直流电压转恒流供电：白光 LED 负载的稳定驱动方案

白光 LED 凭借高效、长寿、环保等优势，已广泛应用于照明、显示、背光等领域。然而，LED 属于电流敏感型器件，其发光亮度、色温稳定性及使用寿命均与工作电流密切相关。变换电路(如 AC-DC 整流、DC-DC 变换器)输出的直流电压往往存在波动，直接供电会导致 LED 电流失控，引发亮度漂移、发热严重甚至烧毁等问题。因此，将变换电路输出的直流电压转换为稳定的恒流供电，是保障白光 LED 可靠工作的核心技术环节。本文将从技术原理、电路设计、参数优化及实际应用四个维度，详细阐述实现这一转换的关键方法与注意事项。

一、白光 LED 的电气特性与恒流供电必要性

白光 LED 的伏安特性具有典型的非线性特征：正向电压(Vf)随电流增大呈指数增长，且受温度影响显著 —— 温度每升高 1℃，正向电压约下降 2-3mV。若采用直流电压直接供电，即使输入电压仅出现微小波动，也会导致 LED 电流急剧变化。例如，一颗额定电流 200mA、正向电压 3.2V 的白光 LED，若输入电压波动 ±5%(即 3.04V-3.36V)，电流波动可能超过 ±20%，直接表现为亮度闪烁。同时，LED 芯片的 PN 结温度对电流极为敏感，过流会导致结温骤升，加速光衰并缩短寿命。实验数据表明，LED 工作电流超过额定值的 20% 时，寿命可能缩短 50% 以上。

恒流供电的核心优势在于强制 LED 工作在设定电流值，不受输入电压波动、负载变化(如多颗 LED 串联 / 并联)及温度漂移的影响，确保发光亮度均匀、色温稳定，同时有效限制结温，延长器件寿命。因此，无论变换电路输出的直流电压是否稳定，都必须通过恒流转换环节才能适配白光 LED 负载。

二、直流电压转恒流的核心电路拓扑

根据应用场景(如功率等级、成本预算、效率要求)，常用的恒流转换电路主要分为三类：线性恒流电路、开关型恒流电路及集成芯片方案。

(一)线性恒流电路：低成本简易方案

线性恒流电路基于串联调整管的工作原理，通过采样电阻检测 LED 电流，反馈至控制电路调整调整管的压降，从而稳定电流。典型电路由 NPN 三极管(或 MOS 管)、采样电阻(Rs)及基准电压源组成：LED 与采样电阻串联，三极管发射极接采样电阻，基极通过基准电压源提供偏置。当 LED 电流增大时，采样电阻两端电压(Vrs=I×Rs)升高，三极管发射结电压(Vbe=Vref-Vrs)减小，集电极电流减小，实现电流稳定。

该方案的优势是电路简单、成本低、无电磁干扰(EMI)，适用于低功率场景(如指示灯、小型背光，功率≤5W)。但缺点是效率较低，调整管的压降(Vin-Vf-IRs)越大，效率越低，且存在散热压力。因此，仅适用于输入电压与 LED 正向电压差值较小的情况。

(二)开关型恒流电路：高效大功率方案

开关型恒流电路通过高频开关器件(MOS 管)控制能量的存储与释放，实现恒流输出，效率可达 85%-98%，适用于中大功率场景(如照明灯具、显示屏，功率≥5W)。常见拓扑包括 Buck(降压型)、Boost(升压型)及 Buck-Boost(升降压型)，其中 Buck 拓扑因结构简单、稳定性高，应用最广泛。

以 Buck 型恒流电路为例，其核心由 MOS 开关管、续流二极管、电感(L)、采样电阻(Rs)及 PWM 控制器组成。工作原理如下：控制器输出 PWM 信号驱动 MOS 管导通，输入直流电压通过电感给 LED 供电，同时电感存储能量;MOS 管关断时，电感通过续流二极管释放能量，维持 LED 电流连续。控制器通过采样电阻检测 LED 电流，动态调整 PWM 占空比，确保电流稳定。

开关型方案的优势是效率高、输入电压范围宽(可适配不同变换电路输出)，但存在 EMI 问题，需增加滤波电路，且成本高于线性方案，电路设计复杂度较高。

(三)集成芯片方案：兼顾性能与便捷性

随着半导体技术发展，专用 LED 恒流驱动芯片已成为主流选择。这类芯片集成了开关管、控制器、采样电路及保护功能(过流、过温、开路保护)，只需外接电感、电容、采样电阻等少量元件即可实现恒流转换，大幅简化设计流程。

