LED及其驅(qū)動電路設計基礎

　　前言

　　照明伴隨著人類文明的發(fā)展已經(jīng)有幾千年的歷程。從最原始的鉆木取火到種類繁多的各種光源，如白熾燈、鹵素燈、日光燈、節(jié)能燈、LED燈等等，照明產(chǎn)品不斷向著高效、節(jié)能、環(huán)保、高科技方向發(fā)展。LED的誕生和發(fā)展為人類照明提供了高質(zhì)量、絢麗多彩的光環(huán)境。它被廣泛的應用于民用照明、工業(yè)照明、醫(yī)療照明、汽車照明等不同領域。隨著LED在各個領域的不同應用需求，LED驅(qū)動電路也在不斷進步和發(fā)展。本文針對LED和LED驅(qū)動電路設計作了相應的介紹、分析和展望。

　　LED 和傳統(tǒng)光源相比較的特點

　　相對于傳統(tǒng)光源，LED具有顯著的優(yōu)勢：

　　LED發(fā)光是由電能直接轉(zhuǎn)換成光的過程。比較起傳統(tǒng)光源，如白熾燈先由電能轉(zhuǎn)化為熱能，然后再由熱能轉(zhuǎn)化成光能的發(fā)光的發(fā)光過程，LED具有高光效，節(jié)能的優(yōu)勢，此外在適當?shù)尿?qū)動條件下，LED燈具有壽命長等特點。

　　LED具有發(fā)光響應塊，光源造型多變，色彩控制靈活的優(yōu)點。

　　LED和傳統(tǒng)光源相比具有良好的低溫特性。

　　LED和傳統(tǒng)光源相比，不存在諸如水銀、鉛等環(huán)境污染物，因此更加綠色環(huán)保。

　　盡管LED比較起傳統(tǒng)光源具有名顯優(yōu)勢，但是目前LED燈成本較高，驅(qū)動電路設計、光學系統(tǒng)、機械設計比較復雜。

　　LED 發(fā)光原理

　　LED–Light Emitting Diode發(fā)光二極管，是一種能發(fā)光的半導體電子元件。LED發(fā)光是一種注入式電致發(fā)光。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。而光的波長決定了光的顏色。

　　發(fā)光波長：

　　式中：h—普朗克常數(shù)； c—光速；—半導體的禁帶寬度。

　　LED 發(fā)光原理如圖1所示：

　　圖1 LED 發(fā)光原理

　　LED 結(jié)構(gòu)

　　LED基本機構(gòu)包括LED芯片、電極、焊接線，以及構(gòu)成LED整個封裝機械部件和光學部件如LED芯片支架、透鏡、硅膠、環(huán)氧樹脂、熒光粉等。

　　LED分為單芯片封裝，多芯片封裝產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展部分保護元件或部分LED驅(qū)動電路元件也和LED芯片一同封裝。

　　單芯片LED 基本結(jié)構(gòu)如圖2，圖3所示：

　　圖2 SMD封裝 LED結(jié)構(gòu)　　 圖3 插件封裝 LED結(jié)構(gòu)

　　LED 主要參數(shù)

　　電參數(shù)

　　最大正向工作電流IF：是指LED正常工作情況下，允許加在LED的最大的正向電流值。

　　最大浪涌電流IFM：允許加在LED的最大的浪涌電流值。

　　正向工作電壓VF：是在給定的正向電流下得到的二極管正向工作電壓。

　　最大反向電壓VR：LED PN結(jié)所允許的最大反向電壓。

　　額定功率PD：允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流乘積的最大值。

　　光學參數(shù)

　　峰值發(fā)射波長p：光譜輻射功率最大的值所對應的波長。

　　光譜半波寬Δλ：峰值發(fā)射波長的輻射功率的1/2所對應兩波長的間隔。

　　光通量Φv：通過發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時，器件光學窗口發(fā)射的光通量。

