直流LED光源驅(qū)動電路的選擇與應(yīng)用

孫菁陽

(東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

LED光源就是發(fā)光二極管(LED)為發(fā)光體的光源，這種光源具有效率高、壽命長、耗電低、節(jié)能環(huán)保等特點，因此得到社會各界廣泛關(guān)注，近年來LED光源得到了快速發(fā)展，其光效快速提高，成本持續(xù)下降[1]，平均使用壽命(維持到初始光通量70%的時間)達10萬小時，大約是普通白熾燈壽命的100倍，大有一種取代傳統(tǒng)光源的趨勢.

LED光源同樣也是電光源的一種，需要將電能轉(zhuǎn)換為光能，我們常見的傳統(tǒng)光源一般需要市電AC220V來驅(qū)動發(fā)光，而LED光源由于發(fā)光原理和其半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)光源不同，目前我國還沒有AC220V驅(qū)動發(fā)光LED光源的成品燈具，市售LED光源一般均為直流驅(qū)動，即LED燈具是由LED光源和其直流驅(qū)動電路兩部分組成.LED光源的理論壽命達10萬小時，然而LED燈具是否也能達到10萬小時，這決定于驅(qū)動電路的壽命，同時選擇合理的驅(qū)動電路，也是LED燈具能夠?qū)崿F(xiàn)光源其他優(yōu)點的一個有力地保障.

1　LED發(fā)光原理

LED主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成，半導(dǎo)體芯片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中.PN結(jié)芯片是由P型和N型半導(dǎo)體組成的，P型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是電子，二者緊密結(jié)合，形成PN結(jié)，如圖1所示[2,3].

圖1　LED發(fā)光示意圖

未加電壓，PN結(jié)也存在一定的勢壘，當(dāng)加正向偏壓時，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài).在外電場作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U散運動，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴的復(fù)合，同時釋放出相對應(yīng)的能量而發(fā)光.當(dāng)加反向偏壓時，PN結(jié)截止，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光.

2　驅(qū)動電路

2.1　LED的特性

所謂伏安特性，即流過PN結(jié)的電流隨電壓變化的特性，如圖2所示，LED的正常工作區(qū)域是圖2中的AB段，超過B點，LED很可能被燒壞.

圖2　LED伏安特性曲線

反向特性曲線變化較為陡峭，當(dāng)電壓超過Vc閾值時，電流會出現(xiàn)指數(shù)式上升，而且電流上升的極快，在這個范圍更容易損壞LED光源.

2.2　驅(qū)動的原理

圖3所示是某高亮度LED光源的正向電流與其發(fā)光的光通量的關(guān)系，隨著兩端的電壓逐漸升高，流過LED的電流也在不斷加大，LED所發(fā)出的光也就越來越亮.

正向電流/mA圖3　LED正向電流與光通量的關(guān)系

不同種類的LED正向電流與其發(fā)光的光通量的關(guān)系雖有差異，但是差別非常小.由圖2可知，當(dāng)正向電壓超過某個閾值VA，即通常所說的導(dǎo)通電壓之后，可近似認為，I與V成正比，當(dāng)LED正向電流大于某一值時，LED才能有效地發(fā)光，因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發(fā)光亮度.但不同LED通過可以發(fā)光的電流各不相同，如指示類的LED(小功率)大約為5～30 mA時就可發(fā)光.因此要使LED發(fā)光就必須要有一個可提供能夠穩(wěn)定的發(fā)光電流電源，這個低壓電源即是驅(qū)動電路.

2.3　恒壓、恒流電源

恒壓電源又叫穩(wěn)壓電源，要求輸出電壓值固定，不隨負載、輸入電壓等外部工作條件而變化，理想的恒壓電源的內(nèi)阻為零，使用時不能短路.

恒流源的開關(guān)電源實際上就是在恒壓源的基礎(chǔ)上，內(nèi)部在輸出電路上，加上取樣電阻，電路保證這個取樣電阻上的壓降不變，來實現(xiàn)恒流輸出的.恒流源則是在負載變化的情況下，能相應(yīng)調(diào)整自己的輸出電壓，使得輸出電流保持不變，理想的恒流電源的內(nèi)阻為無窮大，使用時不能開路.

2.4　驅(qū)動電路的分類

LED的驅(qū)動電路就是保證光源正常工作的直流電源，其制約著LED燈具的各項性能指標，通常LED驅(qū)動電路有以下幾種方式[4-6]：電阻驅(qū)動、恒壓驅(qū)動、恒流驅(qū)動.

