恒流二極管的性能及其子LED驅(qū)動中的應(yīng)用

很早就已經(jīng)出現(xiàn)了恒流二極管，但是這種二極管并沒有引起人們的關(guān)注，因為它只是用于某些儀器儀表中作為電流的標準。然而近來隨著LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，這種二極管突然引起了廣泛的興趣。很多國外的大公司都開發(fā)出這種產(chǎn)品以供驅(qū)動LED，這是因為LED必須采用恒流源作為驅(qū)動的原因。下面我們將要深入討論一下恒流二極管的性能和應(yīng)用。

　　一．什么是恒流二極管

　　理想的恒流源是一種內(nèi)阻為無窮大的器件，不論其兩端電壓為何值，其流經(jīng)的電流永遠不變。當然這種器件是不可能存在的。實際的恒流二極管相當于一個在一定工作電壓范圍內(nèi)（例如25-100V），其電流恒定為某一值（例如20mA）。其等效電路如圖1所示。

　　圖1. 恒流二極管的等效電路

　　其內(nèi)阻為Z，并聯(lián)的電容大約為4-10pF。其典型的伏安特性如圖2所示。

　　圖2. 恒流二極管的典型伏安特性

　　它在某一個電壓范圍內(nèi)有一段恒流區(qū)間，在這個區(qū)間，流經(jīng)的電流幾乎不變，VL為到達IL的電壓值，IL大約為0.8Ip，Vb為擊穿電壓值。但是實際的恒流二極管并不是那么理想。圖3是美國Supertex的CL1恒流二極管的特性。它的電流仍然會隨電壓而有所增加。

　　圖3. 實際的恒流二極管的伏安特性

　　恒流二極管的另一個特性就是它的溫度特性，溫度特性通常用相對值%/°C或絕對值μA/°C來表示。這個溫度系數(shù)通常是負值。其值取決于恒流的值，恒流值越大，溫度系數(shù)也越大，通常在-0.4%~-0.6%之間。為了達到恒流的目的當然不希望電流隨溫度變動，所以通常需要采用溫度補償措施（圖4）。

　　圖4. 恒流二極管的溫度補償措施

　　采用溫度補償以后就可以把電流的溫度系數(shù)降低到很小的數(shù)字，例如Supertex公司的CL1的電流溫度系數(shù)只有-8.5μA/°C。

　　二．恒流二極管的構(gòu)成

　　最簡單的恒流二極管就是采用一個結(jié)型場效應(yīng)管（圖5）。

　　圖5. 用一個結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成恒流二極管

　　用兩個晶體三極管，也可以構(gòu)成一個恒流源（圖6）。

　　圖6. 用兩個三極管構(gòu)成一個恒流源

　　其電流為：I = Vbe/R1，

　　它雖然很簡單，但是缺點是不同型號的管子，其be電壓不是一個固定值，即使是相同型號，也有一定的個體差異。所以很難批量生產(chǎn)。為了克服這個缺點，就采用結(jié)型場效應(yīng)管來代替晶體管。同時在反饋回路里采用一個運放

　　圖6. 采用結(jié)型場效應(yīng)管和運放的恒流源

　　其電流：I = Vin/R1，這個恒流源還需要一個基準電壓Vin，最簡單的基準電壓就是齊納二極管，所以也可以利用一個齊納二極管和一個三極管或場效應(yīng)管來構(gòu)成恒流源。

　　圖7. 采用齊納二極管的恒流源

　　其所恒定的電流：I = （Vd-Vbe）/R1。

　　但是，所有以上結(jié)構(gòu)都是利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件來構(gòu)成恒流源。實際上現(xiàn)在已經(jīng)可以根據(jù)對恒流特性的要求，構(gòu)成專門的半導(dǎo)體器件而能具有所要求的恒流特性。其構(gòu)成如圖8所示。

　　圖8. 專門的恒流二極管結(jié)構(gòu)

　　當一個反向偏壓加到PN結(jié)的陰極和陽極時，這個恒流二極管開始導(dǎo)通，當反向偏壓增加到VL時（見圖2），其電流由于N區(qū)的體電阻也跟著增加，當電流增加到曲線的拐點時，在N區(qū)和P型柵之間形成一個耗盡層。這個耗盡層減小了N區(qū)中電流的路徑也就減慢了電流的增加速度。結(jié)果這個耗盡層遇到了P型柵于是就產(chǎn)生了夾斷效應(yīng)，這使得電流變成恒定而幾乎和所加電壓無關(guān)，直到所加電壓達到一個擊穿點Vb。如果所加電壓反過來，那么就相當于一個正向電壓加到一個PN結(jié)，其特性就和一個普通二極管加上正向電壓時一樣。