根据输入电压与 LED 电压的关系，集成芯片可分为降压型(如 TI 的 TPS61165)、升压型(如 ON Semiconductor 的 NCL30160)及升降压型(如 Maxim 的 MAX16834)。部分芯片还支持多通道输出，可驱动多串 LED 负载，且具备调光功能(PWM 调光或模拟调光)，适配智能照明需求。集成芯片方案平衡了成本、效率与可靠性，适用于大多数量产场景。

三、关键参数设计与优化

无论采用哪种电路拓扑，恒流转换的核心是精准控制 LED 电流，需重点关注以下参数设计：

(一)额定电流设定

白光 LED 的额定电流通常为 20mA(小功率)、100-350mA(中功率)、500mA-1A(大功率)，需根据 LED 规格书设定恒流值(一般取额定电流的 80%-100%，避免满负荷工作导致光衰)。采样电阻 Rs 的阻值计算为：Rs=Vref/Iset，其中 Vref 为基准电压(线性电路常用 0.1-0.5V，开关电路常用 0.2-0.8V)，Iset 为设定恒流值。例如，设定 Iset=300mA，Vref=0.3V，则 Rs=1Ω，功率选择需满足 P=I²Rs≥2 倍实际功率(此处为 0.09W，可选 0.25W 电阻)。

(二)输入电压适配

变换电路输出的直流电压需与恒流电路的输入范围匹配：线性电路要求 Vin≥Vf+Iset×Rs+Vce(调整管饱和压降，约 0.2-0.5V);Buck 型开关电路要求 Vin≥Vf+Vd(续流二极管压降，约 0.3-0.7V);Boost 型电路则可适配 Vin

(三)效率与散热优化

线性电路的效率 η=Vf/(Vin)×100%，需尽量减小 Vin 与 Vf 的差值，或采用低压差调整管(LDO);开关电路的效率与开关频率、电感值、MOS 管导通电阻相关，建议选择低导通电阻的 MOS 管(Rdson≤100mΩ)，电感值根据开关频率选取(如 100kHz 频率下，电感值通常为 10-100μH)，并优化 PCB 布局减少寄生参数。同时，大功率场景需考虑散热设计，如增大铜皮面积、添加散热片，避免器件因过热触发保护或损坏。

(四)保护功能设计

为提升系统可靠性，恒流电路需具备必要的保护功能：1)过流保护：当 LED 短路或电流异常增大时，迅速切断输出;2)过温保护：检测芯片或 LED 温度，超过阈值时降低电流或关断输出;3)开路保护：LED 开路时避免输出电压过高损坏器件;4)过压保护：防止变换电路输出电压突变导致的冲击。集成芯片通常内置这些保护功能，分立电路需额外设计相关模块。

四、实际应用中的常见问题与解决方案

(一)电流纹波过大导致亮度闪烁

电流纹波是开关型恒流电路的常见问题，若纹波峰值超过设定电流的 10%，会导致 LED 亮度闪烁。解决方案：1)增大电感值或输出滤波电容;2)提高开关频率(需平衡 EMI 与效率);3)采用连续导电模式(CCM)设计，避免电感电流断流;4)在 LED 两端并联小容量陶瓷电容(0.1-1μF)抑制高频纹波。

(二)温度漂移导致电流偏移

环境温度变化或 LED 发热会导致基准电压、采样电阻阻值漂移，进而影响恒流精度。解决方案：1)选择低温漂的基准电压源(如 LM4040，温漂≤50ppm/℃)和采样电阻(金属膜电阻，温漂≤100ppm/℃);2)在开关电路中采用电流模式控制，提升温度稳定性;3)设计温度补偿电路，通过负温度系数电阻(NTC)抵消漂移。

(三)多串 LED 负载的电流均衡

当驱动多串 LED 串联或并联时，各串电流不均会导致亮度差异。解决方案：1)串联负载：每串 LED 串联独立采样电阻，通过多路恒流控制实现均衡;2)并联负载：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 支路串联小阻值均流电阻(1-5Ω);3)采用电流镜像电路，确保各支路电流一致。

五、结语

将变换电路输出的直流电压转换为恒流供电，是白光 LED 负载稳定工作的关键环节。设计时需根据功率等级、效率要求及成本预算，选择合适的电路拓扑(线性、开关型或集成芯片)，并重点优化额定电流、输入电压适配、效率散热及保护功能等参数。线性方案适用于低成本小功率场景，开关型方案适配高效大功率需求，集成芯片则兼顾便捷性与可靠性，可满足大多数应用场景。

随着 LED 技术向高功率、高亮度、智能化方向发展，恒流转换技术也在不断升级，如数字控制的恒流芯片、基于 GaN 器件的高效开关电路等，将进一步提升供电稳定性与能效。在实际工程应用中，需结合 LED 特性与变换电路输出特性，进行针对性设计与调试，才能实现最优的驱动效果。