一文说清LED驱动电路中的线性恒流源原理

深入浅出：LED驱动中的线性恒流源，到底怎么“恒”住电流？

你有没有想过，为什么一盏小小的LED灯能十几年不坏、亮度始终如一？背后功臣之一，就是那个低调却关键的——线性恒流源。

在开关电源大行其道的今天，很多人以为所有电源都在“高频嘶鸣”。但其实，在大量中小功率LED灯具里，真正默默工作的，是那种不吵不闹、没有电感、也不开关的线性恒流电路。它结构简单、成本低、几乎零电磁干扰（EMI），特别适合对噪声敏感或空间受限的应用。

可问题也来了：既然这么好，为什么又总有人说“效率低、发热大”？它到底是靠什么实现“恒流”的？我们该如何用好它，避开坑？

这篇文章，就带你从底层讲清楚：线性恒流源是如何在一个不断变化的电压环境中，死死“锁住”LED电流的。不堆术语，不甩公式，咱们一步步拆开看。

一、LED为什么要恒流？不能直接接电源吗？

先解决一个根本问题：LED是个“娇气”的负载。

它的伏安特性非常陡——什么意思？就是电压稍微高一点点，电流就会猛增；反过来，电压低一点，光就暗得不行。更麻烦的是，温度升高时，LED正向压降（Vf）还会下降，这会导致电流进一步上升，形成恶性循环——也就是所谓的热失控。

举个例子：
一颗白光LED标称Vf=3.2V @ 350mA。如果你用3.3V直流直接供电，看似只高出0.1V，但由于IV曲线极陡，实际电流可能冲到600mA以上！轻则烧毁，重则整串失效。

所以，电压驱动对LED来说几乎是灾难性的。

正确做法是：用电流来控制亮度。因为LED的发光强度和正向电流基本成线性关系。只要电流稳了，亮度就稳了，寿命也能保障。

于是，“恒流驱动”成了LED应用的铁律。

而线性恒流源，就是实现这一目标最朴素、也最可靠的方式之一。

二、它是怎么做到“恒流”的？核心就是一个负反馈闭环

想象一下老式水龙头调节水流的过程：

你想让水流保持在每秒1升；
你眼睛盯着流量计，发现流多了，就把阀门关小一点；
流少了，再开大一点；
不断微调，最终稳定在一个合适的开度。

线性恒流源干的就是这个活，只不过把“人眼+手”换成了“运放+MOSFET”。

核心四件套：谁在参与这场调控？

一个典型的分立式线性恒流电路，离不开以下四个关键角色：

角色	功能
采样电阻 Rsense	把电流变成电压信号：“你看，现在电流是这么大”
基准电压 Vref	提供目标值：“应该维持在这个水平”
误差放大器（运放）	当裁判：“偏了！赶紧调！”
调整元件（MOSFET/BJT）	执行者：“我来调节压降，控制电流”

它们组成一个经典的负反馈系统，动态维持 $ I_{LED} = \frac{V_{ref}}{R_{sense}} $。

✅ 小贴士：这个公式一定要记住！它是整个设计的起点。

比如你要驱动350mA，选了个175mV的参考电压，那采样电阻就得是：
$$
R_{sense} = \frac{0.175V}{0.35A} = 0.5\Omega
$$

一旦确定，系统就会自动努力让Rsense上的压降等于Vref，从而锁定电流。

三、关键部件详解：每个环节都影响精度与可靠性

别看电路简单，任何一个环节没选好，都会导致“恒不住”。

1. 调整元件：不只是通断，而是精细调节压降

这里的主角通常是N-MOSFET或PNP/NPN晶体管，但它不是工作在“全开”或“全关”的开关状态，而是像一个可变电阻一样，在线性区精细调节自身的Vds压降。

以NMOS为例：

输入电压Vin进来，一部分加在LED串上（V_LED），剩下的压降落在MOSFET上（V_DS）；
当输入电压波动或LED温度变化引起电流变化时，反馈回路会通过改变栅极电压V_GS，来调节MOSFET的导通程度；
导通深一点 → 压降低 → 电流上升；
导通浅一点 → 压升高 → 电流被抑制。

