白光 LED(Light-Emitting Diode)因高效、長(zhǎng)壽、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于照明、顯示、背光等領(lǐng)域。但其工作特性決定了需恒流驅(qū)動(dòng)——LED 正向壓降隨溫度、電流變化存在非線性波動(dòng)，若直接采用直流電壓供電，微小的電壓波動(dòng)可能導(dǎo)致電流驟增，引發(fā) LED 過(guò)熱損壞或光衰加速。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紋波或波動(dòng)，無(wú)法直接滿足 LED 負(fù)載需求。因此，如何將不穩(wěn)定的直流電壓精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為恒流輸出，成為 LED 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。本文將系統(tǒng)闡述該轉(zhuǎn)換過(guò)程的技術(shù)原理、主流方案、關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)及工程實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)，為相關(guān)應(yīng)用提供技術(shù)參考。

一、白光 LED 的電氣特性與恒流驅(qū)動(dòng)需求

1. 白光 LED 的核心電氣參數(shù)

白光 LED 本質(zhì)是半導(dǎo)體發(fā)光器件，其伏安特性呈非線性：正向?qū)ê?，電壓微小變?通常 ±0.1V)會(huì)導(dǎo)致電流變化達(dá) ±10%~20%。典型參數(shù)如下：

正向壓降(VF)：2.8~3.6V(常規(guī)功率 LED，電流 20~300mA);

額定電流(IF)：20mA(小功率)、100~300mA(中功率)、1~3A(大功率);

溫度系數(shù)：VF 隨溫度升高而降低，約 - 2~-4mV/℃，易引發(fā) “熱失控”—— 溫度升高→VF 下降→電流增大→溫度進(jìn)一步升高，最終燒毀 LED。

2. 恒流驅(qū)動(dòng)的核心要求

為保障 LED 穩(wěn)定工作，恒流驅(qū)動(dòng)需滿足：

電流精度：±3%~±5%(普通照明)、±1%~±2%(精密顯示);

紋波抑制：電流紋波系數(shù)≤5%，避免 LED 閃爍;

動(dòng)態(tài)響應(yīng)：應(yīng)對(duì)輸入電壓波動(dòng)(如 ±10%)時(shí)，電流恢復(fù)時(shí)間≤1ms;

保護(hù)功能：過(guò)流、過(guò)溫、開路保護(hù)，確保系統(tǒng)可靠性。

二、直流電壓轉(zhuǎn)恒流的主流技術(shù)方案

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景(功率、成本、精度要求)，主流方案分為三類，其核心原理均為通過(guò)反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)電流恒定：

1. 線性恒流方案(LDO 型)

原理：采用線性穩(wěn)壓器(如 LM317、TL431)，通過(guò)串聯(lián)采樣電阻檢測(cè) LED 電流，反饋至調(diào)整管，改變管壓降以穩(wěn)定電流。公式：I 恒流 = V 基準(zhǔn) / R 采樣。

結(jié)構(gòu)：輸入直流電壓→調(diào)整管→采樣電阻→LED 負(fù)載→地;基準(zhǔn)電壓源與采樣電阻分壓后反饋至調(diào)整管控制端。

優(yōu)勢(shì)：電路簡(jiǎn)單、成本低、紋波小(≤1%)、EMC 性能好，無(wú)需電感，體積小巧。

局限：效率低(η=VOUT/VIN)，僅適用于輸入電壓略高于 LED 總壓降(ΔV=2~5V)的場(chǎng)景;功率損耗大(P 損 =(VIN-VOUT)×I 恒流)，不適用于大功率 LED(≥10W)。

典型應(yīng)用：小功率指示燈、背光模塊(如手機(jī)屏幕背光)，單顆或多顆 LED 串聯(lián)(總壓降≤VIN-2V)。

2. 開關(guān)型恒流方案(DC-DC 型)

開關(guān)型方案通過(guò) DC-DC 變換器(Buck、Boost、Buck-Boost)實(shí)現(xiàn)電壓 - 電流轉(zhuǎn)換，是中大功率 LED(10~1000W)的主流選擇，分為隔離型與非隔離型：

(1)非隔離 Buck 型恒流方案

原理：輸入直流電壓高于 LED 總壓降時(shí)，采用 Buck 變換器(降壓型)，通過(guò) PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，電感儲(chǔ)能與續(xù)流二極管釋放能量結(jié)合，采樣電阻檢測(cè)電流并反饋至控制器，調(diào)節(jié) PWM 占空比穩(wěn)定電流。

核心組件：PWM 控制器(如 LM3406、TPS92515)、開關(guān)管(MOSFET)、續(xù)流二極管(肖特基二極管)、儲(chǔ)能電感、采樣電阻、濾波電容。

優(yōu)勢(shì)：效率高(η=85%~95%)，適用于寬輸入電壓范圍(如 12~24V 輸入，驅(qū)動(dòng) 3 顆串聯(lián) LED);功率密度高，支持大功率輸出。