　　光強：點光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，單位坎德拉（Cd）。

　　半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。半角值二倍為視角（半功率角）。

　　色度坐標x、y、z：1931CIE-XYZ系統(tǒng)，就是在RGB系統(tǒng)的基礎上，用數(shù)學方法，選用三個理想的原色來代替實際的三原色。從而將CIE-RGB系統(tǒng)中的光譜三刺激值 和色度坐標r、g、b均變?yōu)檎怠?/p>

　　顯色指數(shù)CRI：與標準的參考光源相比較，一個光源對物體顏色外貌所產(chǎn)生的效果。換句話說，CRI是一個光源與標準光源（例如日光）相比較下在顏色辨認方面的一種測量方式。

　　色溫TC（Color Temperature）：光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時，稱黑體的溫度（TC）為光源的色溫度。

　　其它參數(shù)

　　操作溫度：發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。

　　熱阻：熱流通道上的溫度差與通道上耗散功率之比，LED的熱阻定義（Rth j-s）：從PN結(jié)（j） 到焊點（s）的熱阻。

　　結(jié)溫：LED P-N 結(jié)區(qū)所能承受的溫度的額定最大值。

　　常規(guī)特性曲線

　　LED 常規(guī)特性曲線如下圖所示。以下常規(guī)特性曲線基于OSRAM LCW CRDP.PC 規(guī)格書舉例說明：

圖4相對光通量和LED驅(qū)動電流 圖5 LED 正向?qū)娏骱蚅ED正向?qū)▔航?/p>

圖6 LED溫度和LED正向?qū)▔航怠　?圖7相對光通量和LED溫度

圖8色坐標和LED溫度 　　圖9最大正向?qū)娏骱蚅ED溫度

圖10 LED抗脈沖電流沖擊曲線

　　LED在電路中的連接方式

　　LED在電路中的連接方式主要包括串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)混合連接。

　　LED 串聯(lián)

　　LED串聯(lián)連接方式的特點是總壓降等于所有LED壓降之和，每顆LED電流相等。由于各串聯(lián)LED工作電流相等，每顆LED的光通量輸出和壽命具有良好的一致性。但是在光通量要求比較高而且LED驅(qū)動電流已經(jīng)限定的情況下，需要較多顆數(shù)的LED串聯(lián)， 因此LED串連的壓降比較高，對于元件額定電壓的選擇，以及安規(guī)設計有比較高的要求。另外由于每顆LED正向?qū)▔航档牟煌ㄌ貏e是不同電壓Bin的情況下）容易造成不同批次或同一批次不同LED負載電壓公差比較大，特別是相對于同樣流明輸出的LED并聯(lián)情況下LED負載變化范圍比較寬。在恒流精度要求比較高的情況下要求驅(qū)動電路有比較好的負載調(diào)整率。

　　LED串聯(lián)使用并在恒流驅(qū)動條件下，當其中一顆或幾顆短路時，其它未短路的LED可以正常工作，但其中任何一顆或幾顆LED開路情況下，其它LED 將無法點亮。

　　LED串聯(lián)，如下圖11所示：

　　圖11 LED串聯(lián)電路

　　LED 并聯(lián)

　　并聯(lián)連接方式的特點是總電流等于各并聯(lián)LED電流之和，加載在各串LED的電壓相等。由于LED最大電流的限制，可用多個較小額定電流的LED并聯(lián)來實現(xiàn)較高的光通量輸出。由于LED并聯(lián)電壓相對比較低，因此對LED驅(qū)動電路元件的額定電壓要求比較低，額定電流要求比較高。但是如果各LED正向?qū)▔航挡煌ㄌ貏e是在LED不同電壓Bin的情況下），容易造成各LED不均流，從而導致LED亮度不均勻。隨著LED結(jié)溫的不斷升高，這種不均流將加劇，在不均流比較嚴重的情況下如果驅(qū)動電流大于LED最大工作電流時容易造成LED損壞。為減小此種不均流現(xiàn)象，可以通過選用同一電壓Bin的LED 進行并聯(lián)使用。

