LED温度保护电路和最基本的照明LED设计方案解析

　　最基础的LED照明电路原理及其分析：

　　采用AC-DC 电源的LED 照明应用中，电源转换的构建模块包括二极管、开关（FET）、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制（PWM）稳压器用于控制电源转换。

　　电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC 电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，参见图3，其中反激拓扑结构是功率小于30 W 的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言，其尺寸的大小与开关频率有关，且多数隔离型 LED 驱动器基本上采用"电子"变压器。

　　采用 DC-DC 电源的LED 照明应用中，可以采用的LED 驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，基本的应用示意图参见图 4。电阻型驱动方式中，调整与LED 串联的电流检测电阻即可控制LED 的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容（EMC）问题，劣势是依赖于电压、需要筛选（binning） LED，且能效较低。

　　线性稳压器同样易于设计且没有EMC 问题，还支持电流稳流及过流保护（fold back），且提供外部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过PWM 控制模块不断控制开关（FET）的开和关，进而控制电流的流动。

　　开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰（EMI）问题。LED DC-DC 开关稳压器常见的拓扑结构包括降压（Buck）、升压（Boost）、降压-升压（Buck-Boost）或单端初级电感转换器（SEPIC）等不同类型。

　　其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED 串最大电压时采用降压结构，如采用24 Vdc 驱动6 颗串联的LED；与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12 Vdc 驱动 6 颗串联的LED；而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC 结构，如采用12 Vdc 或12 Vac 驱动 4 颗串联的LED，但这种结构的成本及能效最不理想。

　　采用交流电源直接驱动LED 的方式近年来也获得了一定的发展， 其应用示意图参见图5。这种结构中LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免AC-DC 转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中LED 在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入LED 保护措施，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。

　　LED保护电路设计原理及其思路：

　　 引言

　　随着LED外延材料、芯片工艺及封装技术的进步，LED的发光效率不断提高，这使得LED光源代替传统光源成为可能。理论上说，LED具有寿命长、效率高等优点，但在一些实际应用中却给人留下了光衰大、寿命短的印象，这大大影响了半导体照明的普及和推广。究其原因，主要是LED的驱动电源问题。

　　LED寿命长、效率高是有前提的，即适宜的工作条件。其中影响寿命和发光效率的主要因素是LED的工作结温。从主流LED厂家提供的测试数据表明，LED的发光效率与结温几乎成反比，寿命随着结温升高近乎以指数规律降低。因此，将结温控制在一定范围是确保LED寿命和发光效率的关键。而将结温控制在一定范围的手段除散热措施外，将结温纳入驱动电源的控制参数是十分必要的。

　　 LED结温的检测

　　LED的结温是指PN结的温度，实际测量LED的结温比较困难，但是可以根据LED的温度特性间接测量。

　　LED的伏安特性和普通的二极管相似。用于白光照明的蓝光LED典型的伏安特性如图1所示。

　　图1 LED的伏安特性

　　LED的伏安特性和其它二极管一样具有负温度系数的特点，即在结温升高时I/V曲线出现左移现象，如下图所示。

　　图2 伏安特性的温度特性

　　一般LED的结温每升高1°C ，I/V曲线会向左平移1.5~4mV，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会增加，电流增加只会使它的结温升得更高，甚至导致恶性循环。所以，目前LED驱动电源一般设计为恒流供电。

　　根据I/V曲线随结温升高左移的规律，在恒流供电的情况下，测量LED的正向电压就可以推算LED结温。

　　在实际应用中，往往不需要确定LED结温的特别精确的数值，此时可以用试验的方法确定整体灯具LED光源结温的估算数值。以一个12W筒灯为例，光源部分由4并6串中功率LED组成，其电路连接形式如下：

　　图3 LED光源电路连接图

确定正向电压与结温的关系的试验步骤为：1）将光源置入恒温箱中；2）设置恒温箱的温度；3）待恒温箱内温度充分平衡稳定后，在光源两