白光 LED 憑借高效、長壽、環(huán)保等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于照明、顯示、背光等領(lǐng)域。然而，LED 屬于電流敏感型器件，其發(fā)光亮度、色溫穩(wěn)定性及使用壽命均與工作電流密切相關(guān)。變換電路(如 AC-DC 整流、DC-DC 變換器)輸出的直流電壓往往存在波動(dòng)，直接供電會(huì)導(dǎo)致 LED 電流失控，引發(fā)亮度漂移、發(fā)熱嚴(yán)重甚至燒毀等問題。因此，將變換電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的恒流供電，是保障白光 LED 可靠工作的核心技術(shù)環(huán)節(jié)。本文將從技術(shù)原理、電路設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化及實(shí)際應(yīng)用四個(gè)維度，詳細(xì)闡述實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵方法與注意事項(xiàng)。

一、白光 LED 的電氣特性與恒流供電必要性

白光 LED 的伏安特性具有典型的非線性特征：正向電壓(Vf)隨電流增大呈指數(shù)增長，且受溫度影響顯著 —— 溫度每升高 1℃，正向電壓約下降 2-3mV。若采用直流電壓直接供電，即使輸入電壓僅出現(xiàn)微小波動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致 LED 電流急劇變化。例如，一顆額定電流 200mA、正向電壓 3.2V 的白光 LED，若輸入電壓波動(dòng) ±5%(即 3.04V-3.36V)，電流波動(dòng)可能超過 ±20%，直接表現(xiàn)為亮度閃爍。同時(shí)，LED 芯片的 PN 結(jié)溫度對(duì)電流極為敏感，過流會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫驟升，加速光衰并縮短壽命。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，LED 工作電流超過額定值的 20% 時(shí)，壽命可能縮短 50% 以上。

恒流供電的核心優(yōu)勢在于強(qiáng)制 LED 工作在設(shè)定電流值，不受輸入電壓波動(dòng)、負(fù)載變化(如多顆 LED 串聯(lián) / 并聯(lián))及溫度漂移的影響，確保發(fā)光亮度均勻、色溫穩(wěn)定，同時(shí)有效限制結(jié)溫，延長器件壽命。因此，無論變換電路輸出的直流電壓是否穩(wěn)定，都必須通過恒流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)才能適配白光 LED 負(fù)載。

二、直流電壓轉(zhuǎn)恒流的核心電路拓?fù)?

根據(jù)應(yīng)用場景(如功率等級(jí)、成本預(yù)算、效率要求)，常用的恒流轉(zhuǎn)換電路主要分為三類：線性恒流電路、開關(guān)型恒流電路及集成芯片方案。

(一)線性恒流電路：低成本簡易方案

線性恒流電路基于串聯(lián)調(diào)整管的工作原理，通過采樣電阻檢測 LED 電流，反饋至控制電路調(diào)整調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定電流。典型電路由 NPN 三極管(或 MOS 管)、采樣電阻(Rs)及基準(zhǔn)電壓源組成：LED 與采樣電阻串聯(lián)，三極管發(fā)射極接采樣電阻，基極通過基準(zhǔn)電壓源提供偏置。當(dāng) LED 電流增大時(shí)，采樣電阻兩端電壓(Vrs=I×Rs)升高，三極管發(fā)射結(jié)電壓(Vbe=Vref-Vrs)減小，集電極電流減小，實(shí)現(xiàn)電流穩(wěn)定。

該方案的優(yōu)勢是電路簡單、成本低、無電磁干擾(EMI)，適用于低功率場景(如指示燈、小型背光，功率≤5W)。但缺點(diǎn)是效率較低，調(diào)整管的壓降(Vin-Vf-IRs)越大，效率越低，且存在散熱壓力。因此，僅適用于輸入電壓與 LED 正向電壓差值較小的情況。