　　LED并聯(lián)使用，當其中某一顆或幾顆LED開路時，其它LED在未過流的情況下可以工作。但其中任何一顆LED短路情況下，其它并聯(lián)LED燈將無法點亮。

　　LED并聯(lián)，如下圖12所示：

　　圖12 LED 并聯(lián)電路

　　LED 串并聯(lián)混合連接方式

　　LED串并聯(lián)或LED矩陣的連接方式隨著光通量要求的不斷提高和光學設計的多樣化需求在LED燈中廣泛應用。在同樣流明輸出的情況下（特別是對于較高流明輸出的LED燈的電路設計），這種串并聯(lián)混合的連接方式既避免了多顆LED串聯(lián)導通壓降比較高的問題，又可以兼具LED并聯(lián)連接方式的優(yōu)點，即可以用多個較低功率的LED和較低LED驅(qū)動電壓的方式來實現(xiàn)更高的光通量輸出。但是由于LED正向?qū)▔航档牟煌ㄌ貏e是在LED不同電壓Bin的情況下），串并聯(lián)混合連接電路中不均流問題仍然存在。

　　LED 串并聯(lián)混合連接方式，當某顆或某串LED損壞，在其它LED未過流驅(qū)動的情況下，未損壞的LED仍然可以點亮工作。

　　LED串并聯(lián)混合連接如下圖13所示：

　　圖13 LED串并聯(lián)電路

　　LED矩陣如下圖14所示：

　　圖14 LED矩陣

　　LED 驅(qū)動器的主要實現(xiàn)方式

　　恒流驅(qū)動

　　恒流驅(qū)動電路輸出的電流是基本恒定的，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)變化的驅(qū)動電路。恒流驅(qū)動是比較理想的LED驅(qū)動方式。

　　常用的恒流驅(qū)動電路可分為線性LED恒流驅(qū)動電路和開關模式LED恒流驅(qū)動電路。

　　對于線性恒流LED恒流驅(qū)動電路，其具備電路簡單，成本較低的特點。由于不需要電感，高頻變壓器，電解電容等元件，大大降低了電路成本和提高了EMI特性，延長了LED驅(qū)動器的使用壽命。

　　基于BCR420U的線性恒流LED驅(qū)動電路如下圖15所示：

　　圖15 基于BCR420U的線性恒流LED驅(qū)動電路

　　開關模式LED恒流驅(qū)動電路，比較起線性恒流驅(qū)動電路，具有高效率，高恒流精度的特點。根據(jù)不同輸入輸出條件可靈活選擇升壓，降壓，升降壓等拓樸結(jié)構(gòu)。開關模式LED恒流驅(qū)動電路應用領域廣泛。但開關模式的LED恒流驅(qū)動電路相對復雜，成本較高。

　　基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驅(qū)動電路如下圖16所示：

　　圖16 基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驅(qū)動電路

　　恒壓驅(qū)動

　　恒壓LED驅(qū)動電路，是輸出電壓基本恒定的。常用的恒壓驅(qū)動電路可分為線性LED恒壓驅(qū)動電路和開關模式LED恒流驅(qū)動電路。線性恒壓LED驅(qū)動電路比較簡單，成本低，適合驅(qū)動低功率LED，但電路效率比較低；開關模式恒壓LED電路，比較起線性恒壓電路效率比較高，可靠性好。由于LED伏安特性的非線性，很小的電壓變化就會引起很大的電流變化，如果用恒壓源直接驅(qū)動，LED電流會隨著LED負載電壓的微小變化而發(fā)生急劇變化，甚至會燒毀LED。因此在實際應用中， 恒壓驅(qū)動電源一般會在LED負載前接入電阻限流或恒流LED驅(qū)動電路。圖17所示為基于TDA4863-2G的恒壓電路+BCR450線性恒流電路的LED驅(qū)動解決方案。