整个过程就像一条高速公路收费站：车流太大了，就多设几个关卡减速；车流小了，就放开一点。目标只有一个：让通过的车辆数量（电流）恒定。

⚠️ 设计要点：

必须工作在线性区，不能进入饱和区（否则失去调节能力）；
功耗集中在自身：$ P = (V_{in} - V_{LED}) \times I_{LED} $，压差越大，发热越严重；
封装要利于散热：DPAK、TO-252、甚至带散热片的TO-220都是常见选择；
注意SOA（安全工作区）：高温下最大耗散功率会急剧下降，不能只看室温参数。

曾经有工程师用SOT-23封装的MOSFET做1W LED驱动，结果上电几分钟就冒烟了——就是因为低估了功耗和热阻。

2. 采样电阻：别小看这颗“小电阻”，它决定成败

Rsense虽然只是个被动元件，但它的表现直接影响系统精度和稳定性。

如何选？

阻值范围：通常0.1Ω ~ 1Ω之间。
- 太小 → 电压太低 → 容易被噪声淹没；
- 太大 → 自身功耗高（$ I^2R $）、效率低；
精度：建议使用±1%或更高的金属膜电阻，避免引入系统误差；
温度系数（TCR）：优选<50ppm/℃的产品，防止温漂导致电流漂移；
功率余量：按 $ P = I^2 R $ 计算后，至少留出50%裕量。例如350mA通过0.5Ω电阻，功耗为：
$$
P = (0.35)^2 \times 0.5 = 61.25mW
$$
至少要用100mW以上的电阻，最好选125mW或更高。

⚠️ 实践技巧：

使用开尔文连接（四线法）：将检测走线直接接到电阻两端焊盘，避免PCB走线电阻影响采样精度；
尽量靠近运放引脚布局，减少干扰；
若电流较大（>500mA），可考虑用PCB铜箔作为“虚拟采样电阻”，但需严格校准。

3. 基准电压 + 误差放大器：系统的“大脑”

这部分决定了你能把电流控得多准。

基准电压源（Vref）

常见值：1.25V（LM317类）、2.5V、175mV（专用IC内置）；
要求：低温漂、低噪声、长期稳定；
实现方式：
- 外置TL431（性价比高）；
- 内置于专用驱动芯片中（如AL5809提供150mV精确基准）；

误差放大器（运放）

构成负反馈的核心；
要求：
- 输入失调电压（Vos）尽量小（<1mV）；
- 共模输入范围覆盖采样点电压；
- 增益带宽积足够响应瞬态变化；
- 静态电流低，尤其在待机模式下省电。

🔍 举个典型场景：
你用LM358运放搭配TL431做基准，却发现电流总是偏大5%。查了半天才发现：LM358的输入失调电压高达3mV，在175mV参考下占比接近2%，再加上电阻误差，累积偏差就出来了。

所以，高精度场合务必选用精密运放，比如OPA333、LTC6240等。

当然，现在大多数工程师已经不再自己搭这些了——直接上集成方案更省心。

四、现实中的选择：分立方案 vs 集成IC

分立搭建：适合学习，但工程风险高

优点：
- 成本极低（几毛钱搞定）；
- 灵活性强，便于调试理解原理；

缺点：
- 元件匹配要求高；
- 温漂、老化等问题难控制；
- PCB面积大，可靠性不如专用IC；

👉 推荐用途：教学实验、原型验证、超低成本消费灯。

集成恒流IC：主流之选

像AL5809、MT7201、AP5100、MAX16814这类芯片，已经把基准源、运放、MOSFET甚至保护电路全都集成进去，外围只需要几个电阻电容。

优势非常明显：
- 电流精度可达±2%以内；
- 支持PWM调光、使能控制；
- 内置过温、短路保护；
- 封装小巧，易于散热设计；

而且很多支持数字配置，比如通过I²C写寄存器设定电流档位。

// 示例：通过I2C设置MAX16814输出电流为350mA void set_led_current(uint16_t mA) { uint8_t reg_val = (uint8_t)(mA / 10); // 假设每步10mA i2c_write(MAX16814_ADDR, CURRENT_REG, &reg_val, 1); }