　　實際所采用的恒流二極管可分為4條管腳，3條管腳，和2條管腳三種結(jié)構(gòu)和封裝（圖9）。

　　圖9. 3種封裝的恒流二極管

　　其中4條管腳的恒流二極管主要用于可調(diào)恒流電流。

　　三．幾種恒流二極管的參數(shù)

　　下面列出幾種常用的恒流二極管的參數(shù)

　　四．恒流二極管的散熱

　　由于恒流二極管要吸收市電電壓的變化而有可能會承受很高的電壓，假如電流也很大的話，它的功耗有可能會相當大，也就必須要有很好的散熱，以免損壞內(nèi)部的芯片。恒流二極管的散熱主要取決于它的管殼封裝。各種不同封裝的散熱能力主要表現(xiàn)在它的熱阻。下面就來看一下各種封裝的熱阻。

　　由表中可見，On-semi公司的NSI50350ADT4G所采用的D-PAK具有最小的熱阻，其耗散功率高達11W。不過如果整個系統(tǒng)設(shè)計于這樣高的耗散功率也說明其效率不高，是需要避免的。

　　五．恒流二極管作為LED的驅(qū)動源

　　我們知道LED必須采用恒流源來驅(qū)動，否則由于它的負溫度系數(shù)，而會使電流急劇上升導(dǎo)致結(jié)溫升高，壽命縮短。而恒流二極管的恒流作用恰恰可以用來驅(qū)動LED。最簡單的方法就是直接和LED串聯(lián)。但是我們在把恒流二極管用于LED驅(qū)動時必須注意選擇恰當?shù)碾娏骱湍蛪骸?/p>

　　3.1 最低電壓

　　由于恒流二極管需要一定的電壓Vk才能夠進入恒流，所以太低的電源電壓是無法工作的。通常這個Vk大約在5-10V左右，所以大多數(shù)采用電池供電的LED是無法工作的。

　　3.2 最大電流

由于恒流二極管的功耗受到限制，所以過大的電流也是不合適的。例如1W的LED通常需要350mA，恒流二極管就很難提供。

　　3.3 目前比較合適的使用場合

就是交流市電供電的LED燈具，采用很多小功率LED串聯(lián)，也就是高壓小電流的情況是最為合適。

　　圖10就是一種用于球泡燈的恒流二極管驅(qū)動源。其負載是80顆3014，總功率為8W。所用的恒流二極管也是恒流在30mA。假如手頭的恒流二極管只有5mA的，就需要6個并聯(lián)。

　　圖10. 采用恒流二極管作為LED驅(qū)動電源

　　在這里，恒流二極管的作用就是要在輸入市電電壓變化時，保持輸出電流不變。但是由于恒流二極管的耐壓有一定的限制，所以它所能吸收的電源電壓變化也是有限的。就拿100V耐壓的CRD來說，用在220V市電電源里，都還只能對付有限的電壓變化。220V經(jīng)過橋式整流以后它的輸出直流電壓大約為264V。如果市電變化+10%，~-15%，就相當于整流后為290~187V，電壓變化103V。已經(jīng)超過其耐壓了。假如所用的LED為80顆，那么總電壓為264V，正好相當于220V經(jīng)過橋式整流以后的值。這時候恒流二極管上沒有壓降，但是這時候它是不能工作的而至少需要10V壓降，也就是要求整流后電壓為274V，市電電壓為228VAC。那時候恒流二極管壓降為最小，功耗也最小，只有0.03Ax10V=0.3W，整體效率為最高可達96%（當然還要考慮整流器的效率，實際上還會低一些）。如果市電增高至242VAC，那么恒流二極管電壓就增高為26.4V，其功耗也增加到0.79W，這時候效率就等于91%。

　　如果市電電壓低于228V，是不是恒流二極管就不工作呢？并不是，但的確是不恒流了，這時候它和LED就會達到一個新的平衡點，那就是二者的電壓和等于市電電壓經(jīng)過整流后的電壓。因為LED伏安特性的非線性，所以很難用公式來表示。總之，當市電電壓降低時，LED中的電流就會隨市電電壓的降低而降低。其亮度也會跟著變暗。

　　下面舉一個實測的結(jié)果為例，這是一個80顆3014串聯(lián)的球泡燈，采用了5顆Semitek 的S-562T并聯(lián)。它在不同的輸入市電電壓時，所測得的結(jié)果如下表所示。

　　由表中可知，當市電電壓在200~225VAC的服務(wù)內(nèi)變化時基本上可以保持恒流在27.1~27.8mA的范圍內(nèi)，而且效率在82.5%~95.79%范圍內(nèi)，即使在輸入電壓過低而無法恒流時，它的效率還能高達98-99%，這是采用恒流二極管的一個很大的優(yōu)點。