　　圖17基于TDA4863-2G的恒壓+BCR450線性恒流的LED驅(qū)動解決方案

　　恒功率驅(qū)動

　　恒功率驅(qū)動電路輸出功率基本恒定。比較起恒壓驅(qū)動，在同樣的LED負載電壓變化情況下，恒功率LED驅(qū)動有較好的恒流精度。

　　恒功率驅(qū)動電路主要以開關電源的拓撲結(jié)構(gòu)為基礎，應用于LED驅(qū)動電路中，其優(yōu)點是可以減小由于LED結(jié)溫升高造成的光衰。如圖7所示，在LED燈點亮后結(jié)溫升高，特別是在LED結(jié)溫比較高的情況下，如果采用恒流驅(qū)動光通量輸出將隨著結(jié)溫的升高而下降，也就是光衰現(xiàn)象。在恒功率驅(qū)動的情況下，隨著LED結(jié)溫的升高，負載LED的壓降會降低，LED的驅(qū)動電流會有所增加，如圖4所示，由于驅(qū)動電流的增加LED光通量輸出將增加，因此彌補了由于LED結(jié)溫升高造成的光通量減少現(xiàn)象，從而減小了LED 燈的光衰現(xiàn)象。

　　交流驅(qū)動

　　隨著LED材料技術，封裝技術的不斷進步，AC LED已經(jīng)問世并不斷改進和發(fā)展。AC LED是指交流電直接驅(qū)動LED。一般來講， AC LED為了得到高電壓而使用多個LED芯片串聯(lián)，并將兩路LED反向并聯(lián)，或者連同一些整流橋，電阻等其它電子元件封裝在一起的模組。這種AC LED雖然操作簡便（可直接交流電驅(qū)動）但頻閃、總諧波失真以及LED燈珠的使用率等方面有待提高。

　　脈沖驅(qū)動

　　脈沖驅(qū)動是以高速開關的脈寬調(diào)制的方式來直接驅(qū)動LED，通過改變脈沖寬度或者開關頻率的方式來改變LED驅(qū)動電流的有效值，從而改變LED的亮度。LED具有快速的瞬態(tài)響應特，當開關頻率大于人眼的視覺閃爍頻率，人眼觀察的LED為連續(xù)發(fā)光。脈沖驅(qū)動適用于可調(diào)光LED電路，RGB混光LED電路，或者LED矩陣顯示屏等電路中。

　　相對于恒流驅(qū)動，由圖4和圖7所示，LED亮度和驅(qū)動電流以及溫度的關系是非線性的，通過調(diào)整驅(qū)動脈沖占比的方式可實現(xiàn)更好的線性調(diào)光功能。色坐標和色溫會隨著LED隨著結(jié)溫的變化而偏移，在RGB混光電路的應用中，可同調(diào)整脈沖頻率和占空比來補償由于溫度變化造成的色坐標和色溫漂移。但是在脈沖驅(qū)動有效電流值和恒流驅(qū)動電流值相等的情況下，采用恒流驅(qū)動電路的效率會高于脈沖驅(qū)動電路。

　　基于BCR321U的脈沖驅(qū)動RGB調(diào)光電路如下圖所示：

　　圖18 基于BCR321U的脈沖驅(qū)動RGB調(diào)光電路

　　不同光環(huán)境對LED和LED驅(qū)動器的設計需求

　　隨著LED技術的發(fā)展，LED在民用，工業(yè)，汽車等領域的應用更加廣泛。因此，在不同的應用場合對LED和LED驅(qū)動器的要求也有所不同。

　　室內(nèi)照明

　　對于室內(nèi)照明產(chǎn)品，通常以替換傳統(tǒng)燈為主的標準化接口的LED燈為主，其輸出功率比較小。

　　因此LED和LED驅(qū)動器要求：一，高效節(jié)能，壽命長，性價比高。二，高質(zhì)量的光學特性，比如說高顯色指數(shù)和寬光譜的LED光源，并且光源需要具有良好的穩(wěn)定性（其中包括無頻閃和良好的線性調(diào)光等）。三，造型新穎的個性化的燈具。

