LED恒流驱动&恒压驱动

一、恒压驱动

一个典型的隔离式LED恒压驱动电源主要由以下模块构成：

[交流输入] → [EMI滤波与整流] → [功率因数校正] → [DC-AC高频逆变] → [高频变压器] → [输出整流滤波] → [稳压反馈回路]

1. 输入滤波与整流桥

• 功能：净化市电，并将交流电变为脉动直流电。

• 关键元件：

  • 保险丝：过流保护。

  • NTC热敏电阻：冷启动时抑制浪涌电流。

  • EMI滤波器（共模电感、X/Y电容）：滤除电源自身产生的高频噪声，并防止电网杂波进入。这是通过电感对高频的阻隔和电容的旁路作用实现的。

  • 整流桥堆：由四个二极管组成桥式电路，将50/60Hz的交流电（如220V AC）转换为100/120Hz的脉动直流电（约311V峰值）。

2. 功率因数校正电路

• 功能 ：提升功率因数，减少对电网的谐波污染。在中小功率LED驱动中，常用临界导通模式有源PFC。

• 原理 ：使用一个由PFC控制芯片（如L6562）、MOSFET、电感和二极管组成的Boost升压电路。通过控制MOSFET的开通关断，使输入电流波形跟随输入电压波形，从而将功率因数提升至0.9以上。同时将整流后的直流电压提升到一个稳定的高压（通常约380-400V DC）。

3. 主开关变换与高频变压器

• 功能：将高压直流转换为安全隔离的低压高频交流电。这是电源的"心脏"。

• 核心拓扑 ：反激式变换器在LED恒压驱动中占主导，因其结构简单、成本低、易于实现多路输出和隔离。

• 工作过程：

  1. 开关导通阶段 ：主控芯片（如OB2263）输出PWM信号，驱动功率MOSFET 导通。初级线圈通电，电能转化为磁能存储在变压器磁芯中。此时次级二极管反偏，负载由输出电容供电。

  2. 开关关断阶段 ：MOSFET关断。变压器初级线圈电流突变，根据楞次定律，次级线圈感应出电压（极性反转），使输出整流二极管正向导通，磁能转化为电能，向负载供电并为输出电容充电。

• 高频变压器 ：不仅实现电压变换（匝数比决定电压），更关键的是提供电气隔离，保障安全。

4. 输出整流与滤波

• 功能：将变压器次级的高频交流电转换为平滑的直流电。

• 关键元件：

  • 肖特基二极管：用于整流。因其反向恢复时间极短、导通压降低，适合高频、大电流应用，能减少损耗和噪声。

  • π型滤波器（电解电容+电感/磁珠+贴片电容）：滤除高频开关纹波，得到稳定的直流电压。电感/磁珠阻隔高频，电容提供低阻抗通路。

5. 稳压反馈控制回路（恒压实现的核心）

这是实现"恒压输出"的关键智能系统，形成一个闭环负反馈。

• 采样 ：通过连接在输出端的精密电阻分压网络（如两个串联电阻）对输出电压进行采样，得到一个与输出电压成正比的反馈电压。

• 基准与比较 ：反馈电压被送入可调精密并联稳压器TL431的参考端。TL431内部有一个2.5V的基准电压。当采样电压 > 2.5V时，TL431阴极-阳极间导通电流增大；反之则减小。

• 隔离反馈 ：TL431的状态变化通过光耦（如PC817）传递到初级侧。光耦内部LED的亮度变化导致其内部三极管CE极间电流变化。

• PWM控制 ：光耦三极管的电流注入或拉出主控芯片的反馈引脚。该引脚电压的变化告知芯片输出电压的"高低"：

  • 输出电压 偏高 → 采样电压 ↑ → TL431导通 ↑ → 光耦LED亮 ↑ → 光耦三极管电流 ↑ → 反馈脚电压被拉低 → 主控芯片减小PWM占空比 → MOSFET导通时间缩短 → 传输到次级的能量减少 → 输出电压下降。

  • 输出电压 偏低 → 则发生相反的过程，增大占空比，使输出电压回升。

• 闭环调节：这个动态过程持续不断地微调PWM占空比，从而精确稳定输出电压，抵抗输入电压波动和负载变化的影响。

6. 辅助电源与芯片供电

• 主控芯片和初级侧驱动电路需要工作电压（通常12-20V）。这由一个独立的小绕组（在变压器的初级侧或辅助侧）提供，其输出经过整流滤波后形成Vcc，在启动后为芯片持续供电。