(二)開關(guān)型恒流電路：高效大功率方案

開關(guān)型恒流電路通過高頻開關(guān)器件(MOS 管)控制能量的存儲(chǔ)與釋放，實(shí)現(xiàn)恒流輸出，效率可達(dá) 85%-98%，適用于中大功率場景(如照明燈具、顯示屏，功率≥5W)。常見拓?fù)浒?Buck(降壓型)、Boost(升壓型)及 Buck-Boost(升降壓型)，其中 Buck 拓?fù)湟蚪Y(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高，應(yīng)用最廣泛。

以 Buck 型恒流電路為例，其核心由 MOS 開關(guān)管、續(xù)流二極管、電感(L)、采樣電阻(Rs)及 PWM 控制器組成。工作原理如下：控制器輸出 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng) MOS 管導(dǎo)通，輸入直流電壓通過電感給 LED 供電，同時(shí)電感存儲(chǔ)能量;MOS 管關(guān)斷時(shí)，電感通過續(xù)流二極管釋放能量，維持 LED 電流連續(xù)。控制器通過采樣電阻檢測 LED 電流，動(dòng)態(tài)調(diào)整 PWM 占空比，確保電流穩(wěn)定。

開關(guān)型方案的優(yōu)勢是效率高、輸入電壓范圍寬(可適配不同變換電路輸出)，但存在 EMI 問題，需增加濾波電路，且成本高于線性方案，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高。

(三)集成芯片方案：兼顧性能與便捷性

隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，專用 LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片已成為主流選擇。這類芯片集成了開關(guān)管、控制器、采樣電路及保護(hù)功能(過流、過溫、開路保護(hù))，只需外接電感、電容、采樣電阻等少量元件即可實(shí)現(xiàn)恒流轉(zhuǎn)換，大幅簡化設(shè)計(jì)流程。

根據(jù)輸入電壓與 LED 電壓的關(guān)系，集成芯片可分為降壓型(如 TI 的 TPS61165)、升壓型(如 ON Semiconductor 的 NCL30160)及升降壓型(如 Maxim 的 MAX16834)。部分芯片還支持多通道輸出，可驅(qū)動(dòng)多串 LED 負(fù)載，且具備調(diào)光功能(PWM 調(diào)光或模擬調(diào)光)，適配智能照明需求。集成芯片方案平衡了成本、效率與可靠性，適用于大多數(shù)量產(chǎn)場景。

三、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

無論采用哪種電路拓?fù)?，恒流轉(zhuǎn)換的核心是精準(zhǔn)控制 LED 電流，需重點(diǎn)關(guān)注以下參數(shù)設(shè)計(jì)：

(一)額定電流設(shè)定

白光 LED 的額定電流通常為 20mA(小功率)、100-350mA(中功率)、500mA-1A(大功率)，需根據(jù) LED 規(guī)格書設(shè)定恒流值(一般取額定電流的 80%-100%，避免滿負(fù)荷工作導(dǎo)致光衰)。采樣電阻 Rs 的阻值計(jì)算為：Rs=Vref/Iset，其中 Vref 為基準(zhǔn)電壓(線性電路常用 0.1-0.5V，開關(guān)電路常用 0.2-0.8V)，Iset 為設(shè)定恒流值。例如，設(shè)定 Iset=300mA，Vref=0.3V，則 Rs=1Ω，功率選擇需滿足 P=I2Rs≥2 倍實(shí)際功率(此處為 0.09W，可選 0.25W 電阻)。

(二)輸入電壓適配

變換電路輸出的直流電壓需與恒流電路的輸入范圍匹配：線性電路要求 Vin≥Vf+Iset×Rs+Vce(調(diào)整管飽和壓降，約 0.2-0.5V);Buck 型開關(guān)電路要求 Vin≥Vf+Vd(續(xù)流二極管壓降，約 0.3-0.7V);Boost 型電路則可適配 Vin

