LED的驅(qū)動電源與連接形式
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1、引言
隨著LED在燈光裝飾和照明中的普遍使用， LED的供電裝置—LED驅(qū)動器對LED高光效、長壽命等特 點(diǎn)的合理發(fā)揮愈發(fā)顯得重要。本文根據(jù)LED的特性，對LED驅(qū)動電路作了分類，并詳細(xì)討論了LED連接形式，為LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)提供有效參考。
2、LED的V-I、TJ-IV 特性
LED由于環(huán)保、壽命長、光效高、體積小等眾多優(yōu)點(diǎn)，近年來在各行業(yè)中的應(yīng)用快速發(fā)展。理論上，LED的使用壽命在10萬小時(shí)以上，但實(shí)際應(yīng)用中，如驅(qū)動電源設(shè)計(jì)及驅(qū)動方式選擇不當(dāng)，LED極易受損毀壞，無法達(dá)到應(yīng)有壽命。LED的生產(chǎn)廠家有上百成千家，LED產(chǎn)品規(guī)格不盡相同，設(shè)計(jì)LED驅(qū)動電源，首先要了解LED的電流、電壓（I-V）特性以及LED芯片結(jié)溫與發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系。圖1-1為LED的典型I-V特性曲線，下式為LED正向電壓的表式：
?。═-25℃）
?。?）式中，Vturn-on 是LED的啟動電壓；RS 表示伏安曲線的斜率；T 環(huán)境溫度；ΔVF/ΔT是LED正向電壓的溫度系數(shù)，對于多數(shù)LED而言典型值為-2V/℃。
圖1-2 LED結(jié)溫與發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系
從LED的伏安曲線看，正向電壓為3.0 - 3.6V左右，典型電壓值為3.3V，電流值為350mA， LED兩端正向電壓超過3.6V后，正向電壓略微增加，正向電流將迅速增漲，LED芯片溫升隨之增大，LED的光衰減因此加速，壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)甚至燒壞。LED的光輸出直接與LED電流與環(huán)境溫度相關(guān)，圖1-2是LED典型的TJ-IV特性曲線。若按25℃環(huán)境溫度時(shí)LED的光輸出為100%計(jì)，120℃環(huán)境溫度時(shí)LED的光輸出下降為70%，顯見在輸入電壓和環(huán)境溫度等條件可能發(fā)生變動的情況下，LED驅(qū)動源應(yīng)能控制LED的電流，否則光輸出將隨輸入電壓和溫度等條件的變化而變化。一旦電流失控， LED的可靠性和壽命必然受到影響，甚至可能造成器件損傷失效。
3、LED驅(qū)動源的分類與特性
按LED供電電壓的高低可將LED驅(qū)動源分成三類：第一類為電池供電驅(qū)動源，一般電壓低于5V，用于便攜式電子產(chǎn)品中驅(qū)動小及中功率LED，電路結(jié)構(gòu)主要采用升壓式DC/DC，升壓式（或升降壓式）電荷泵變換器，少數(shù)采用LDO穩(wěn)壓電源或電瓶供電。第二類為高電壓供電驅(qū)動源，用于供電電壓值始終高于LED管壓降，如6V，9V，12V或24V等場合，電路結(jié)構(gòu)主要采用輸出功率較大的串聯(lián)降壓式DC/DC變換器。第三類為市電驅(qū)動源，這是LED照明應(yīng)用最有價(jià)值的供電方式。市電驅(qū)動源要解決整流、降壓、效率、體積、成本等問題，還應(yīng)考慮安全、EMC、功率等因素，首選的電路結(jié)構(gòu)是隔離反激式或單級反激式PFC電路）。
LED驅(qū)動源的電路結(jié)構(gòu)大致有下述數(shù)種：
直流驅(qū)動源電路
圖1-3 利用功率晶體管構(gòu)建的直流驅(qū)動源電路
圖1-3所示為利用功率晶體管構(gòu)建的直流驅(qū)動源電路。圖1-3（a）中，當(dāng)輸入信號為邏輯高平時(shí)，晶體管VT導(dǎo)通，發(fā)光二極管點(diǎn)燃，IF通過滿足下式的電阻R限定：
R =（VCC - VF - VCES）/ IF ?。?）
式中，IF為LED的正向工作電流，VF為規(guī)定工作電流下LED的正向壓降，VCES為晶體管VT的飽和壓降。圖1-3（b）的情況與圖1-3（A）相反，VT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，LED將被VT鉗位，即VF = VCES，無法點(diǎn)燃。當(dāng)晶體管基極輸入邏輯低電平，VT截止時(shí)，LED點(diǎn)燃，電源VCC經(jīng)R供給LED電流， R可據(jù)R =（VCC - VF）/IF選取。