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总结与关键特性

模块	核心功能	关键元件
输入整流滤波	AC转脉动DC，抑制干扰	保险丝、NTC、整流桥、X/Y电容、共模电感
PFC电路	提高功率因数，稳定母线电压	PFC控制器、MOSFET、Boost电感、二极管
高频逆变与隔离	DC转高频AC，电气隔离与降压	PWM控制器、功率MOSFET、高频变压器
输出整流滤波	高频AC转平滑DC	肖特基二极管、电解电容、电感
反馈控制回路	恒压稳压的核心	采样电阻、TL431、光耦

**面上绝大多数（80%以上）的隔离式LED恒压驱动电源，其内部核心电路就是一个精心设计、针对LED应用优化过的反激式开关电源。**但在以下情况，LED驱动电源的内部拓扑可能不同：

1. 大功率LED驱动（>200W） ：为了追求更高的效率（如>95%），可能会采用 LLC谐振半桥拓扑。它的电路更复杂，但开关损耗极低。

2. 非隔离式LED驱动 ：为了追求极致的高效率和低成本，并允许尺寸更小，会采用 Buck（降压） 或 Buck-Boost 等非隔离拓扑。这类电源没有变压器，看起来就和反激完全不同了。

3. 超低功率或简单应用 ：可能仅使用一个 阻容降压 电路，但这不属于开关电源，性能较差。

二、恒流驱动

恒流驱动电源的核心任务是：无论负载电压如何变化（在一定范围内），都能输出一个恒定不变的电流。

我们仍然以最常见的隔离式反激拓扑恒流驱动 为例进行解析。其结构与恒压驱动非常相似，但反馈控制的采样对象和目标完全不同。

核心原理框图（与恒压对比）

恒压驱动反馈路径：输出电压 -> [采样电阻分压] -> TL431(与2.5V基准比较) -> 光耦 -> 初级PWM芯片 -> 调节占空比，稳定电压。
恒流驱动反馈路径：输出电流 -> [电流采样电阻] -> 运放/比较器(与Vref_电流比较) -> (可能经TL431) -> 光耦 -> 初级PWM芯片 -> 调节占空比，稳定电流。

恒流实现的关键环节

1. 输出电流采样

这是恒流功能的起点。在输出的负端回路中，串联一个毫欧级的小阻值、高精度采样电阻。

• 原理 ：根据欧姆定律 V_sense = I_out * R_sense。由于 I_out 是我们想要控制的恒流值，R_sense 是固定已知的，因此 V_sense 是一个与输出电流成正比的微小电压（通常几十到几百毫伏）。

2. 电流误差放大与基准比较

采样得到的 V_sense 被送入一个电流误差放大器（通常是一个运放或专用恒流控制IC）。

• 该放大器将 V_sense 与一个电流基准电压 Vref_I 进行比较。

• Vref_I 的来源 ：可以来自芯片内部基准（如专用的恒流IC），也可以由外部TL431等基准源提供。这个 Vref_I 直接决定了恒流值。例如，Vref_I = 0.2V，R_sense = 0.1Ω，则恒流值 I_out = Vref_I / R_sense = 2A。

• 闭环调节：

  • 若 I_out 增大 -> V_sense ↑ -> 与 Vref_I 比较后产生误差信号 -> 通过光耦反馈给初级 -> 减小占空比 -> I_out 下降。

  • 若 I_out 减小 -> 发生相反过程，增大占空比 -> I_out 回升。

3. 输出开路/过压保护

这是恒流源独有的、至关重要的保护机制。

• 问题：恒流源的目标是输出恒定电流。如果负载（LED）突然断开（开路），电源为了"维持电流"，会不断升高输出电压，直到损坏输出滤波电容或自身！

• 解决方案 ：输出过压保护 。在输出端并联一个过压采样电阻分压网络 。当输出电压超过预设的OVP值时（例如，对于额定40V的灯串，OVP可能设为45V），这个OVP反馈环路会压倒恒流环路，强制电源进入保护状态（如打嗝模式或关断），从而保护电源和后续线路安全。

4. 两种常见的恒流控制架构

• 次级侧恒流控制 ：最精确、最常见的架构。电流采样、误差放大、基准比较都在次级侧完成，然后通过光耦将信号反馈至初级。精度高，可独立设置恒流值和OVP值。

• 初级侧恒流控制 ：一种更省成本的方案。它不直接采样次级输出电流，而是通过检测变压器辅助绕组的波形，间接估算出输出电流。其核心是利用反激变压器在MOSFET关断期间，次级电压与输出电压成比例的原理。PSR方案无需次级的光耦和电压基准（如TL431），但恒流精度和负载调整率通常略逊于次级侧控制。

