LED脈沖電流驅動與發光效率的研究

溫懷疆

(浙江傳媒學院 電子信息學院，浙江 杭州 310018)

引言

白光LED是2l世紀最具潛力的環保照明光源，具有節能、環保、壽命長、高可靠性等特點，符合當前低碳經濟的需求，現今工業量產白光LED發光效率已能夠達到100lm/W 以上[1]，將成為市場上主流照明光源。

眾所周知，影響發光效率的主要因素有內量子效率和外量子效率，但實際上驅動方式對于內量子效率和外量子效率也會有一定的間接影響。目前LED 驅動電路種類繁多，從小功率的簡單阻容降壓限流驅動，到功率管線性恒流驅動和開關技術實現的脈沖電流驅動[2-4]。本文將主要研究不同形式的電流脈沖注入方式下與LED發光效率的關系。

1 LED的脈沖驅動

LED驅動方式目前主要有恒電流驅動和脈沖電流驅動。恒流驅動是比較好的方式，但考慮到LED的大電流和低電壓特性，目前多數LED采用脈沖驅動方式，這種驅動方式的電源利用效率比較高，但在沒有對輸出電源進行良好濾波的情況下，其脈動成分比較高。

采用脈沖電流驅動時, 有兩個重要的因素要考慮：一是最大安全峰值電流與占空比的關系；二是在不同大小脈沖電流驅動條件下，LED的長期光性能。當脈沖電流的占空比一定時, 所輸出的平均亮度就取決于驅動脈沖的最大安全峰值電流，該最大峰值電流取決于LED的電流密度, 即在LED不被損壞且其光輸出衰減在允許范圍內的前提下, LED晶片每平方米允許通過的最大電流, 單位為A/m2[5]。

脈沖驅動使LED在一個周期脈沖內時亮時暗，由于人眼的“視覺暫留”效應，當頻率超過100 Hz時，人眼最終看到的就是平均亮度[6]，這種驅動可以用于LED顯示屏或是分區控制亮度的節能LED背光屏。脈沖驅動通過調整亮和暗的時間比例實現亮度控制。當LED接通時的最大電流為Ip。開關開閉周期為T，每次閉合時間ton，即占空比為D=ton/T時，LED的平均電流Ia為：

(1)

由式(1)可知，當T不變(即開關頻率固定)時，只要改變導通時間t，就可以改變LED兩端的平均電流，從而改變LED的亮度。

脈沖電流幅值的確定和重復頻率的選擇是LED脈沖驅動需要重點考慮的，即當脈沖驅動電流的平均值Ia應與直流驅動的電流值相同時，才能得到與直流驅動方式相當的發光強度。如圖1所示，平均電流是瞬間電流i的時間積分。對于矩形波，有

(2)

(3)

式中:IF為直流額定驅動電流值；Ia這脈沖驅動電流平均值；Ip為脈沖電流幅值；ton/T為占空比。

為了使脈沖驅動方式下的平均電流Ia與直流額定驅動電流IF相同，則需使其脈沖電流幅值Ip滿足：

(4)

圖1 LED的脈沖驅動Fig.1 The drive pulse of LED

通常我們會認為LED的發光強度基本上正比于通過LED器件的電流，因此當脈沖電流的平均電流與直流電流相等的條件下，LED的發光亮度一樣。實際是否如此，下面我們將進行相應的研究。

2 實驗及研究方法

本次實驗和研究中主要選擇兩大類LED器件，一種是φ5mm的小型白光LED，另一種是國產1W白光LED。實驗采用球型光度計和熒光光度計測光系統來測量LED的光通量，整個實驗系統由多功能可調信號發生器、壓控電流源以及光通量測量的裝置組成，其系統圖如圖2所示，其中可調信號發生器可輸出直流分量和交流分量都可調的方波、三角波以及正弦波電壓信號，去控制壓控電流源輸出的電流信號。壓控電流源系統的核心器件采用音頻線性功率放大器LM3886，其電壓轉換速率較高，可以達到19V/μs，同時輸出電流也可達4A，從實際研究的結果來看，這個可控脈沖源的效果很好，當脈沖頻率達到200kHz，脈寬只有2～3μs時，波形仍能保持良好的上升沿和下降沿，上升沿和下降沿可以做到小于1μs。

