LED驅(qū)動電源的分類及特性詳解

一、什么是LED ?

LED(Light Emitting Diode)，又稱發(fā)光二極管，它們利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。

二、LED有哪些優(yōu)點?

★ 高效節(jié)能　一千小時僅耗幾度電(普通60W白熾燈十七小時耗1度電，普通10W節(jié)能燈一百小時耗1度電)

★ 超長壽命　半導(dǎo)體芯片發(fā)光，無燈絲，無玻璃泡，不怕震動，不易破碎，使用壽命可達(dá)五萬小時(普通白熾燈使用壽命僅有一千小時，普通節(jié)能燈使用壽命也只有八千小時)

★ 光線健康　光線中不含紫外線和紅外線，不產(chǎn)生輻射(普通燈光線中含有紫外線和紅外線)

★ 綠色環(huán)?！〔缓碗扔泻υ?，利于回收和利用，而且不會產(chǎn)生電磁干擾(普通燈管中含有汞和鉛等元素，節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器會產(chǎn)生電磁干擾)

★ 保護(hù)視力　直流驅(qū)動，無頻閃(普通燈都是交流驅(qū)動，就必然產(chǎn)生頻閃)

★ 光效率高，發(fā)熱?。?0%的電能轉(zhuǎn)化為可見光(普通白熾燈80%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，僅有20%電能轉(zhuǎn)化為光能)

★ 安全系數(shù)高　所需電壓、電流較小，發(fā)熱較小，不產(chǎn)生安全隱患，可用于礦場等危險場所

★ 市場潛力大　低壓、直流供電，電池、太陽能供電即可，可用于邊遠(yuǎn)山區(qū)及野外照明等缺電、少電場所。

一、什么是LED ?

LED(Light Emitting Diode)，又稱發(fā)光二極管，它們利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。

二、LED有哪些優(yōu)點?

★ 高效節(jié)能　一千小時僅耗幾度電(普通60W白熾燈十七小時耗1度電，普通10W節(jié)能燈一百小時耗1度電)

★ 超長壽命　半導(dǎo)體芯片發(fā)光，無燈絲，無玻璃泡，不怕震動，不易破碎，使用壽命可達(dá)五萬小時(普通白熾燈使用壽命僅有一千小時，普通節(jié)能燈使用壽命也只有八千小時)

★ 光線健康　光線中不含紫外線和紅外線，不產(chǎn)生輻射(普通燈光線中含有紫外線和紅外線)

★ 綠色環(huán)?！〔缓碗扔泻υ兀诨厥蘸屠?，而且不會產(chǎn)生電磁干擾(普通燈管中含有汞和鉛等元素，節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器會產(chǎn)生電磁干擾)

★ 保護(hù)視力　直流驅(qū)動，無頻閃(普通燈都是交流驅(qū)動，就必然產(chǎn)生頻閃)

★ 光效率高，發(fā)熱?。?0%的電能轉(zhuǎn)化為可見光(普通白熾燈80%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，僅有20%電能轉(zhuǎn)化為光能)

★ 安全系數(shù)高　所需電壓、電流較小，發(fā)熱較小，不產(chǎn)生安全隱患，可用于礦場等危險場所

★ 市場潛力大　低壓、直流供電，電池、太陽能供電即可，可用于邊遠(yuǎn)山區(qū)及野外照明等缺電、少電場所。

三、權(quán)威預(yù)測

半導(dǎo)體照明將在未來5-10年內(nèi)取代現(xiàn)有傳統(tǒng)光源。

“未來白光LED將更加便宜，市場總體容量將快速增長?！痹S志鵬樂觀地指出，據(jù)美國能源部預(yù)測，2010年前后，美國將有55%的白熾燈和熒光燈被LED替代，可能形成一個500億美元的大產(chǎn)業(yè)。而日本提出，LED將在今年大規(guī)模替代傳統(tǒng)白熾燈。日、美、歐、韓等國均已正式啟動LED照明戰(zhàn)略計劃。

美國能源部預(yù)測，到2010年前后，美國將有55%的白熾燈和熒光燈將被嵌在芯片上的發(fā)光體---半導(dǎo)體燈替代。日本計劃到2008年用這種半導(dǎo)體燈替代50%的傳統(tǒng)照明燈具?？茖W(xué)家測量發(fā)現(xiàn)，在同樣亮度下，LED的電能消耗僅為白熾燈的1/10，壽命則是白熾燈的 100倍。由于LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)點，專家們稱其為人類照明史上繼白熾燈和熒光燈之后的又一次飛躍。根據(jù)美國能源部(DOE)的預(yù)計，傳統(tǒng)照明器件的徹底更新?lián)Q代將在2010年開始啟動，然而許多LED供應(yīng)商都希望將這個啟動時間再提前一到兩年。