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三、恒流驱动与恒压驱动的核心区别

下表从多个维度系统对比两者区别：

对比维度	恒压驱动电源	恒流驱动电源
核心控制目标	稳定输出电压 (V_out)	稳定输出电流 (I_out)
输出特性曲线	水平直线。电压恒定，电流随负载变化。	垂直线段。电流恒定，电压随负载在一定范围内变化。
反馈采样对象	输出电压（通过电阻分压网络）	输出电流（通过串联的采样电阻）
核心基准	电压基准（如TL431的2.5V）	电流基准 （一个设定的电压Vref_I，用于与 I*R_sense 比较）
必须的保护	输出过流/短路保护（OCP/SCP）	输出过压/开路保护（OVP）
LED连接方式	多串多并 。单路电压固定，需靠灯板上的限流电阻 或线性恒流IC来分配各并联支路的电流。	单串或多并。直接驱动单串LED，或几串完全相同的LED并联。
对LED Vf离散性的容忍度	差。Vf的微小差异会导致并联支路电流严重不均，必须外加均流措施。	好。只要灯串总Vf在电源电压范围内，电源自动调整电压以保证电流恒定，完美匹配LED的电流驱动特性。
应用场景	低压LED灯条/模组 （12V/24V）、带恒流板的LED灯具、需要灵活裁剪长度的场合。	大功率LED灯珠/COB 、高功率LED投光灯/工矿灯、对光衰控制要求严格的场合。
类比	像是一个"水库"，提供稳定的水位（电压），各家（LED）按需取水（电流）。	像是一个"恒流泵"，提供恒定的水流（电流），管道压力（电压）会自动适应。

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核心总结与选型指南

本质区别在于"谁是自变量，谁是因变量"：

• 恒压源 ：电压是自变量 （固定），电流是因变量（由负载决定）。

• 恒流源 ：电流是自变量 （固定），电压是因变量（由负载决定）。

如何选择？

1. 看LED的封装和连接方式：

   • 如果你使用 12V/24V 的预封装LED灯条（内部已集成了限流电阻） ，或者你的灯板设计是多路并联 ，请选择 恒压源（如12V/24V DC）。

   • 如果你使用的是 3V 左右的单颗大功率LED ，或者你将多颗同规格LED全部串联 ，请选择 恒流源（如700mA, 1050mA等）。

2. 看对一致性和寿命的要求：

   • 恒流驱动能确保每颗LED工作在设定的最佳电流，光效和寿命最优化，避免因Vf差异导致的电流失控和热失控。

   • 恒压驱动+电阻的方案成本低，但电阻有能耗，且电流会随LED的Vf温漂而波动。

四、调光模块/面板控制逻辑

在LED驱动电源中，DIM接口 （调光接口）是实现亮度控制的关键。下面介绍最常见的调光方式 ：输入0-10V 或1-10V模拟信号。

核心思想：电压信号如何控制亮度？

LED的亮度由其工作电流直接决定。因此，DIM接口的核心任务就是将外部输入的0-10V模拟电压信号 ，线性地转换为对电源输出电流 的控制。

这个过程可以概括为：外部电压信号 -> 信号调理与检测 -> 生成电流控制基准 -> 调整输出电流。

系统框图与信号流

外部控制器 (如调光器)
        ↓ (输出0-10V DC电压)
[LED驱动电源的DIM端口]
        ↓
[输入保护与电平转换电路]
        ↓
[电压检测/ADC电路] (检测Vin_dim)
        ↓
[调光处理逻辑] (将Vin_dim映射为电流基准Vref_I‘)
        ↓
[干预/替换] 原始的固定恒流基准 Vref_I
        ↓
[主PWM控制环路] (根据新的Vref_I‘ 调节占空比)
        ↓
[输出电流 I_out] (随Vref_I‘ 线性变化)
        ↓
[LED亮度] (随之线性/非线性变化)

阶段一：信号接入与预处理 (DIM端口内部电路)

DIM端口绝非简单的两根线，其内部通常包含：

1. 防反接与ESD保护：二极管防止信号接反，TVS管/稳压管防止过压浪涌。

2. 滤波网络：RC低通滤波器，用于滤除来自长距离传输线引入的高频噪声，防止调光抖动。

3. 偏置/上拉电阻：

   • 对于0-10V协议 ：电源DIM端口内部通常提供一个高阻抗的检测电路 。有些设计会提供一个微弱的上拉电流源（如0.1mA），用于检测DIM线是否开路（开路时电压被拉高，可触发全亮或保护）。

   • 对于1-10V协议 ：电源DIM端口内部会提供一个精确的恒定电流源 （典型值为0.1mA或0.2mA）。这个电流流向外部的调光电位器或控制器，在电位器上产生1-10V的压降。这是与0-10V在电路上的关键区别。