局限：存在開關(guān)噪聲，需優(yōu)化 EMC 設(shè)計(jì);電路復(fù)雜度高于線性方案，成本略高。

(2)隔離型反激式恒流方案

原理：通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸入與輸出隔離，避免觸電風(fēng)險(xiǎn)，適用于 AC-DC 直接驅(qū)動(dòng)或高壓輸入場(chǎng)景(如 220V 直流輸入)。控制器通過(guò)次級(jí)采樣電阻檢測(cè) LED 電流，經(jīng)光耦反饋至初級(jí)，調(diào)節(jié)開關(guān)管導(dǎo)通頻率或占空比。

優(yōu)勢(shì)：安全隔離，適用于照明燈具、戶外 LED 屏等高壓應(yīng)用;效率可達(dá) 88%~92%。

局限：變壓器體積較大，成本較高，設(shè)計(jì)難度高于非隔離方案。

3. 線性 - 開關(guān)混合方案

原理：開關(guān)型變換器實(shí)現(xiàn)粗調(diào)(穩(wěn)定輸出電壓范圍)，線性恒流電路實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)(精準(zhǔn)控制電流)，結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)。

優(yōu)勢(shì)：紋波極小(≤0.5%)、電流精度高(±1%)，效率高于純線性方案(η=80%~90%)。

應(yīng)用場(chǎng)景：精密顯示、醫(yī)療照明等對(duì)電流精度和紋波要求極高的場(chǎng)景。

三、關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)與工程實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

無(wú)論采用何種方案，需重點(diǎn)關(guān)注以下設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，確保轉(zhuǎn)換性能滿足要求：

1. 采樣電阻選型

采樣電阻是電流檢測(cè)的核心，直接影響恒流精度：

精度：選擇 ±0.1%~±1% 的金屬膜電阻或合金電阻，避免溫漂影響(溫漂系數(shù)≤25ppm/℃);

功率：P=I2×R，需預(yù)留 2~3 倍余量，避免電阻發(fā)熱導(dǎo)致阻值漂移;

阻值：根據(jù)基準(zhǔn)電壓確定，如 TL431 基準(zhǔn)電壓 2.5V，若需恒流 300mA，R=2.5V/0.3A≈8.2Ω;阻值過(guò)小則采樣電壓低，抗干擾能力弱;過(guò)大則功率損耗增加。

2. 電感與電容設(shè)計(jì)(開關(guān)型方案)

電感：選擇低磁滯損耗的功率電感，電感值需匹配開關(guān)頻率(如 200kHz~1MHz)，避免電感飽和導(dǎo)致電流畸變。公式：L=ΔIL×TON/I 恒流，其中 ΔIL 為電感紋波電流(通常取 I 恒流的 20%~40%)。

電容：輸入電容選用電解電容 + 陶瓷電容組合，濾除低頻紋波;輸出電容選用低 ESR(等效串聯(lián)電阻)的陶瓷電容或聚合物電容，抑制高頻噪聲，降低電流紋波。

3. 保護(hù)功能設(shè)計(jì)

過(guò)流保護(hù)：當(dāng) LED 短路或電流異常增大時(shí)，采樣電壓超過(guò)閾值，控制器關(guān)斷開關(guān)管或截止調(diào)整管，直至故障解除;

過(guò)溫保護(hù)：在功率器件(開關(guān)管、LED)附近設(shè)置 NTC 熱敏電阻或溫度傳感器，溫度超過(guò) 85℃時(shí)降低電流或關(guān)斷輸出;

開路保護(hù)：LED 負(fù)載開路時(shí)，避免輸出電壓過(guò)高損壞器件，通過(guò)鉗位電路限制最大電壓。

4. 效率優(yōu)化策略

線性方案：盡量減小輸入電壓與 LED 總壓降的差值(ΔV≤3V)，選用低壓降調(diào)整管(如 MOSFET 替代 BJT)，降低導(dǎo)通損耗;

開關(guān)型方案：選擇低導(dǎo)通電阻(Rdson)的 MOSFET，優(yōu)化開關(guān)頻率(平衡效率與體積)，采用同步整流技術(shù)(替代續(xù)流二極管)，效率可提升 3%~5%。

將變換電路直流電壓轉(zhuǎn)換為恒流供給白光 LED，需根據(jù)功率、精度、成本需求選擇合適方案：小功率場(chǎng)景優(yōu)先線性恒流方案，追求簡(jiǎn)單可靠;中大功率場(chǎng)景首選開關(guān)型恒流方案，兼顧效率與功率密度;精密應(yīng)用可采用混合方案。核心設(shè)計(jì)需聚焦采樣電阻精度、電感電容匹配、保護(hù)功能完善及效率優(yōu)化。通過(guò)合理選型元器件、優(yōu)化電路布局與調(diào)試參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)電流精度高、紋波小、可靠性強(qiáng)的 LED 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，滿足不同場(chǎng)景的應(yīng)用需求。未來(lái)隨著寬禁帶半導(dǎo)體(如 GaN、SiC)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)型恒流方案將向更高效率、更小體積、更低成本方向演進(jìn)，進(jìn)一步推動(dòng)白光 LED 的應(yīng)用普及。