LED照明設計LED電特性及簡單驅動電路

　　LED照明作為新一代照明受到了廣泛的關注。僅僅依靠LED封裝并不能制作出好的照明燈具。本文主要從電子電路、熱分析、光學方面對如何運用LED特性來設計進行解說。

　　LED

　　LED是電子二極管的一種，主要構造是PN結。如圖1，當向LED的兩端施加電壓，電子就會吸收能量并向價電子帶轉移，然后再將吸收的能量釋放出來。這個被釋放出的能量就是光。放出的光的波長和顏色是由半導體的電勢差決定的。

　　圖1 LED運作原理

　　LED應用

　　LED具有發(fā)光效率高、壽命長、輕便、不含有害物質等優(yōu)點。高發(fā)光效率可以增加電池的使用壽命，對于隨身攜帶的產品來說很適合。LED的使用壽命是一般白熾燈的2～3倍 (有些資料顯示是40倍)， 因為壽命長而使用LED的一個典型例子就是交通信號燈。另外，由于LED燈的反應速度非?？欤砸策m合用于汽車的剎車燈。LED燈具的設計自由度非常高，不僅能調節(jié)亮度，還能調節(jié)色度。

　　LED電子特性

　　LED具有一般硅二極管的類似特性，在正負極之間施加電壓。當外加電壓達到一個臨界值，LED中產生電流，開始發(fā)光。當電壓超過這個臨界值時，電流急劇增加。白色LED的臨界電壓值約3.5V。紅色、綠色、藍色的LED臨界電壓值如表1所示。

　　　　　　　表１

　　我們用電路仿真來說明LED的電子特性以及驅動電路。電路仿真是對LED和電阻等的電子設計進行建模并在計算機上模擬計算電路運行的一種簡易方法。這里使用的是Cadence公司的電路仿真PSpice A/D。同時使用了飛利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。

　　首先運用圖2的電路來驗證LED的電子特性。要得到電壓－電流特性，需要進行直流解析。

　圖2 驗證電壓－電流特性電路

　　解析結果如圖3所示

圖3 根據 PSpice A/D所得到的解析結果：電壓－電流特性

　　驗證LXM3-PM71電壓－電流特性的結果顯示：在3.0V情況下電流約354mA。

　　驅動電路

　　白熾燈采用的是電壓驅動型電路設計。LED是用電流驅動型電路設計，通過控制LED中的電流調節(jié)亮度和色度。白熾燈和熒光燈等照明燈具中的電子驅動不能直接運用于LED照明燈具。為了最大限度的發(fā)揮LED的特長，需要進行適合LED的驅動電路設計。而且即使使用了發(fā)光效率很高的LED，如果驅動電路的效率不高，也會影響整個照明燈具的發(fā)光效率。LED照明燈具設計大致分為下面3個階段。1.光學設計，2.熱設計，3.LED驅動電路設計。在這里先介紹LED驅動電路設計。

　　- 電阻型驅動電路

　　下面介紹LED電阻型驅動設計的方法。LED、電阻、直流電壓源如圖4所示連接起來。以直流電壓源的電壓值和壓降（正向電壓）為基礎，計算LED發(fā)光中相應電流的電阻值。計算公式如下：

　　例如，在5V的電壓源中驅動上述LXM3-PW71。該LED的正向電壓為3.0V，電流為350mA時，電阻應為5.71。圖4、圖5表示電路仿真運算中的電路及其解析結果。通過圖5，可以看到LED中的電壓大概為3.0V，電流約350mA。

圖4 電阻型驅動電路 圖5 瞬態(tài)分析結果

　　- LED正向電壓的偏差

　　該電路中不考慮作為LED電路的一個重要設計要素－正向電壓的偏差。LED電子設計特性中必定會有偏差，即使是同一型號的設計，分別進行測量的話也不能得到相同的特性。偏差根據LED不同而有區(qū)別，正向電壓中有偏差超過15％的情況。LXM3－PW71的正向電壓大概在4～2.5V之間波動。這樣，如果運用之前的電阻型驅動電路，LED的正向電壓不同，電流也會有很大的變化。

　　大功率照明燈具通常情況下需要使用多顆LED。只是單純的串聯這些LED，進行電阻驅動的話會出現電路不通的情況。例如，串聯3個LXM3-PW71，用12V做驅動，如果3顆LED同時擁有最大的正向電壓，由于總電壓是12V，就會因電壓不足而不能運行。而且即使電流相同，也并不是說所有的LED都一樣發(fā)光。并聯LED也是如此。

　　那么有沒有解決LED正向電壓偏差問題的方法呢？

　　答案只有一個，對LED進行分級。在設計制造過程中，各個不同的特性會引起偏差。在同一條件（同一條生產線，同一天）下批量生產，同一批量制造的產品之間的誤差通常比與其他批量制造的產品誤差小很多。LED分級是將同一型號的LED按照正向電壓的偏差次序排列。在LXM3-PW71的數據庫中記錄了對應正向電壓的Bin表（圖6）。例如，使用Bin Code C的LED時，正向電壓在2.79～3.03V之間。

　　圖6 正向電壓相應的Bin表

　　- 恒流源型驅動電路

　　調節(jié)LED的光度需要增減LED的電流。由于人眼對光的感光度是對數關系，在調節(jié)電流時，電流的增減率與LED亮度呈指數函數變化。因此電阻型驅動電路并不最適合于照明燈具。即使電壓有偏差，為了恒定電流也需要使用恒流源型驅動電路。

圖7 恒流源型驅動電路

　　圖8是運用半導體和二極管恒定電流電路的例子。供給電壓值改變，為了保持半導體的基極的電位恒定（約1.2V），需要使用2個二極管（D1、D2）。LED的電流連接發(fā)射極上的電阻。計算可知，半導體的集電極和發(fā)射極電流基本相同。本例中，為了使LED的電流維持在350mA，需要用到1.48歐姆的電阻。

圖8 簡單的恒電流源型驅動電路

　　即使輸入電壓改變，二極管D1、D2的電壓穩(wěn)定，半導體的基極電位穩(wěn)定，保證LED的電流為350mA。通過電路檢驗使實際的輸入電壓在5V到24V之間變化。檢驗結果如圖9所示。

圖9 恒電流源驅動電路的電壓變化驗證結果

　　當輸入電壓在5V～24V之間變化時，二極管D1、D2的電壓也會發(fā)生微小的變化。從圖9的中央波形可以看到，這個微小的變化出現在二極管的基極。從最上面的波形讀取LED中的電流及變化情況。

　　為了最大限度的發(fā)揮LED的優(yōu)勢，驅動電路設計中應采用PWM型驅動電路設計方法。下一章節(jié)的『 LED驅動電路設計(4)脈沖調制PWM電路詳解 』,我們將主要圍繞PWM型驅動電路進行講解。