4. 电平转换/分压：将0-10V的外部信号，转换为控制芯片能够安全处理的电压范围（例如0-3.3V）。

阶段二：电压检测与数字化/模拟化处理

检测到的 Vin_dim 信号有两种处理方式：

• ADC采样（数字方案） ：在更智能的驱动中，Vin_dim 会送入驱动IC内部的模数转换器。MCU或数字逻辑会读取这个数字值（例如，10V对应满量程1024，0V对应0）。

• 模拟比较（传统方案） ：Vin_dim 直接与内部固定的电压阈值进行比较，或送入模拟乘法器/运放进行处理。

阶段三：生成受控的电流基准（核心步骤）

这是调光实现的"算法"核心。系统根据 Vin_dim 的值，计算出一个新的电流基准 Vref_I'。

• 线性调光映射：最常用的关系。

  • 当 Vin_dim = 最大电压 (10V 或 10V) 时，Vref_I' = 原始设定的满额电流基准 Vref_I_full，输出100%电流，LED最亮。

  • 当 Vin_dim = 最小电压 (0V 或 1V) 时，Vref_I' = 0 或 Vref_I_min，输出0%或一个极小的维持电流（通常对应0.1%-1%亮度），LED最暗或熄灭。

  • 当 Vin_dim 处于中间值时，Vref_I' 按比例线性计算：Vref_I' = (Vin_dim / 10V) * Vref_I_full。

• 对数/平方曲线映射：为了匹配人眼对亮度的非线性感知（韦伯-费希纳定律），有些驱动会在芯片内部将线性电压信号转换为对电流的非线性控制，使亮度变化看起来更均匀。

阶段四：干预主控制环路，调整输出

生成的 Vref_I' 被送入或替换恒流控制环路中的原始固定基准。

• 次级侧恒流控制 ：Vref_I' 直接提供给电流误差放大器的正/负输入端，与来自电流采样电阻的 V_sense 进行比较。环路将自动调节，直到 V_sense = Vref_I'，从而实现电流的精确控制。

• 初级侧控制 ：Vin_dim 的信息通过光耦或专用接口传递到初级侧芯片，芯片内部调整其电流计算环路的基准。

最终效果 ：当您旋转0-10V调光器旋钮时，Vin_dim 从1V变化到10V，电源的输出电流也从最小变化到最大，LED亮度随之平滑改变。

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0-10V 与 1-10V 的关键区别与工作过程对比

特性	0-10V 调光	1-10V 调光
信号性质	电压源信号。调光器输出一个0-10V的电压。	电流源/电阻分压信号。电源提供电流，外部电位器产生分压。
电源DIM口角色	高阻抗电压检测器。	精密恒流源 (+电流输出) + 电压检测器。
最低电压与"关断"	0V 对应理论上0%亮度。但在实际中，低于某个阈值（如0.5V）时，电源可能判断为"信号丢失"而选择关断输出或保持最小亮度。	1V 对应预设的最小亮度（如1%）。当电压低于1V（如0.8V） 时，电源可明确判断为"调光信号无效"或"接线断开"，从而安全地关闭输出。这是1-10V协议的主要优点。
工作过程简述	1. 外部控制器主动输出 0-10V电压。 2. 电源检测该电压值。 3. 按比例控制输出电流。	1. 电源DIM口向外提供 恒定电流(I_src，如0.2mA)。 2. 外部电位器(R_pot)旋转，改变电阻值。 3. 根据欧姆定律 V_dim = I_src * R_pot，在DIM口产生1-10V电压。 4. 电源检测自身产生的这个电压，并控制输出。
优点	原理简单，兼容设备多。	能可靠区分"最小亮度"和"信号故障/断开"，系统更可靠。

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与PWM数字调光的简要对比

您提到的"检测到ADC"，也可能用于处理低压PWM数字调光信号（如0-5V PWM）。其过程不同：

1. 信号整形：将可能畸变的PWM波整形成干净的方波。

2. 滤波或直接测量：

   • 模拟方式：用RC滤波器将PWM波转换成直流电压（占空比50% -> 2.5V），再按0-10V方式处理。

   • 数字方式 ：MCU直接测量PWM信号的占空比（Ton/T周期）。

3. 映射控制 ：将测得的占空比（如0%-100%）线性映射为输出电流基准 Vref_I'（0% -> Vref_I_min， 100% -> Vref_I_full）。

总结

0-10V/1-10V模拟调光 的本质，是通过一个线性的直流电压作为"遥控器"，无级地、连续地设定LED驱动电源的电流基准点 。整个工作过程是一个完整的闭环：
外部电压指令 → 电源接收解码 → 重置电流目标值 → 功率环路快速跟踪 → LED电流/亮度改变。