　　它的唯一的缺點是功率因素比較低，只有0.535~0.543。

　　3.4無源功率因素校正

　　如果需要提高功率因素可以采用無源功率因素校正（見圖11）?？梢园压β室驍?shù)提高到0.9左右，但是會增加兩個大電解電容（22uF，250V）和三個二極管，在球泡燈里會受到體積的限制，而且成本會提高、效率也會降低。

　　圖11 無源功率因素校正

　　3.5有源功率因數(shù)校正

　　假如要求更高的功率因數(shù)，就可以采用有源功率因數(shù)校正。

　　美國安森美公司加了一個功率因素校正芯片NCP1014的恒流二極管的電源，其電原理圖見圖12。

　　圖12. 非隔離式電源原理圖

　　這個電源的基本指標如下：

　　圖13. NCP1014LEDGT外形圖

　　其實這個電源的核心就是一個恒流二極管NSI45025，以確保LED恒流在25mA。所以它只能用于小功率貼片式的LED。其中外加的集成電路NCP1014實際上是一個有源式的功率因數(shù)校正（PFC），可以把它的功率因數(shù)提高到》0.9以滿足美國能源之星的要求。輸入端的L1，C1，C2是一個防電磁干擾EMI的濾波器。它的缺點是非隔離，所以220V會直接加到負載LED上。但是歐盟IEC 61347-2-13 （5/2006）標準規(guī)定在LED負載端電壓不可超過25VAC或35VDC。所以采用非隔離電源是無法出口歐盟的。

　　六．使用恒流二極管時的性能擴展

　　在選用現(xiàn)有的各種型號恒流二極管時經(jīng)常遇到所需要的電流或電壓不能滿足要求的情況。下面介紹幾種方法解決這些問題。

　　6.1 加大恒流電流

　　為了加大電流，最簡單的方法就是用幾個恒流二極管并聯(lián)（圖12），

　　圖12. 多個恒流二極管并聯(lián)以增大電流

　　但是這會增加成本，因為恒流二極管比較貴。另一個簡單的方法，就是用一個晶體三極管來加大電流。圖13表明了采用NPN和PNP三極管進行電流放大的電原理圖。

　　圖13. 采用NPN和PNP三極管加大恒流電流

　　它們實際上都是利用小電流恒流二極管提供三極管的基極電流，經(jīng)過三極管放大β倍以后再供給負載。圖14表明其輸出電流和R1的關(guān)系。

　　圖14. 放大以后的恒流特性

　　其實這種方法在批量生產(chǎn)中是行不通的，因為各個晶體三極管的β有所不同，輸出的恒流值也不同。除非對三極管的β值進行挑選分檔，那也會增加成本。但可以用于對恒流值的精確度要求不高的場合。

　　6.2 增高耐壓

　　有不少現(xiàn)成的恒流二極管的耐壓往往不夠高，當然最簡單的方法就是用兩個或幾個恒流二極管串聯(lián)。同樣這樣成本就會增高。也可以用增加一些其它器件來提高。

　　1.串聯(lián)齊納管

　　最簡單的方法就是和恒流二極管串聯(lián)一個齊納二極管來提高耐壓（圖15）。

　　圖15 采用齊納二極管來增高耐壓

　　這種方法可將起始電壓提高到齊納二極管的電壓V2，但是在低于這個電壓時，也就無法恒流。

　　2.串聯(lián)一個MOS管來增加耐壓（圖16）

　　圖16. 串聯(lián)一個MOS管來增加恒流二極管的耐壓

　　但是這時由于MOS管承擔(dān)了大部分耐壓，因而其功耗很大，效率降低。有一個實例采用了75個小功率LED串聯(lián)后，再兩串并聯(lián)。恒流于34mA。在最高輸入電壓時，MOS管上壓降達70V，功耗2.38W，還需要很好的散熱器散熱。

　　下面是實測的結(jié)果。

　　在最高輸入電壓時的總效率只有67%，所以還是應(yīng)當采用足夠耐壓的恒流二極管。

　　6.3 采用恒流二極管時的PWM調(diào)光（圖17）

　　圖17. 用PWM信號來對恒流二極管供電的LED調(diào)光

　　采用PWM信號調(diào)光以后可以避免由于改變電流而引起的光譜偏移。但是不能采用只有兩條管腳的恒流二極管，而必須采用帶有控制開斷管腳的至少3條管腳的恒流二極管。

　　七．結(jié)束語

　　采用恒流二極管作為LED的恒流驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)點。尤其適合于小功率市電LED燈具，如球泡燈和日光燈和吸頂燈。但是由于受到功耗的限制，它只能用于高壓小電流的情況。負載只能是多個小功率LED的串聯(lián)或是采用集成的“高壓LED”。而且，如果直接采用交流整流，電容濾波的方案，會有功率因素不高的缺點，而必須采用無源功率因素補償?shù)姆桨浮＿@些都是在使用時需要考慮的。