　　室外照明

　　對于室外照明產(chǎn)品，具有操作溫度，濕度環(huán)境比較惡劣，功率比較大，系統(tǒng)比較復雜的特點。

　　因此LED和LED 驅(qū)動器要求：一，高效率，可靠性好，壽命長。二，除了對LED驅(qū)動電路要求比較高以外，整個系統(tǒng)的光學設計和散熱，防水設計也尤為重要。三，對于比較復雜的系統(tǒng)進行標準化，模塊化設計。四，智能燈光控制系統(tǒng)設計更加廣泛應用。

　　特殊照明

　　對于特殊照明種產(chǎn)品類繁多，設計需求多樣化，行業(yè)標準不完善等特點。隨著特殊照明產(chǎn)品的發(fā)展使LED的應用具有無限種可能性。

　　例如低溫照明產(chǎn)品要求LED和LED 驅(qū)動器低溫下可以正常工作，并且高效節(jié)能，可靠性好，光衰小。

　　例如醫(yī)療照明產(chǎn)品，對LED光學特性有特殊要求，例如：LED?光手術燈， ?需要過濾紅外線以避免造成紅外線灼傷問題，高顯色性，特定的光學設計，如無影燈。另外醫(yī)療照明產(chǎn)品對于LED 驅(qū)動器具有較高的可靠性和壽命要求。

　　例如汽車照明產(chǎn)品，要求LED和LED 驅(qū)動器具有良好的高低溫特性，較高的可靠性和壽命。同時滿足特定的光學設計和行業(yè)法規(guī)要求等。

　　LED 驅(qū)動電路的發(fā)展展望

　　一，小型化方向發(fā)展

　　隨著LED燈性能，裝配，低成本的要求不斷提高，LED驅(qū)動電路電路趨向于高效率，精簡，高密度裝配發(fā)展方向。特別是消費類照明產(chǎn)品，電路拓撲結(jié)構(gòu)由相對比較復雜的隔離方案趨向于比較簡單的非隔離方案。高壓線性驅(qū)動模式的LED驅(qū)動方案也不斷的發(fā)展和應用于LED產(chǎn)品中。

　　二，主要元件高集成度方向發(fā)展

　　隨著LED 驅(qū)動電路的簡單化要求，驅(qū)動電路集成度不斷提高，特別是LED驅(qū)動IC集成度不斷提高，外圍元件不斷精簡，功能更加強大。另外作為光源重要組成部分的LED也衍生出具有高集成度的新產(chǎn)品，不僅實現(xiàn)多芯片封裝，部分電路元件也被集成在LED中，比如AC LED，COB，OLED等。

　　三，大功率驅(qū)動電源產(chǎn)品逐步向模塊化，標準化發(fā)方向發(fā)展

　　部分大功率LED 驅(qū)動電源產(chǎn)品尚處于恒壓源配備恒流模塊使用階段，隨著客戶對產(chǎn)品性能、外觀等方面要求的提高，配備恒流模塊的恒壓源產(chǎn)品將逐步被恒壓恒流一體化的模塊化產(chǎn)品所取代。

　　四，智能化方向發(fā)展

　　參數(shù)設定，運行監(jiān)控，遠程控制，系統(tǒng)可擴展性為LED智能化的主要方面。

　　基于智能開發(fā)平臺，通過更改軟件設計，設定不同參數(shù)，對產(chǎn)品進行系列設計，功能擴展，有效縮短研發(fā)周。RGB 混光技術的智能控制技術的廣泛應用實現(xiàn)LED的亮度，顏色和色溫進行任意調(diào)節(jié)，來營造更加豐富高質(zhì)量的光環(huán)境。遙控技術，通訊技術在LED領域的應用使產(chǎn)品應用更加便捷。

　　結(jié)束語

　　本文討論了LED的基本參數(shù)和特性以及LED驅(qū)動電路的設計基礎知識，并基于LED行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀展望了LED驅(qū)動電路的發(fā)展方向。隨著半導體元件技術的發(fā)展和電子技術的不斷提高，經(jīng)濟可靠的LED驅(qū)動IC及品類繁多的半導體開關器件，可用于設計安全高效的LED驅(qū)動電路。