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常用的LED驱动电源有哪些?工作原理是什么?

LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电源转换器。LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。

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好的,常用的LED驱动电源根据不同的应用场景和需求有多种类型,它们的工作原理核心是将输入的交流电(通常是市电AC)转换为适合LED工作的稳定直流电(DC),并且最关键的是要提供恒定的电流给LED。

一、 常用的LED驱动电源类型

  1. 按输入输出方式分类:

    • 交流输入转直流输出恒流源: 这是最常见的类型。将AC市电(如220V/50Hz)转换为稳定的DC恒流输出(如350mA, 700mA, 1.05A等),电压在标称范围内自适应。绝大多数内置式和独立式LED驱动器都属于此类。
    • 直流输入转直流输出恒流源: 输入已经是直流电(如DC 12V, 24V, 48V),将其转换为所需的恒流直流输出(如350mA @ 3-42V)。常见于低压直流系统或与太阳能电池板连接的系统(如太阳能路灯)。
  2. 按调光功能分类:

    • 不可调光驱动: 只提供固定电流输出。
    • 可调光驱动:
      • 切相调光 (前切相/后切相): 兼容传统白炽灯调光器(TRIAC、ELV等),通过调节输入的交流波形相位角来改变输出功率(光通量)。
      • 0-10V 调光: 需要额外两根低压控制线(0-10V DC信号),信号电压大小线性控制输出电流(亮度)。
      • PWM 调光: 通过控制输入端的PWM信号占空比或向驱动器提供特定频率的PWM信号来控制输出电流(亮度)。常用于低压DC系统或智能控制系统。
      • DALI调光: 基于数字可寻址照明接口标准的数字调光方式,实现精确控制、场景设定、分组管理等功能,需要支持DALI协议的驱动器和控制系统。
      • 电阻调光: 主要用于特定类型的低压LED灯带驱动器(如MR16射灯),通过改变外部电阻阻值来调节电流。
  3. 按输出特性稳定对象分类:

    • 恒流 (Constant Current - CC) 驱动: 这是LED驱动的根本所在。在标明的负载电压范围内,无论LED串联个数(负载电压变化)如何,驱动器都维持输出电流恒定(如350mA ±5%)。LED的核心特性是电流驱动器件,电流大小直接决定发光亮度和稳定性。恒流驱动是保证LED长期可靠工作、亮度一致性和避免热失控的关键。电压在一定范围内自动变化以适应不同的串联LED数量。
    • 恒压 (Constant Voltage - CV) 驱动: 在负载变化情况下,驱动器维持输出电压恒定(如12VDC, 24VDC)。这种驱动主要用于自身已内置限流电阻或恒流控制电路的低压LED模组(如LED灯带、LED霓虹灯、部分贴片式模组)。电源只负责提供稳定的电压,模组内的电路负责将电压分配到各个LED段并维持每段的电流恒定。本质上,LED灯带仍然是工作在恒流状态下,只是恒流控制由模组内部的简易电路实现。
  4. 按隔离性分类:

    • 隔离式驱动: 输入(高压AC)与输出(低压DC)之间通过变压器进行电气隔离(符合安规要求,如爬电距离、电气间隙)。输入输出隔离,触摸输出端是安全的(低压)。安全性高,符合各类安全标准。常用拓扑:反激式(Flyback)。
    • 非隔离式驱动: 输入与输出之间没有变压器隔离。它们通常采用BUCK(降压)或BOOST(升压)等开关拓扑结构。成本较低,效率较高(因为没有变压器损耗),体积较小。安全等级较低,输出端可能存在高压,需要通过设计保证外壳防护和绝缘安全,常用于封闭式灯具(人接触不到)或特定低压应用中。

二、 LED驱动电源的工作原理

尽管驱动类型众多,但其基本原理流程相似:

  1. 整流滤波 (AC Input): 输入交流市电(如AC 220V/50Hz)首先经过整流桥将交流电转换为脉动的直流电。然后由滤波电容(大电解电容)进行滤波,使其变得相对平稳(但仍包含较大的纹波,电压接近交流峰值,如220VAC * √2 ≈ 311VDC)。

  2. 功率变换 (DC-DC Conversion): 这是核心环节。经过整流滤波后的直流高压,送入开关变换器电路。

    • 这个变换器通常由开关管(MOSFET或BJT)、储能元件(变压器、电感、电容)和控制器IC构成。
    • 控制器IC根据电路的需要,产生高频开关信号来控制开关管的导通与关断。开关频率通常在几十KHz到几百KHz。
    • 在开关管导通时,能量存储在变压器初级绕组(隔离式)或电感(非隔离式,如Buck)中。
    • 在开关管关断时,存储的能量通过变压器次级绕组(隔离式)或续流二极管/开关管(非隔离Buck)释放出来,经由输出整流二极管(隔离式)或直接(Buck)给输出滤波电容充电,并供给LED负载。
  3. 电流采样与反馈控制:

    • 在输出端,有一个电流采样电阻与LED负载串联(或位于低侧)。此电阻上的微小电压降反应了实际输出电流(I_led * R_sense = V_sense)。
    • 这个采样电压(V_sense)被送到控制器的反馈输入端(通常称为FB或Isense)
  4. 恒流控制:

    • 控制器内部有一个基准电压(V_ref)或基准电流。对于恒流源,V_ref对应目标电流值(即 I_target * R_sense = V_ref)。
    • 控制回路(常为PWM/PFM控制) 会比较采样电压(V_sense)与基准电压(V_ref)。
    • 如果 V_sense < V_ref: 意味着 I_led < I_target,控制器会增加开关管的导通时间(或开关频率),让电路传递更多能量,从而提高输出电流,直到 V_sense ≈ V_ref。
    • 如果 V_sense > V_ref: 意味着 I_led > I_target,控制器会减少开关管的导通时间(或开关频率),传递较少能量,从而降低输出电流,保持 V_sense ≈ V_ref。
    • 电流环路的动态调整: 通过这种实时的、高速的反馈和控制(电流控制环路),驱动器能持续稳定地输出恒定电流 (I_target),即使输入电压有波动或LED的正向电压(Vf)因温度、老化而变化(在驱动器承受的标称电压范围内),输出电流也能基本保持不变。
  5. 输出滤波 (Output): 为了得到更纯净的直流电,在输出端还会使用LC滤波器(电感+电容)或电解电容进一步滤除开关频率带来纹波电流和高频噪声,提供给LED更平滑的电流。

  6. 保护功能: 现代LED驱动器集成了多种保护功能,例如:

    • 过流保护: 防止负载短路或电流异常过大损坏电路。
    • 过压保护: 防止输出过压损坏负载或内部元件。
    • 过热保护: 检测驱动内部温度,过高时降功率或关闭输出。
    • 短路/开路保护: 应对LED负载短路或开路的情况。
    • 输入浪涌保护: 保护电路免受市电浪涌冲击。

核心原理总结

LED驱动电源的核心是将交流市电转换为直流电,并利用高速开关控制技术(开关变换器)结合负反馈电流环路(采样、比较、调整)来实现对输出电流的精密恒流控制。正是这种恒定的电流输出,保证了LED灯具的光效、亮度稳定性、色彩一致性以及长寿命。电压稳定性(恒压源)主要是服务于内部具备恒流控制的LED模组(如灯带)。恒流源是LED照明正常工作的基石。

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