I p f z =92.07×0.45
0.27×60×10
3
()
mH=2.5575mH (取2.56mH ).(2)
式(2)中,L p 为变压器原边电感量;V s (min )为变压器原边的最小电压;f z 为工作频率.
2.2.3
磁芯的选择[8]综合考虑多种因素后，选择磁芯型号为PC40EE19，表1是该磁芯的相关参数.
表1磁芯参数
磁芯类型EE19
A e /mm 223.00
A p /cm 4
0.1243
尺寸/mm 19.1×7.95×5.0
磁芯材料PC40
A w /mm 2A L /nH ·N -254.04
1250.00
图2AP3706引脚图
第4期侯磊:LED 分布式恒流驱动电
源设计
CS VCC OUT GND
COMP BIAS VDD FB
353
-
-
2020年12月
宁德师范学院学报(自然科学版)2.2.4
变压器初级导线型号及匝数N p 取电流密度为0.2026mm 2
·A -1，则初级线圈流过0.27A 的电流需
要0.27×0.2026=0.0547mm 2.查变压器设计手册中的导线参数表发现，可选线号为AWG#29的重薄膜绝
缘导线，则
N p L p I p A e ΔB
=2.56×10-3
×0.270.23×1950×108≈154.1匝(取154匝).
(3)
式(3)中,N p 为变压器初级线圈的匝数;V e 为表1中的磁芯参数;ΔB 为工作磁感应强度.
2.2.5
变压器次级导线型号及匝数N s 根据要求次级最大流过0.1A 的电流，选择次级导线型号为
AWG#33，则
N s =
(V o +V D )(1+D max )
V o D max N p =(60+1)×(1-0.45)99×0.45
×154≈115.98匝(取116匝).
(4)
式(4)中,N s 为变压器次级线圈匝数;V o 为输出电压;V D 为输出级整流二级管的正向导通电压.
2.2.6
辅助级导线型号及匝数N aux 由于流过辅助级电流远不会超过0.1A，即选择与次级同型号的导
线完全足够，所以辅助级导线型号也选为AWG#33，则
N aux =N s V aux V o
=116×1860≈34.8匝(取35匝).
(5)
式(5)中,N aux 为变压器辅助级线圈匝数;V aux 为辅助级线圈的电压值.
3两种恒流驱动电路及实验分析3.1
直接恒流驱动电路
直接恒流驱动电源原理如图3所示.其电路组成及各模块功能为:(1)变压器承担着初次级能量转
换的功能，交流电经整流桥D1产生的直流电压通过变压器传递到副边，变压器参数见上节;(2)AP3706芯片输出端用以控制三极管的开通与关断，并且两种状态不断切换，使直流电压能够通过变压器耦合到次级，变成供负载使用的直流输出;(3)R1、C1、D23个元件组成的RCD 吸收电路用来抑制三极管工作时产生的尖峰和噪声;(4)D4、C5从变压器辅助绕组获取电压，组成整流滤波电路为芯片提供直流电源;(5)R4、R7为芯片提供初始的启动电流;(6)R16用以检测变压器原边的开关电流，然后通过电阻R9、R15输送给AP3706芯片的初级电流采样端CS 引脚进行电流比较，从而控制输出电流恒定;(7)分压电阻
R12、R14对变压器次级绕组的输出电压进行分压，然后送到AP3706的电压反馈输入端FB 引脚进行比
较，提供输出电压开路保护[9].
图3直接恒流驱动电源原理图
P1
21
输入85VAC-265VAC
PUSE 1A/250V
D1
Bridgel
C2400V/4.7μF
GND
R4510k Ω
R1
100k Ω
C12.2μF
US1M D2
●●●
R2110k Ω
GND
1
23
8
高压阻尼线
5
C5
2.2μF/50V
R7510k ΩR95.6M Ω材料架
D4D7R1228k Ω
AP37061876
35
C8100PF R13
240k ΩC9
100PF
104C10
GND
D3US1G
100V/47μF
C6R810k Ω
APT13003
Q5
R148.08k Ω
R16
1.6Ω
R152.2k Ω
CS
节能蒸汽炉
CMP
BIAS VDD
OUT FB
LED
LED
LED
LED LED
LED
354
-
-
实验测试结果如图4所示.从图4可见，随着负载的变化，驱动电源工作在不同的工作模式下，当负载LED 个数比较少时，工作于恒流模式，反之，工作于恒压模式，这也验证了电源控制芯片AP3706的特性.这种直接恒流驱动形式会随着外部负载的变化使电路工作在不同的模式，且输出多组LED 并联，其中1组出现故障必
命.
3.2分布式恒流驱动电路
分布式恒流驱动电路原理图如图5所示.其主电路部分与直接恒流驱动相同，主电路组成及各模块
功能见上节所述.
图4输出电压、电流随负载的变化
图5分布式恒流驱动电源原理图
P1
21
输入85VAC-265VAC
PUSE 1A/250V
D1
Bridgel
C2400V/4.7μF
GND
R4510k Ω
R1100k Ω
C12.2nF
US1M D2
●●
●
R2110Ω
GND
1
23
8
5
C5
2.2μF/50V
R7510k ΩR95.6M Ω
D4D7R12
28k Ω
AP3706
1876
35
C8100PF R13240k ΩC9
100PF
104C10
GND
D3US1G
100V/47μF
APT13003
Q5
R148.08k Ω
R16
嵌入式终端1.6Ω
R152.2k Ω
CS
CMP
BIAS VDD
OUT FB
C6R8
10k Ω
LED LED
LED LED LED
LED
R5
12k Ω
R6
12k Ω
R1027Ω
R1127Ω
Q3
Q4
Q1Q2
第4期侯磊:LED 分布式恒流驱动电源设计
通乳器355
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2020年12月
宁德师范学院学报(自然科学版)
LED 随V in 的变化情况
随V 的变化情况
随V 的变化情况
采用的恒流源电路结构如图6所示.
分析恒流源模块电路可得I LED ≈I R 1+I R 2.当I R 1<<I R 2时，有I LED ≈I R 2，从而达到恒流的目的.
本实验中按驱动电源输出60V 、每组串联17个
LED 计算(其中LED 的导通电压为3.3V)，若选定R 1与R 2的阻值分别为12K 、27Ω，则有I LED ≈I R 2=20mA ，从而保证流过每组LED 的电流不超过LED 的额定值.
分别以符号V in 、V out 、I out 、I LED 、I L 表示交流输入电压、直流输出电压、直流输出电流、流过各组LED 的
电流、第一组故障流过第二组LED 的电流，则V 随V 的变化情况如图7所示.
图6恒流源电路
图7V out 、I out 、I LED 、I L 随V in 的变化情况
I LED
R 1
I R1
I e1
Q 1
I c1
R 2
I R2
Q 2I c2
I e2
C
B
D
A
L 随V in 的变化情况
从图7可以看出，输入电压的变化几乎不影响输出电压，基本达到了恒压输出.在本方案中，由于恒流源的作用使得流过各组LED 的电流I LED 基本保持在20mA，这样不仅间接保证了输出电流的恒定，且
356
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