LED的特性及驅動電源的發展趨勢

蔣天堂

(昆明學院自動控制與機械工程系，昆明650118)

1 概述

傳統的照明光源存在發光效能低(一般白熾燈發光效能20 lm/W，普通節能燈40～50lm/W)、耗電量大、使用壽命短，光線中含有大量的紫外線、紅外線輻射，照明燈具一般是交流驅動，不可避免的產生頻閃而損害人的視力，普通節能燈的電子鎮流器會產生電磁干擾，且熒光燈含有大量的汞和鉛等重金屬，無法全部回收則造成環境污染等問題。現代生產和生活的發展迫切需要一種高效節能、無污染、無公害的綠色照明技術取代傳統照明技術。近年來，經過科學家的技術攻關，一種新型光源技術——LED照明技術正在趨于成熟。

LED具有壽命長、節能、安全、綠色環保、色彩豐富等顯著優點。是全球新興產業，LED有巨大節能作用，將會取代傳統光源，從而引發人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環境，緩解全球日益嚴峻的能源危機。

2 LED的特性

(1) LED是單向導電器件，由于這個特點，就要用直流電流或者單向脈沖電流給LED供電。

(2) LED是一個具有PN結結構的半導體器件，具有勢壘電勢，這就形成了導通門限電壓，加在LED上的電壓值超過這個門限電壓時LED才會充分導通。LED的門限電壓一般在2.5V以上，正常工作時的管壓降為3～4V。

(3) LED的電流一電壓特性是非線性的，流過LED的電流在數值上等于供電電源的電動勢減去LED的勢壘電勢后再除以回路的總電阻(電源內阻、引線電阻和LED體電阻之和)。因此，流過LED的電流和加在LED兩端的電壓不成正比。

(4) LED的PN結的溫度系數為負，溫度升高時LED的勢壘電勢降低。由于這個特點，所以LED不能直接用電壓源供電，必須采取限流措施，否則隨著LED工作時溫度的升高，電流會越來越大，以致損壞LED。

(5) 流過LED的電流和LED的光通量的比值也是非線性的。LED的光通量隨著流過LED的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來光通量增加得越少。因此，應該使LED在一個發光效率比較高的電流值下工作。

(6) LED也和其他光源一樣，所能承受的電功率是有限的。如果加在LED上的電功率超過一定數值，LED可能損壞。

(7) 由于生產工藝和材料特性方面的差異，同樣型號的LED的勢壘電勢以及LED的內阻也不完全一樣，這就導致LED工作時的管壓降不一致。

3 LED驅動電源的幾種配置

LED不能象傳統光源那樣直接使用供電電源，需要驅動電路將供電電源變換為直流電流才能工作。LED驅動電路的類型、結構與供電電源的類型有關，通常分為直流供電、交流供電兩大類。

3.1 直流供電

指能直接提供直流電流的各種干電池、蓄電池和太陽能電池等，根據所提供的電源電壓又可分為以下幾種形式。

3.1.1 低電壓驅動

低電壓驅動就是指用低于LED正向導通壓降的電壓驅動LED，如一節普通干電池或鎳鉻/鎳氫電池，其正常供電電壓為0.8～1.65V。低電壓驅動LED需要把電壓升高到足以使LED導通的電壓值。對于LED這樣的低功耗照明器件，這是一種常見的使用情況，如LED手電筒、LED應急燈、節能臺燈等。由于受單節電池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比較高的變換效率。另外，考慮到有可能配合一節5號電池工作，還要有最小的體積，其最佳技術方案是電荷泵式升壓變換器。

3.1.2 過渡電壓驅動

過渡電壓驅動是指給LED供電的電源電壓值在LED管壓降附近變動，這個電壓有時可能略高于LED管壓降，有時可能略低于LED管壓降。如一節鋰電池或者兩節串聯的鉛酸電池，滿電時電壓在4V以上，電快用完時電壓在3V以下。用這類電源供電的典型應用有LED礦燈等。過渡電壓驅動LED的電源變換電路既要解決升壓問題又要解決降壓問題，為了配合一節鋰電池工作，也需要有盡可能小的體積和盡量低的成本。一般情況下功率也不大，其最高性價比的電路結構是反極性電荷泵式變換器。

3.1.3 高電壓驅動

高電壓驅動是指給LED供電的電壓值始終高于LED管壓降，如6V、12V、24V蓄電池，典型應用有太陽能草坪燈、太陽能庭院燈、機動車的燈光系統等。高電壓驅動LED要解決降壓問題，由于高電壓驅動一般是由普通蓄電池供電，會用到比較大的功率(如機動車照明和信號燈光)，應該有盡量低的成本。變換器的最佳電路結構是串聯開關降壓電路。

3.2 交流供電(市電驅動)

這是一種對LED照明應用最有價值的供電方式，是半導體照明普及應用必須要解決好的問題，交流供電(市電驅動)應用于LED驅動，一般要經過降壓、整流、濾波、穩壓(或穩流)等環節，使交流電源轉換為直流電源，然后通過適當的驅動電路為LED提供合適的工作電流，還要有比較高的變換效率、有較小的體積和較低的成本。另外，還應該解決安全隔離問題。考慮到對電網的影響，還要解決好電磁干擾和功率因數問題。對中小功率的LED，其最佳電路結構是隔離式單端反激變換器。對于大功率的應用，應該使用橋式變換電路。

