大功率LED照明驅動匹配方式研究

文章分析了大功率LED 的原理和工作特性，LED 的特性也決定了驅動電源的性能要求，LED 照明適合恒流源驅動。然后具體分析了LED 驅動的幾種匹配方式，包括全部串聯、全部并聯、混聯、交叉陣列和分布式恒流架構。最后指出，對于大功率LED 照明來說，分布式恒流是未來驅動電源的發(fā)展方向。

引言

自從出現發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)以來，人們一直在努力追求實現固體光源。隨著科技的不斷進步，半導體材料應用技術的高速發(fā)展，白光LED 固體光源的性能得到不斷完善并進入實用階段。白光LED 是一種新興產品，在照明市場備受矚目。它與白熾鎢絲燈和熒光燈相比，主要優(yōu)點為體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長、響應速度快、耐振動和沖擊以及無污染。LED 固體照明是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后新的照明革命。

從第一批LED 進入市場的幾十年間，LED 的應用領域不斷擴展，包括：大屏幕彩色顯示、照明燈具、激光器、液晶顯示屏背光源、探測器、交通信號燈等。在全球能源緊缺、環(huán)保要求不斷提高的情況下，LED越來越多地進入到各種照明領域中，且LED 作為新一代照明光源在照明市場中所占的比重也呈現出逐年遞增的趨勢。專家預計，LED 產品將在十年內大范圍替代常規(guī)照明產品，屆時，LED 將能成為家喻戶曉的產品，帶來可觀的節(jié)能效果，LED 進入通用照明市場已經不再遙遠。

LED 雖然在節(jié)能方面比普通光源的效率高，但是LED 光源卻不像一般的光源一樣可以直接使用電網電壓，它必須配有專用的電壓電流轉換設備，提供能夠滿足驅動LED 的額定電壓和電流，才能使LED正常工作。不同的LED 照明燈具，不同的照明用途和功率大小，LED 驅動電源的規(guī)格也不同。所以，選擇合適、高效的LED 電源，選擇正確的驅動方式，才能真正展現LED 光源高效能的特性。

1 大功率LED 的工作特性

LED 的發(fā)光原理就是將電能轉換為光的過程，將電流通過化合物半導體，通過電子與空穴的結合，過剩的能量將以光的形式釋出，達到發(fā)光的效果。圖1 所示為正向導通壓降(VF)和正向電流(IF)的關系曲線圖，從圖中可以看出，當正向電壓超過某個閾值后，IF 隨著VF 的上升而快速上升，較小的電壓變化都會引起電流的較大變化。大功率LED 的光特性通常被描述為電流IF 的函數，圖2 所示為光通量和正向電流的關系曲線圖。LED 的光通量由流過LED 的電流決定，LED 光通量隨著流過LED 的電流的增加而增加，但卻不成正比，越到后面光通量增加得越少。電流過強會引起LED 的衰減，電流過弱會影響LED 的發(fā)光強度，因此應使LED 在一個發(fā)光效率最高的電流值下工作。采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED 的可靠性和壽命。這也決定著LED 照明適合恒流驅動而不是恒壓驅動，以保證大功率LED 使用的安全性，同時達到理想的發(fā)光強度。

另外，LED 的光通量和溫度也成反比關系，高溫會導致LED 的光輸出降低，LED 的光波長向長波漂移，發(fā)光顏色發(fā)生變化。且溫度的升高會使LED 的正向電壓降低，從而大大縮短LED 的壽命，加速光衰。圖3 所示為不同熱阻的的1W LED 的允許順向電流和環(huán)境溫度的關系曲線圖，從圖中可知，當溫度達到70～100℃時，LED 的恒流需要線性地減少，直到120℃這一點達到零，恒流下降點和減少斜率取決于散熱設計。因而，大功率LED 燈具必須要有良好的散熱性，對驅動電源而言，必須在溫度過高時能夠關斷輸出，起到保護作用。

2 大功率LED 與驅動電源的匹配方式

大功率LED 已經廣泛應用于照明、裝飾類等產品，在設計LED 照明系統時，需要考慮用什么樣的LED 驅動器，以及LED 作為負載采用的串并聯方式，合理的配合設計才能保證LED 正常工作。用LED 作為大功率照明燈具，通常都是由多顆LED 組成，少則十幾二十顆，多則上百顆。如此多的單獨的LED 組合在一起來組成發(fā)光組件構成照明燈具，已逐步應用于路燈、隧道燈、工礦燈、商用照明等場合。LED 的連接方式直接關系到其可靠性和使用壽命。

2.1 LED 采用全部串聯方式

如圖4 所示，LED 采用全部串聯方式，即將多個LED 的正極對負極連接成串，其優(yōu)點是通過每個LED 的工作電流一樣，一般應串入限流電阻R。串聯方式要求LED 驅動器輸出較高的電壓，當LED 的一致性差別較大時，分配在不同LED 兩端的電壓不同，通過每只LED 的電流相同，LED 的亮度一致性較好。

當有一顆LED 發(fā)生短路時，如果是采用恒壓電源驅動，由于輸出電壓不變，這樣分配到每顆LED 上的電壓都有升高，驅動器輸出電流將增大，如果超過LED 額定電流太多的話，容易造成余下的LED 光通量超過正常值而縮短壽命甚至燒毀。如果是采用恒流電源驅動，當一顆發(fā)生短路時，由于驅動電流不變，將不會影響余下所有LED 的正常工作。

當有一顆LED 斷路后，串聯在一起的LED 將全部不亮。這時只要在每個LED 兩端并聯一個齊納管即可，如圖5 所示，所選齊納管的導通電壓要高于與其并聯的LED 的導通壓降，否則該LED 也不會亮。

應用此串聯方式，當LED 數目較少時，電源兩端的輸出電壓不會太高。但是當LED 數目較多時，特別是大功率LED 路燈等，通常數目至少都有幾十顆，這樣為了使LED 正常工作，其驅動電源的輸出電壓必然會非常高。比如100 顆這樣的大功率LED 來組成照明燈具，必須要有超過300V的輸出電壓，而這樣高的電壓會對人身安全造成影響。