四、繼澳大利亞 歐盟欲讓白熾燈兩年內(nèi)“下課”

2007年3月9日，在英國倫敦街頭，成串的彩燈閃爍。剛剛結(jié)束的歐盟首腦會議通過了一系列旨在提高能效的措施。9日結(jié)束的歐盟春季首腦會議已經(jīng)達(dá)成協(xié)議，兩年內(nèi)歐洲各國將逐步用節(jié)能熒光燈取代能耗高的老式白熾燈泡，以減少溫室氣體排放。在這之前，澳大利亞已率先通過停止使用白熾光燈泡法令。

五、LED照明產(chǎn)值將超千億美元 同方正發(fā)力

同方股份副總裁兼董秘孫岷近日向記者透露，公司的高亮度LED照明項目已基本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前已經(jīng)有20條生產(chǎn)線投產(chǎn)，其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，規(guī)劃2008年年底生產(chǎn)線將達(dá)到50條，形成綠色照明的規(guī)?；?yīng)。預(yù)計我國2008年應(yīng)用市場規(guī)模將達(dá)540億元，到2010年，中國半導(dǎo)體照明及相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將超過1000億美元的規(guī)模，其中高亮度芯片國內(nèi)增長率將高達(dá)100%。

六、首爾半導(dǎo)體期望能取得全球照明市場之中1，000億美元的份額。

韓國首爾半導(dǎo)體公司現(xiàn)正計劃用LED取代傳統(tǒng)的照明燈，目前 Acriche 60流明/瓦特的亮度在2007年第四季提升五成至80流明/瓦特， 而每一模組為250流明; 在2008年第四季達(dá)至120流明/瓦特， 而每一模組為400流明， 期望能取得全球照明市場之中1，000億美元的份額。

七、澳大利亞與新西蘭將率先停止使用白熾光燈泡

澳大利亞政府最近宣布，為了減少溫室氣體的排放量，澳大利亞將禁止除醫(yī)療用以外的白熾燈的使用。據(jù)此，到2012年時澳大利亞將減少400萬噸溫室氣體的排放。

而據(jù)2007年2月21日《The Dominion Post》報道，新西蘭能源部長David Parker建議參照澳大利亞的做法，新西蘭也應(yīng)在未來兩到三年內(nèi)禁止使用普通白熾光燈泡，用節(jié)能環(huán)保的熒光燈泡(Florescent Eco Bulb)取代。澳大利亞環(huán)境部長Malcolm Turnbull說，澳大利亞2010年將推行新的民用照明標(biāo)準(zhǔn)，通過新標(biāo)準(zhǔn)的實施，2012年可減少溫室氣體排放400萬噸。

據(jù)悉，這種新型熒光燈泡主要從中國進(jìn)口。

八、為什么首選樓道燈來應(yīng)用LED

1， 目前比較而言，LED的售價還較高，樓道燈是共用設(shè)施，共同承擔(dān)大家就能接受。

2，樓道燈現(xiàn)在普遍是使用白熾燈，若換用LED燈，節(jié)電的效果就特別明顯。

3，樓道燈在白天是熄滅的。晚上就頻繁的啟動或關(guān)斷。不要說是節(jié)能燈，就是白熾燈都會很快的玩完。但是LED燈卻是不怕，因為它的發(fā)光機(jī)理與白熾燈和節(jié)能燈都不同，就恰恰非常的適應(yīng)在高速的開關(guān)工作狀態(tài)，絕對不會因為是這個原因而損壞。

4，LED燈的壽命很長，就免除了樓道燈經(jīng)常需要維修的尷尬狀況。

5， 樓道燈是物業(yè)交電費，投入是一次性的，節(jié)約80%的電費是長期的，物業(yè)部門最合算。

九、LED燈能直接替換現(xiàn)在的樓道燈嗎?