相關技術文獻[7]認為：用高幅值的脈沖電流驅動LED，通過調節脈沖的占空比獲得較合適的平均電流，這樣可以降低功耗。脈沖電流驅動LED可比直接恒流驅動的LED更亮，即獲得同樣的發光亮度，脈沖電流驅動方式比直流電流驅動方式所需要的平均電流值更小。采用脈沖電流驅動LED，與恒流控制方式相比，其控制效率比較高，另外還可去掉或減小限流電阻。因此，采用脈沖驅動方式更有利于節能。

根據筆者之前對脈沖法測量LED結溫進行研究的結果顯示：即使是有若干個很窄的連續脈沖電流注入LED，其結溫也會有較明顯的上升[8]，而結溫的上升會使其結電壓線性下降，相應的LED兩端承受的電功率也會隨之下降，光通量必然會下降，會對LED的發光效率產生負面影響。

圖2 實驗系統圖Fig.2 Pulse experiment system diagram

當采用脈沖方式驅動LED時，脈沖電流的波形形式以及工作頻率與發光效率可能存在一定的關系，有文獻顯示：當頻率超過一定范圍，器件將無法正常工作，LED的工作頻率是10 MHz到幾百MHz范圍內[7]。基于以上原因以及分析，設計了脈沖電流幅值占空比與發光效率、電流波形種類與發光效率、脈沖頻率(周期)與發光效率之間關系等幾個方面的實驗進行了較詳細的測量和研究。

3 實驗數據及分析

3.1 脈沖電流幅值占空比與發光效率的關系

在進行發光效率測量時，首先要進行輸入LED電功率的測量，LED電功率的計算方法為：

P0=IaUa=IpDUa=IFUa

(5)

式中：P0為輸入LED電功率；為Ia為脈沖驅動電流平均值；Ip為脈沖電流幅值；IF為定工作電流；Ua為平均電流響應電壓；D為占空比。

圖3為兩種LED在多倍額定工作電流脈沖作用下的LED的V-A特性，從圖3中可以看出其V-A特性遠沒有普通二極管那樣理想，其動態電阻也要比普通二極管大很多。

圖3 多倍額定電流下LED的V-A特性Fig.3 LED V-A characteristics at many times rated current

發光效率的計算公式為：

式中：η為發光效率；Φ為光通量。

圖4是以兩個φ5mm的LED為測量對象，取額定工作電流IF=20mA，脈沖頻率取3kHz,按前面關系式(2)-式(4)要求，分別測量1IF(占空比100%)、2.5IF(占空比40%)、5IF(占空比20%)、10IF(占空比10%)、20IF(占空比5%)以及30IF(占空比3.33%)這幾種具有相同平均電流值的脈沖電流下，LED發出的光通量，結合圖3數據以及式(5)-式(6)，計算出對應的發光效率，所繪制的發光效率與占空比的關系曲線。從曲線中可以看出，在平均電流相等的情況下，脈沖幅度越高，LED的發光效率越低，其變化規律為非線性。

出現以上現象，其主要原因是隨著注入電流的增加，注入勢阱中的電子數量也增加，擴散出勢阱的電子越多，內量子的效率越低[9-10]。

如圖5所示，在電流為I時，電子擴散到位置a處，并且隨著外加電流I的增加，a也將增大。把電子濃度分布近似成一定斜率的線段。勢阱區域是0～x0，在勢阱左側是N型半導體，在勢阱右側是P型半導體。可以推出電子濃度分布：

(6)

在(0，x0)中的電子總數：

(7)

在(x0，a)內的電子總數：

(8)

圖5 勢阱中電子濃度分布Fig.5 The electron concentration distribution in potential wel1

其中勢阱內的電子總數和總共注入電子數量之比記為M，稱為有效電子比例。M越大，內量子效率越高。

(9)

M對a求導得：

(10)

即隨著注入電子數量的增加，a也逐漸增大。a越大，M越小，內量子效率也越小。

隨著注入電子數量的增加，使更多的電子擴散出勢阱，發生無輻射復合，降低了芯片的內量子效率，進而降低了發光效率[11]。這剛好說明高峰值電流窄脈沖的驅動方式也可以影響LED的內量子效率。