2.4.1電阻驅(qū)動電路

在LED的供電回路串聯(lián)一個限流電阻，通過調(diào)節(jié)限流電阻的阻值，就可以改變LED的驅(qū)動電流，此方法最為簡單,通過LED中的工作電流為

式中U為供電電源電壓，UL為LED上PN結(jié)壓降，R為供電回路限流電阻.

在設(shè)計此電路時，可根據(jù)LED光源的正常工作電流來選取R值，因為U和UL都是已知條件.需要注意的是，LED發(fā)光的工作電流不是一個點，而是一個范圍，選取R值時，要考慮U的波動范圍，只要U的波動在正常范圍內(nèi)，R就可以將通過LED的電流限制在其所允許的范圍內(nèi)，而不會使LED損壞.R值是通過理論計算得到的數(shù)值，實際阻值表中不一定正好有這個計算的電阻，這時我們可以通過湊值法來解決這個問題，即根據(jù)理論值，在標準阻值表中選取數(shù)個不同的電阻串聯(lián)起來，使串聯(lián)電阻值的和等于或約等于(最接近)理論值

R=R1+R2+…+Rn

式中R為計算理論阻值，R1…Rn阻值表中標準電阻.選取R值時，不僅僅選擇阻值，還要根據(jù)LED通過的工作電流選取適合的電阻功率，防止限流電阻過熱而損壞.正常工作時，U和UL都以固定值保持不變，限流電阻R就能將工作電流I穩(wěn)定在額定發(fā)光的電流，即LED可正常工作.

2.4.2恒壓驅(qū)動電路

恒壓驅(qū)動就是保持LED兩端電壓不變來驅(qū)動其發(fā)光的.我國市電均為AC220V，滿足LED所要求的工作電壓就必須經(jīng)過將AC220V降壓、整流、濾波，穩(wěn)壓等過程才能滿足要求，常見的、簡單的整流電路就是單項全橋，整流輸出的直流是一個脈動的電壓波形，盡管濾波、穩(wěn)壓，但局限于LED光源的尺寸及安裝的外部環(huán)境，要達到一條標準的直線電壓波形比較困難.

如圖2所示，LED正常工作在第一象限中的AB段，這是一個較短的工作區(qū)，電壓的微小波動都有可能導(dǎo)致流過LED的電流成倍增加，從而易導(dǎo)致LED過流損壞.

LED發(fā)出的光譜范圍是比較窄的，由于每種材料的禁帶寬度不相同，所釋放出的光子波長也不同，我們能看見的可見光顏色也就不同.目前，市面上LED的種類較多，形狀各異，應(yīng)用的場所也各不相同，發(fā)光顏色不同，其管壓降也不相同，其中：紅色的壓降為2.0～2.2 V；黃色的壓降為1.8～2.0 V；綠色的壓降為3.0～3.2 V；白色的壓降約為3.5 V.如采用恒壓驅(qū)動電路，為保證每一種顏色LED發(fā)光，就必須配備各種電壓等級的電源，這樣就使得驅(qū)動電路過于雜亂，規(guī)格難以統(tǒng)一，給生產(chǎn)和維護造成很大的困難.同時，對輸出電壓波形的品質(zhì)要求極高(生產(chǎn)成本也隨之升高)，而輸出波形的微小波動，都可能對LED造成很大的損害.

2.4.3恒流驅(qū)動電路

恒流驅(qū)動電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高，所以說恒流驅(qū)動是驅(qū)動LED較為理想的電路[7-9].恒流驅(qū)動電路分為交流輸入(AC220V和AC12V)和DC直流輸入，本文以美國國家半導(dǎo)體芯片為例，簡要介紹AC12V/DC恒流驅(qū)動的一些特點.

AC12V是酒店及商場中廣泛應(yīng)用的鹵素?zé)舻碾娫?，現(xiàn)有的LED可以在保留現(xiàn)有交流12 V的條件下，針對替代鹵素?zé)暨M行設(shè)計，美國國家半導(dǎo)體LM2734的主要優(yōu)勢是體積小、可靠性高、輸出電流高達1A，該芯片采用可提高功率密度的高性能工藝技術(shù)制造，并且采用具有更高散熱能力的SOT封裝，恰好適合鹵素?zé)魺艨谥睆叫〉奶攸c，且LED能滿足鹵素?zé)粼炼鹊囊?

