高效率 LED 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

隨著LED生產(chǎn)成本下降，越來(lái)越多應(yīng)用開始采用這類組件，包括手持裝置、汽車電子和建筑照明等。LED擁有高可靠性、良好效率和超快響應(yīng)速度，所以很適合作為照明光源。雖然白熾燈泡的成本很低，更換費(fèi)用卻可能很昂貴。街燈就是很好的例子，更換一個(gè)故障燈泡往往需要出動(dòng)多位人員和一輛卡車。也因?yàn)槿绱?，盡管LED和白熾燈泡的效率大致相等，許多街燈卻采用可靠性更高且更省電的LED。

白熾燈雖能發(fā)出連續(xù)光譜，卻常用于交通號(hào)志等只需綠光、紅光和黃光的場(chǎng)合。這類應(yīng)用須在白熾燈外加裝一個(gè)特定顏色的濾片，但它會(huì)造成六成的光能浪費(fèi)。LED則能產(chǎn)生特定顏色的光，而且只要接通電源即可立即發(fā)亮，不像白熾燈需要200ms的反應(yīng)時(shí)間，因此汽車產(chǎn)業(yè)早就將LED用于車燈。另外，DLP視訊應(yīng)用也以LED作為光源，利用高速開關(guān)的LED取代原有機(jī)械組件。

LED的I-V特性
圖1是典型InGaAlP LED的正向電壓特性。LED電路模型可表示為一個(gè)電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻，這個(gè)簡(jiǎn)單模型與實(shí)際測(cè)量結(jié)果很吻合。電壓源為負(fù)溫度系數(shù)，因此正向電壓會(huì)隨著接面溫度升高而下降。InGaAlP LED(黃色與琥珀紅)的溫度系數(shù)在-3.0～-5.2mV/K之間，InGaN LED(藍(lán)、綠和白色)則介于-3.6～-5.2mV/K之間。負(fù)溫度系數(shù)是造成LED很難并聯(lián)的原因之一，因?yàn)樵綗岬慕M件會(huì)汲取越多的電流，越多的電流又會(huì)讓它的溫度進(jìn)一步升高，最后就變成熱失控。

圖1 以電壓源和串聯(lián)電阻作為L(zhǎng)ED電路模型后得到的I-V特性曲線

圖2是輸出光強(qiáng)度(光通量)與操作電流的關(guān)系，可以看出輸出光強(qiáng)度與二極管電流的關(guān)系很密切，只要改變正向電流就能調(diào)整LED的亮度。另外，這條曲線在電流較小時(shí)很像是一條直線，但其斜率在電流升高時(shí)會(huì)變得較小。這表示當(dāng)電流較小時(shí)，只要二極管電流加倍就會(huì)讓輸出光強(qiáng)度加倍。電流較大時(shí)則非如此，此時(shí)電流加倍只會(huì)讓輸出光強(qiáng)度提高八成。這項(xiàng)特性對(duì)LED很重要，因?yàn)樗怯山粨Q式電源所驅(qū)動(dòng)，所以可能會(huì)遇到很大的紋波電流。其實(shí)電源供應(yīng)的成本在某種程度上就是由所允許的電流決定：紋波電流越大，電源供應(yīng)的成本就越低，只不過(guò)LED的輸出光強(qiáng)度也會(huì)受到影響。

圖2 LED效率在電流超過(guò)1A后開始下降

圖3是把三角紋波電流加到直流輸出電流后，輸出光強(qiáng)度減少的情形。由于紋波電流的頻率在多數(shù)情形下都遠(yuǎn)超過(guò)人眼所能分辨的80Hz，再加上人眼對(duì)光強(qiáng)度的反應(yīng)又呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，只要光強(qiáng)度減少不超過(guò)20%就不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，因此就算LED電流的紋波很大，光強(qiáng)度也不會(huì)明顯減弱。

圖3 紋波電流造成LED輸出光強(qiáng)度略為下降

紋波電流還會(huì)增加LED耗電量，造成接面溫度上升，并對(duì)LED的使用壽命產(chǎn)生很大影響。圖4顯示LED輸出光強(qiáng)度與時(shí)間及接面溫度的關(guān)系。我們?cè)O(shè)定80%的輸出光強(qiáng)度為L(zhǎng)ED的使用壽命，則從圖4中可看出，當(dāng)溫度從74℃降至63℃時(shí)，LED使用壽命會(huì)從10 000小時(shí)增加為25 000小時(shí)。

圖4 接面溫度升高會(huì)縮短LED的使用壽命

圖5是紋波電流造成LED功耗增加的情形。由于紋波頻率比LED的熱時(shí)間常數(shù)高，因此就算紋波電流很大 (以及峰值功耗很大)也不會(huì)影響峰值接面溫度——這個(gè)溫度主要是由平均功耗決定。LED的大部份電壓降就像是一個(gè)電壓源，所以電流波形不會(huì)對(duì)功耗造成影響。然而電壓降中仍會(huì)有某些電阻分量，這部份的功耗等于電阻值乘以均方根電流的平方。