3.2 脈沖頻率、占空比與發光效率的關系

圖6是以一個1W白光LED為測量對象，研究LED發光效率與不同占空比和不同頻率脈沖電流之間的關系所得到的曲線。在這次研究中，取1W白光LED的額定電流IF=340mA，分別取脈沖幅值340mA和680mA，占空比分別為40%、20%和10%，測量當脈沖電流的頻率從100Hz～20kHz時，LED的發光效率變化。從圖6中可以看出，如果采用脈沖驅動，頻率在200～2000Hz之間發光效率較高，過高和過低的頻率都會使LED的發光效率有所降低；在平均電流相等的情況下，脈沖幅度高發光效率低。在相同幅值電流下，占空比低的發光效率高，特別是在額定工作電流幅值下，減小占空比，LED的發光效率提升很快，10%占空比的效率可高于40%占空比的效率近30%，相比之下兩倍額定工作電流幅值下，減小占空比，LED的發光效率提升就不那么快了。

以上研究結論應用到LED背光源或顯示屏，從驅動頻率方面考慮建議驅動頻率不宜太高；從占空比角度考慮建議采用功率余量大的LED，這樣輸入額定值的低占空比的脈沖電流，可使其整體發光效率更高些，并有助于延長LED的壽命。

3.3 電流波形、紋波系數與發光效率的關系

圖7是以一個1W白光LED為測量對象，研究LED的發光效率與不同電流波形、不同紋波系數之間的關系所得到的曲線。在研究中，分別給LED注入方波、三角波和正弦波三種不同形式的脈沖電流，并且調節輸出到實驗系統壓控電流源的信號，使該信號的紋波系數在0.01～1之間變化，而整體電流的平均值與LED的額定工作電流相等，從而來研究

圖6 脈沖頻率、占空比與發光效率的關系Fig.6 The relationship of pulse frequency, duty ratio and luminous efficacy

該系數對LED發光效率的影響。紋波系數定義如下：

(11)

式中：Ip為峰值電流；Iv為谷值電流；Ia為平均電流。對于LED驅動，Ip、Iv均為正向電流。

圖7 紋波系數對發光效率的影響Fig.7 Effect of the influence ripple on LED luminous efficacy

從圖7中可以看出，對于LED的驅動來說，紋波系數越小發光效率越高，即驅動電流中的交流成分越小，發光效率越高，顯然恒流驅動最好，如果實際應用中紋波系數控制在0.2以下，發光效率與恒流驅動幾乎相差無幾；對于相同的電流驅動波形不同的紋波系數，光效最大可以分別相差5.5%(三角波)、7.2%(正弦波)和10.1%(方波)，另外同樣紋波系數為1的脈沖電流，三角波電流的LED發光效率大于正弦波電流和方波電流的，它們之間分別有1.5%和2.8%的差距。

目前為提高電源變換效率，LED廣泛采用220VAC-DC變換的脈沖電流驅動方式，但其輸出原始波形基本上是紋波系數接近1的方波，這樣看來提高LED發光效率與提高驅動電源效率還是一對矛盾，因此目前多數脈沖電流源，都會在LED端并上一個濾波電容，以降低紋波系數，提高發光效率。筆者測量了某品牌5W LED燈的紋波電壓為1.54V，紋波波形為近似三角波，平均電壓為16.48V，頻率為66kHz，紋波系數經測量為4.7%，加了4.7μF的濾波電容，LED基本處于一個比較良好的工作狀態。但一些廠商考慮到高頻大容量電容的成本、壽命、體積等問題，可能會減小這個電容，盡管這樣會降低LED的光效。

4 結論

LED有恒壓、恒流和脈沖等幾種驅動方式，恒壓驅動容易使LED過載損壞，線性恒流驅動效果好，但電源效率不容易做高，從而影響LED的整體效率，因此DC-DC或AC-DC變換的脈沖驅動還是目前LED驅動的主要方式。本文研究揭示了LED脈沖驅動中幾個可能影響發光效率的問題：①高峰值低占空比的脈沖電流驅動，LED的發光效率會受到較嚴重的影響，從理論的推導也得到相關的映證，這點與文獻[4]所提供的結論有明顯差異；②脈沖驅動的頻率在200～2000Hz范圍內，LED有相對較高的發光效率，這與文獻[4]所述LED的工作頻率范圍也有所不同；③額定電流值的低占空比的脈沖驅動，LED的發光效率會得到一定的提高；④脈沖電流的波形和紋波系數對LED的發光效率都會有一定影響，在參加測試的三角波、正弦波和方波三種電流波形中，三角波驅動光效最高，方波最低。此外脈沖電流驅動的紋波越大，LED的發光效率越低。

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