4 LED驅動電源面臨的問題

LED照明燈具有巨大節能作用，將會取代傳統光源，從而引發人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環境，緩解全球日益嚴峻的能源危機，在LED大放異彩的同時，LED驅動電源則是LED產業鏈發展的保障，LED電源的品質直接制約了LED產品應用的可靠性，因此，在LED產業鏈逐步完善的今日，LED驅動電源的發展和成熟也至關重要。

由于LED是特性敏感的半導體器件，又具有負溫度特性，因而在應用過程中需要對其進行穩定工作狀態和保護，從而產生了驅動的概念。LED器件對驅動電源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。LED是2～3伏的低電壓驅動，必須要設計復雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源適配器。國際市場上國外客戶對LED驅動電源的效率轉換、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容的要求都非常高，設計一款好的電源必須要綜合考慮這些因數，因為電源在整個燈具中的作用就好比像人的心臟一樣重要。2009年，雖然金融危機對世界經濟的影響很大，但是歐美等國際市場對大功率LED電源的需求量還是很大，相應的高端LED產品的出口量受金融危機影響較小。2008年中國LED應用產品產值已超過450億元RMB，LED示范應用路燈、LED全彩顯示屏顯示器件、太陽能LED、景觀照明、消費類電子背光、信號、指示等應用仍然是主要應用領域。但是在市場一片繁榮的背景下，LED產品質量良莠不齊，對驅動電源的要求混亂，市場上LED產品如火如荼的發展態勢下，就LED驅動電源企業而言，目前面臨幾個挑戰。首先是驅動電路整體壽命，尤其是關鍵器件如電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命。其次是LED驅動器應挑戰更高的轉換效率，尤其是在驅動大功率LED時更是如此，因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散，電源轉換效率的過低，影響了LED節能效果的發揮。第三，以大調光比高效率地對LED調光，同時能夠保證在高和低亮度時顏色特性恒定。同時要降低成本，目前在功率較小(1～5W)的應用場合，恒流驅動電源成本所占的比重已經接近1/3，已經接近了光源的成本，一定程度上影響了市場推廣。

5 LED驅動電源發展的趨勢

LED由于環保、壽命長、光電效率高等眾多優點，近年來在各行業應用得以快速發展，LED的驅動電源成了關注熱點，理論上，LED的使用壽命在10萬小時以上，但在實際應用過程中，由于驅動電源的設計及驅動方式選擇不當，使LED極易損壞。當前很多廠家生產的LED燈類產品(比如護欄、燈杯、投射燈)，采用阻、容降壓，然后加上一個穩壓二極管穩壓，向LED供電，這樣驅動LED的方式存在極大缺陷，首先是效率低，在降壓電阻上消耗大量電能，甚至有可能超過LED所消耗的電能，且無法提供大電流驅動，因為電流越大，消耗在降壓電阻上的電能就越大，所以很多產品的LED不敢采用并聯方式，均采用串聯方式降低電流。其次是穩定電壓的能力極差，無法保證通過LED電流不超過其正常工作要求，設計產品時都會采用降低LED兩端電壓來供電驅動，這樣是以降低LED亮度為代價的。采用阻、容降壓方式驅動LED，LED的亮度不能穩定，當供電電源電壓低時，LED的亮度變暗，供電電源電壓高時，LED的亮度變亮些。

未來的方式是，先恒壓，再線性恒流整合方式。電壓保證在一定范圍內適應負載需要，按LED有不同的Vf值3～3.6V之間，可按LED實際數量乘于3V計算出最低值，再按3.6V電壓乘于數量計算出最大可能電壓值，最終確定電源部分需要調整的電壓范圍。再線性恒流源后端恒流，可以多路恒流源并聯使用，也可以單路多個恒流源增加電流使用。前端電壓源部分采樣檢測恒流源壓差，調整合適負載需求電壓，從而達到高效、靈活的驅動線路需求。恒流源需要低壓差線性恒流器件，線性恒流源有著很好的電流誤差，也會有很好的灰度表現。在小電流時可以有1～3V的壓差，在大電流方面必須要200～300mV低壓差，才會有較高的效率，那樣線性恒流源需要另外供電。其實每種驅動方式均有優、缺點，根據LED產品的要求、應用場合，合理選用LED驅動方式，精確設計驅動電源成為關鍵。

［1］周志敏．LED驅動電路設計與應用［M］．北京:人民郵電出版社，2006

［2］鄭久云．白光LED的應用與驅動［J］．現代顯示雜志，2009，(08):43～46

［3］顏重光．發展迅速的AC直接驅動LED光源技術［J］．電子產品世界雜志，2009，(02):64～66

［4］范俊杰．LED驅動電源的現狀與展望［J］．中國科技信息雜志，2009，(15):137～139

［5］馮勇．白光LED可控恒流源驅動系統設計［J］．電氣開關，2008，(02):29～31