如圖4所示，采用美國國家半導(dǎo)體芯LM2734的恒流驅(qū)動電路，利用LM321運算放大器獲取采樣電阻Rset上的電壓，結(jié)合其它電阻和電容就可以構(gòu)成一個完整、高效率的大功率LED恒流驅(qū)動電路，LM2734各個引腳功能如下：

BOOST為驅(qū)動內(nèi)部NMOS控制開關(guān)的升壓電壓.在BOOST和SW引腳之間連接一個自舉電容.

GND為信號和電源地引腳.將反饋網(wǎng)絡(luò)的底部電阻盡可能靠近該引腳進行精確調(diào)節(jié).

FB為反饋引腳.將FB連接到外部電阻分壓器來設(shè)置輸出電壓.

EN為啟用控制輸入.邏輯高電平使能操作.不要允許該引腳懸空或大于VIN+ 0.3 V.

VIN為輸入電源電壓.連接一個旁路電容到這個引腳.

SW為輸出開關(guān).連接到電感，鉗位二極管和自舉電容.

圖4　LM2734組成AC12V/DC電路

圖4所示舉例的LED工作電壓1.25 V，工作電流是350 mA，為防止FB反饋引腳產(chǎn)生更大的功耗，在FB腳采用LM321運算放大器反饋輸入，LM321的輸入均是高阻輸入，能有效降低如采用反饋電阻引入FB其電阻功耗，為進一步降低LED燈具功耗，采樣電阻RSET的阻值也要盡可能選取小數(shù)值，采樣電阻RSET(假定RSET=1Ω)功耗為

式中IF為LED的工作電流，由此可以看出，采樣電阻RSET對恒流驅(qū)動電路非常重要，不僅影響驅(qū)動電路的效率和輸出電流，如其功率選擇過小，更易發(fā)熱燒壞，將直接減少驅(qū)動電路的使用壽命.

驅(qū)動電路圖中LM2734的反饋回路是由運算放大器LM321、采樣電阻RSET和電容CC、電阻RC、RFB2、RFB1及穩(wěn)壓管VD3組成的，而LM321本身的反饋回路是由電容CC、電阻RC、RFB2、RFB1及穩(wěn)壓管VD3組成.

驅(qū)動電路正常工作時IF保持不變，如果負載或輸入發(fā)生變化，導(dǎo)致IF發(fā)生改變，則采樣電阻RSET上的電壓URSET=IF×RSET也隨即發(fā)生變化ΔU，使LM321的兩輸入端不平衡，其輸出端即產(chǎn)生一個變化的輸出，這個輸出便由FB腳輸入到LM2734 的內(nèi)部電路進行計算，控制輸出端SW的輸出電壓U發(fā)生變化.由于電路采用的是負反饋，如IF增加，輸出端SW的電壓U就減少；IF減少，輸出端SW的電壓U就增加，來維持IF的恒定，以確保驅(qū)動電路的恒流輸出.

3　驅(qū)動電路的選擇及應(yīng)用

LED光源比較突出的優(yōu)點就是節(jié)能、環(huán)保、壽命長，壽命由光衰決定，光通量隨結(jié)溫升高急劇下降，造成LED的壽命縮短[10,11]，同時LED伏安特性具有負溫度系數(shù)的特點，也就是隨著PN結(jié)溫度的升高，其伏安特性左移，假如所加的電壓為恒定，那么顯然電流會增加.即溫度升高，電流增加，光通量下降，從而溫度繼續(xù)升高，電流繼續(xù)增加，光通量繼續(xù)下降，進入使LED壽命縮短的惡性循環(huán)，因此在選擇驅(qū)動電路時，必須在設(shè)計的原理上和實際應(yīng)用中都要避免進入這個惡性循環(huán)，來配合LED光源使燈具的綜合壽命得以有效地延長.

LED光源的燈具種類多、品種雜、應(yīng)用范圍廣，本文不一一列舉，根據(jù)上述的分析就目前常見的LED及驅(qū)動進行歸納總結(jié)，如下：

(1) 指示類

交流、直流電源或開關(guān)提示工作狀態(tài)的一類LED光源，采用電阻驅(qū)動(非常成熟).

(2) 背光類

作為裝飾照明的燈帶(燈條)，一般多為12 V驅(qū)動，也有24 V驅(qū)動.常規(guī)12 V的LED燈帶電路結(jié)構(gòu)為串并聯(lián)電路，就是采用三顆LED加一顆貼片電阻進行串聯(lián)，組合成一組分電路；而每條LED燈帶是由10組分電路組合并聯(lián)而成.一般情況，目前市面工程大都采用恒壓(開關(guān)電源)驅(qū)動，但必須根據(jù)LED的數(shù)量確定燈條的功率，計算開關(guān)電源的輸出電流.