不能。由于現(xiàn)在大家使用的樓道燈是白熾燈，根本就無法用LED燈或節(jié)能燈去替換，所以如果要換用LED燈就必須也要同時換用聲光控開關(guān)?，F(xiàn)在有專用的一體化的LED聲光控樓道燈，直接就使用220V的市電，非常方便使用。我們將強(qiáng)烈建議樓道燈的使用電壓用直流的24V，其好處和原因我們會另文介紹。隨著技術(shù)發(fā)展和成本的降低，LED燈取代節(jié)能燈也就成為必然的了。

十、LED驅(qū)動電源的分類及特性

1、按驅(qū)動方式可分為兩大類：

(1)恒流式：

a、恒流驅(qū)動電路輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負(fù)載阻值小，輸出電壓就低，負(fù)載阻值越大，輸出電壓也就越高;

b、 恒流電路不怕負(fù)載短路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全開路。

c、 恒流驅(qū)動電路驅(qū)動LED是較為理想的，但相對而言價格較高。

d、應(yīng)注意所使用最大承受電流及電壓值，它限制了LED的使用數(shù)量;

(2)穩(wěn)壓式：

a、當(dāng)穩(wěn)壓電路中的各項參數(shù)確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化;

b、 穩(wěn)壓電路不怕負(fù)載開路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全短路。

c、以穩(wěn)壓驅(qū)動電路驅(qū)動LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均;

d、 亮度會受整流而來的電壓變化影響。

2、按電路結(jié)構(gòu)方式分類

(1)電阻、電容降壓方式：通過電容降壓，在閃動使用時，由于充放電的作用，通過LED的瞬間電流極大，容易損壞芯片。易受電網(wǎng)電壓波動的影響，電源效率低、可靠性低。

(2)電阻降壓方式：通過電阻降壓，受電網(wǎng)電壓變化的干擾較大，不容易做成穩(wěn)壓電源，降壓電阻要消耗很大部分的能量，所以這種供電方式電源效率很低，而且系統(tǒng)的可靠也較低。

(3)常規(guī)變壓器降壓方式：電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有45%～60%，所以一般很少用，可靠性不高。

(4)電子變壓器降壓方式：電源效率較低，電壓范圍也不寬，一般180～240V，波紋干擾大。

(5)RCC降壓方式開關(guān)電源：穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高，一般可以做到70%～80%，應(yīng)用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù)，開關(guān)頻率不容易控制，負(fù)載電壓波紋系數(shù)也比較大，異常負(fù)載適應(yīng)性差。

(6)PWM控制方式開關(guān)電源：主要由四部分組成，輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩(wěn)壓控制部分、開關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開關(guān)穩(wěn)壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定(即相應(yīng)穩(wěn)壓電源或恒流電源)。電源效率極高，一般可以做到80%～90%，輸出電壓、電流穩(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護(hù)措施，屬高可靠性電源。

從以上介紹可以看出PWM控制方式設(shè)計的LED電源是比較理想的LED電源。目前珠海市南宇星電子公司生產(chǎn)的“金興”牌LED開關(guān)電源就是PWM控制技術(shù)的開關(guān)電源，該類LED電源經(jīng)用戶使用反映效果很好。

一、剛剛開始起步成本高

照明成本不僅涉及燈具的初始成本，還涉及燈具所消耗的能源成本，燈具無法正常工作時更換燈具所需的勞動成本，以及所需燈具更換的平均頻率。從這一概念出發(fā)就很容易理解，為什么LED光源是白熾燈光源價格的50倍左右時，LED交通信號燈的市場就開始啟動，而當(dāng)達(dá)到28倍時，就已形成新興產(chǎn)業(yè)。目前半導(dǎo)體照明主要以光色照明和特殊照明為主，以后將向普通照明擴(kuò)展。具體來講，近幾年內(nèi)，半導(dǎo)體照明市場將廣泛應(yīng)用在各種信號燈、景觀照明、櫥窗照明、建筑照明、廣場和街道的美化、家庭裝飾照明、公共娛樂場所美化和舞臺效果照明等領(lǐng)域。事實上，我們身邊已經(jīng)隨處可見它的身影：電腦顯示燈、手機(jī)按鍵和屏幕的背光源、汽車尾燈、建筑物燈光、交通信號燈……等等。

二、不一致性帶來的問題：

理論上LED都一樣，都是能發(fā)光的二極管，而實際上所有LED的電性能都是有差異的，眾多的廠家都在搶生產(chǎn)進(jìn)度、抓數(shù)量;每個廠家的生產(chǎn)工藝是不一致的，甚至相差很大，就是同一廠家的不同時間的工藝都是有差異的;生產(chǎn)發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料的純度要求非常高，不同廠家使用的半導(dǎo)體原材料的純度是有差異的，這就使LED的發(fā)光強(qiáng)度與驅(qū)動電流是不完全相同的，或者相差很大，而且耐過電流能力和發(fā)熱的差異也就自然而然的不同了;由于封裝工藝和封裝材料的不同，使得整體的散熱能力是不一樣的，所有的廠家都在研究和開發(fā)新材料，以求解決組合材料的熱彭脹與散熱的問題。由此不難看出，LED發(fā)光二極管在短期內(nèi)仍存在個體之間的很大的差異，如果每個燈只用一個LED，那是很好控制的，而且是真正的長壽命，例如電視機(jī)、DVD上的電源指示燈就是如此;而當(dāng)我們用 LED制作照明燈具時，就不是用單個的LED，而是用多個，或上百上千個LED排成陣列接入電路，再者，需要的亮度就不是指示燈所能做到的，而電流大了、小了亮度都要減弱，且會使壽命大打折扣，甚而致于未出廠就壞掉了;因LED的差異性總是存在的，在多個LED組成的連路中，當(dāng)有幾個壞掉時(通常是短路)，會使電流增大而損壞其他的LED。這就是不一致性帶的結(jié)果，也是制約其發(fā)展的因素之一。