(三)效率與散熱優(yōu)化

線性電路的效率 η=Vf/(Vin)×100%，需盡量減小 Vin 與 Vf 的差值，或采用低壓差調(diào)整管(LDO);開關(guān)電路的效率與開關(guān)頻率、電感值、MOS 管導(dǎo)通電阻相關(guān)，建議選擇低導(dǎo)通電阻的 MOS 管(Rdson≤100mΩ)，電感值根據(jù)開關(guān)頻率選取(如 100kHz 頻率下，電感值通常為 10-100μH)，并優(yōu)化 PCB 布局減少寄生參數(shù)。同時(shí)，大功率場景需考慮散熱設(shè)計(jì)，如增大銅皮面積、添加散熱片，避免器件因過熱觸發(fā)保護(hù)或損壞。

(四)保護(hù)功能設(shè)計(jì)

為提升系統(tǒng)可靠性，恒流電路需具備必要的保護(hù)功能：1)過流保護(hù)：當(dāng) LED 短路或電流異常增大時(shí)，迅速切斷輸出;2)過溫保護(hù)：檢測芯片或 LED 溫度，超過閾值時(shí)降低電流或關(guān)斷輸出;3)開路保護(hù)：LED 開路時(shí)避免輸出電壓過高損壞器件;4)過壓保護(hù)：防止變換電路輸出電壓突變導(dǎo)致的沖擊。集成芯片通常內(nèi)置這些保護(hù)功能，分立電路需額外設(shè)計(jì)相關(guān)模塊。

四、實(shí)際應(yīng)用中的常見問題與解決方案

(一)電流紋波過大導(dǎo)致亮度閃爍

電流紋波是開關(guān)型恒流電路的常見問題，若紋波峰值超過設(shè)定電流的 10%，會(huì)導(dǎo)致 LED 亮度閃爍。解決方案：1)增大電感值或輸出濾波電容;2)提高開關(guān)頻率(需平衡 EMI 與效率);3)采用連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)設(shè)計(jì)，避免電感電流斷流;4)在 LED 兩端并聯(lián)小容量陶瓷電容(0.1-1μF)抑制高頻紋波。

(二)溫度漂移導(dǎo)致電流偏移

環(huán)境溫度變化或 LED 發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓、采樣電阻阻值漂移，進(jìn)而影響恒流精度。解決方案：1)選擇低溫漂的基準(zhǔn)電壓源(如 LM4040，溫漂≤50ppm/℃)和采樣電阻(金屬膜電阻，溫漂≤100ppm/℃);2)在開關(guān)電路中采用電流模式控制，提升溫度穩(wěn)定性;3)設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路，通過負(fù)溫度系數(shù)電阻(NTC)抵消漂移。

(三)多串 LED 負(fù)載的電流均衡

當(dāng)驅(qū)動(dòng)多串 LED 串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，各串電流不均會(huì)導(dǎo)致亮度差異。解決方案：1)串聯(lián)負(fù)載：每串 LED 串聯(lián)獨(dú)立采樣電阻，通過多路恒流控制實(shí)現(xiàn)均衡;2)并聯(lián)負(fù)載：采用集成多通道恒流芯片(如 TI 的 TPS92661，支持 6 通道)，或在每路 LED 支路串聯(lián)小阻值均流電阻(1-5Ω);3)采用電流鏡像電路，確保各支路電流一致。

五、結(jié)語

將變換電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為恒流供電，是白光 LED 負(fù)載穩(wěn)定工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)功率等級(jí)、效率要求及成本預(yù)算，選擇合適的電路拓?fù)?線性、開關(guān)型或集成芯片)，并重點(diǎn)優(yōu)化額定電流、輸入電壓適配、效率散熱及保護(hù)功能等參數(shù)。線性方案適用于低成本小功率場景，開關(guān)型方案適配高效大功率需求，集成芯片則兼顧便捷性與可靠性，可滿足大多數(shù)應(yīng)用場景。

隨著 LED 技術(shù)向高功率、高亮度、智能化方向發(fā)展，恒流轉(zhuǎn)換技術(shù)也在不斷升級(jí)，如數(shù)字控制的恒流芯片、基于 GaN 器件的高效開關(guān)電路等，將進(jìn)一步提升供電穩(wěn)定性與能效。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需結(jié)合 LED 特性與變換電路輸出特性，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)與調(diào)試，才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)效果。