TTL驅(qū)動源
圖1-4為TTL驅(qū)動源電路：
圖1-4 TTL驅(qū)動電路
圖中，
R =（VCC - VF - 0.4）/IF
式中，0.4V是TTL低電平輸出電壓值。
CMOS驅(qū)動源電路
圖1-5為采用CMOS的驅(qū)動源電路。CMOS器件輸出電流一般較小，需數(shù)塊CMOS并聯(lián)才能驅(qū)動LED，如圖1-5（a）和（b）所示。有時(shí)，也可如圖1-5（C）所示在CMOS后加功率晶體管擴(kuò)展驅(qū)動電流。圖1-5（D）電路中的CMOS器件一旦驅(qū)動，輸出電壓即鉗位在LED的VF左右。
交流驅(qū)動源電路
圖1-6所示為兩只反向并聯(lián)的LED使用交流驅(qū)動的電路。這種電路，即使輸入電壓極性未知，正負(fù)半周均有一只二極管顯示發(fā)光。交流源驅(qū)動時(shí)，限流電阻R的取值為：
R=（ERMS - VF）/ 2IF ?。?）
式中，ERMS為交流電壓的有效值。
脈沖驅(qū)動源電路
圖1-7為用NUD4001組成的脈沖驅(qū)動源電路，調(diào)整Rext1值可控制恒流電流的大小。
由圖1-7電流波形可知，脈沖驅(qū)動電流的峰值約為平均值的4倍，頻率為100Hz，占空比為10%，表明一個(gè)周期中，LED大部分時(shí)間停止工作，因此幾乎可不必考慮LED的發(fā)熱量。LED因發(fā)熱量減少，光衰隨之減小，從而使用壽命延長，故對LED來說，脈沖驅(qū)動方式是最有實(shí)用價(jià)值的方式?？紤]到脈沖驅(qū)動方式利用了人視覺的暫留原理，因此PWM的工作頻率設(shè)定不能低于100 Hz，否則會有光線閃爍的感覺。脈沖驅(qū)動源電路的缺點(diǎn)是線路復(fù)雜，成本較高。
4、LED的連接形式
作為驅(qū)動源電路的負(fù)載，LED通常需幾十甚至上百個(gè)組合構(gòu)成發(fā)光組件，通過下述刑事與驅(qū)動源電路連接。
串聯(lián)連接
多個(gè)LED的正極對負(fù)極連接成串和限流電阻R再與驅(qū)動源電路連接，如圖1-8(左)，圖中Vcc代表驅(qū)動源電路的輸出端電壓。串聯(lián)連接電路的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)LED的工作電流相同， If=(Vcc - nVf)/R，n為串聯(lián)的LED數(shù)目。假定為n = 8，正向電流If = 20mA，單個(gè)LED正向電壓Vf = 2.0V，則VD ＝ 8 × Vf = 16.0V ，VR ＝ If × R ＝ 20mA×200Ω = 4.0V，驅(qū)動源電路的輸出端電壓應(yīng)為Vcc = VD + VR = 20.0V。
一般由于Vf離散性造成單個(gè)LED光強(qiáng)的變化量在10％以內(nèi)，發(fā)光組件亮度基本上可保持均勻。出現(xiàn)LED器件短路，If將上升，考慮到單個(gè)LED器件的Vf會隨If增加而增加，工作電流不會大于30mA，具體電流值與所采用不同的LED單管有關(guān)，實(shí)驗(yàn)中測量為28mA左右。出現(xiàn)單個(gè)LED開路，將導(dǎo)致整串LED熄滅，不過LED開路的可能性極小。
并聯(lián)連接
圖1-8（中）即將多個(gè)LED的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極組成的并聯(lián)連接，其特點(diǎn)是每個(gè)LED的工作電壓一樣，總電流為nIf（近似值），為實(shí)現(xiàn)每個(gè)LED的工作電流If一致，要求每個(gè)LED的正向電壓也一致。但由于器件參數(shù)存在差別，散熱條件不同都能引發(fā)工作電流的差別，故一般不采用直接并聯(lián)方式。
混聯(lián)連接
圖1-8（右）所示為將多組LED的先串聯(lián)后并聯(lián)構(gòu)成發(fā)光組件的混合連接?；炻?lián)兼具串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)也補(bǔ)償了各自的弱點(diǎn)，因此發(fā)光組件的可靠性高，發(fā)光組件的亮度也相對均勻，對LED器件的要求較寬松，適用范圍大，目前的大量照明實(shí)例證實(shí)多數(shù)采用該連接方式。通常采用多顆LED組成發(fā)光面時(shí)，應(yīng)盡量用選發(fā)光亮度相同的LED，無法保證相同發(fā)光亮度時(shí)，實(shí)踐證明采取中間用發(fā)光亮度稍小的LED器件，周圍用發(fā)光亮度較大的配置原則能使整個(gè)發(fā)光面發(fā)出的光斑較勻稱柔和。
交叉陣列連接
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