(3) 室內(nèi)照明類

室內(nèi)照明LED產(chǎn)品較多：LED日光燈，LED射燈，LED球泡燈，LED天花燈，LED柜臺燈等，盡管種類較多，其連接的方式也就是串聯(lián)型、并聯(lián)型和既采用串聯(lián)又采用并聯(lián)的混連形式[12].

每種連接方式有其各自的特點和適用情況，串聯(lián)型連接方式的特點是所有 LED的恒流特性一致性好，但是當(dāng)串聯(lián)數(shù)目較多時，其中一顆 LED燈珠發(fā)生損壞時，對其他所有的燈珠都會造成影響.并聯(lián)型的特點是并聯(lián)的LED之間相互獨立性好，其中某個LED發(fā)生損壞不至于影響到其它的燈珠正常工作，但是并聯(lián)數(shù)目的增大必然導(dǎo)致線路總電流的增大.混連方式是一種結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)各自的優(yōu)勢的連接方式，尤其適合LED個數(shù)較多、應(yīng)用功率較大的時候.如果考慮到無論什么時候當(dāng)其中一個LED燈珠發(fā)生損壞時其他燈珠的照明不受影響.從LED壽命方面考慮，采用恒流驅(qū)動(價格高)為最好的選擇[13,14]，但目前市售燈具也有采用恒流驅(qū)動(價格低).

(4) 直流電源供電類

這一類的LED產(chǎn)品涵蓋手持式移動照明和汽車應(yīng)用照明，即理論上的DC/DC驅(qū)動電路，可采用DC/DC轉(zhuǎn)換芯片，構(gòu)成恒流驅(qū)動電路，以實現(xiàn)產(chǎn)品的成本與壽命的最優(yōu)配合.電阻驅(qū)動電路效率不高，可考慮應(yīng)用于手持式且結(jié)構(gòu)較簡單的產(chǎn)品上，以降低其成本.

總之，一般情況下，如LED采用恒壓源驅(qū)動，很小的電壓變化將引起很大的電流變化，電流變化勢必會影響發(fā)光強度，使其忽明忽暗，因此恒壓驅(qū)動只適用于要求不高的小功率場合下，在要求高的場合和大功率場合下LED都要采用恒流驅(qū)動.

4　結(jié)　　論

直流LED驅(qū)動電路的電阻驅(qū)動應(yīng)用較為廣泛，而利用開關(guān)電源組成的恒壓驅(qū)動，可以說也應(yīng)用的非常之多(其實在LED的內(nèi)部大多數(shù)已經(jīng)集成了限流電阻，本質(zhì)上仍是電阻驅(qū)動，只是外部提供的開關(guān)電源是恒壓電源，才稱為恒壓驅(qū)動)，大功率LED是指擁有大額定工作電流的發(fā)光二極管，普通LED功率一般為0.05 W、工作電流為20 mA，而大功率LED可以達到1 W、2 W、甚至數(shù)十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安，對大功率驅(qū)動應(yīng)采用恒流驅(qū)動，但也有采用開關(guān)電源恒壓驅(qū)動.

市售的LED燈具，在廣告宣傳上使用壽命一般是5萬小時，可有些燈具使用不到兩個月就壞掉了，去除一些無良廠商的假冒偽劣產(chǎn)品外，百分之九十以上的LED燈具，都是驅(qū)動電路損壞導(dǎo)致的.驅(qū)動電路大都由半導(dǎo)體元件，如電阻、電容、電感等組成，這些元件任何一個損壞，都會導(dǎo)致驅(qū)動電路整體報廢或者是部分功能的喪失，因此說驅(qū)動電路是LED燈具最重要也是最薄弱的環(huán)節(jié).

最重要是指無論LED光源質(zhì)量有多好，技術(shù)多先進，離開驅(qū)動電路，LED燈具就無法點亮發(fā)光，最薄弱是指驅(qū)動電路的正常工作壽命遠遠低于LED光源的使用壽命.延長驅(qū)動電路壽命又不易增加太多的成本，通用的作法是驅(qū)動電路的成本不宜超過LED燈具總成本的三分之一，而驅(qū)動電路本身的發(fā)熱又與LED光源發(fā)熱進行疊加，又對光源壽命造成嚴重的影響.可以說，驅(qū)動電路與LED光源不同步、不均衡的發(fā)展，是制約著LED燈具壽命長的重要因素，因此選擇、應(yīng)用適合的驅(qū)動電路是LED燈具成本與壽命良好的結(jié)合，是推動LED光源快速、穩(wěn)健發(fā)展的重要環(huán)節(jié).

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