三、驅(qū)動電路復(fù)雜成本高、故障率高

a.在電壓匹配方面，LED不象普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。LED是2--3.伏的低電壓驅(qū)動，必須要設(shè)計復(fù)雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源適配器。

b.在電流供應(yīng)方面，LED的正常工作電流在15mA-18mA，供電電流小于15mA時LED的發(fā)光強(qiáng)度不夠，而大于20mA時，發(fā)光了強(qiáng)度也會減弱，同時發(fā)熱大增，老化加快、壽命縮短，當(dāng)超過40mA時會很快損壞。為了延長LED照明燈的使用壽命，簡易電源是不能使用的，而常用集成電路電源、電子變壓器、分離元件電源等，但都要設(shè)計恒流源電路和恒壓源電路供電的方式，大電流驅(qū)動時，要配大功率管或可控硅器件，另加保護(hù)電路，這樣就使LED 的電源供應(yīng)器電路很復(fù)雜，故障率增加。元件成本、生產(chǎn)成本、服務(wù)成本都將升高。而目前LED本身的成本就高，加上電源的成本，這就大大地限制了市場的競爭力與購買群體，LED照明燈的優(yōu)勢大打折扣，這也是制約其發(fā)展與普及的又一關(guān)鍵問題。

四、解決問題的方法與可行性分析：

解決問題的方法可用自復(fù)位過流保護(hù)器WHPTC元件

如果用WHPTC過流保護(hù)器作保護(hù)，將是另外一種結(jié)果，從原理可知，當(dāng)電路的電流超過規(guī)定值時會訊速的自動保護(hù)，在排除故障后又自動復(fù)位，無需人工更換。對LED而言，電壓的變化不是LED損壞的直接原因，而電流的增大才是LED的真正殺手。顯而易見，利用WHPTC的這個特性，在LED的電路保護(hù)上具有絕對的優(yōu)勢，讓簡易電源供電變?yōu)楝F(xiàn)實。實踐證明，在LED電路出現(xiàn)故障以前就有效保護(hù)了。在簡易電源上，這個優(yōu)勢特別突出。對如下3圖分析可見，因有了WHPTC后可省去恒流、恒壓電路， LED的質(zhì)量也提高了。器件成本、生產(chǎn)成本、故障率、服務(wù)成本等，都大大降低。也大大增加了產(chǎn)品的市場競爭力。所以誰先使用WHPTC，誰先占領(lǐng)市場。

使用WHPTC前后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較圖

淺談LED產(chǎn)品老化我們在應(yīng)用LED時經(jīng)常會出現(xiàn)這樣種問題，LED焊在產(chǎn)品上剛開始的時候是正常工作的，但點亮一段時間以后就會出現(xiàn)暗光、閃動、故障、間斷亮等現(xiàn)象，給產(chǎn)品帶來嚴(yán)重的損害。引起這種現(xiàn)象的原因大致有：

1.應(yīng)用產(chǎn)品時，焊接制程有問題，例如焊接溫度過高焊接時間過長，沒有做好防靜電工作等，這些問題95%以上是封裝過程造成。

2.LED本身質(zhì)量或生產(chǎn)制程造成。 預(yù)防方法有：

1.做好焊接制程的控制。

2.對產(chǎn)品進(jìn)行老化測試。

老化是電子產(chǎn)品可靠性的重要保證，是產(chǎn)品生產(chǎn)的最后必不可少的一步。LED產(chǎn)品在老化后可以提升效能，并有助于后期使用的效能穩(wěn)定。LED老化測試在產(chǎn)品質(zhì)量控制是一個非常重要的環(huán)節(jié)，但在很多時候往往被忽視，無法進(jìn)行正確有效的老化。LED老化測試是根據(jù)產(chǎn)品的故障率曲線即浴盆曲線的特征而采取的對策，以此來提高產(chǎn)品的可靠性，但這種方法并不是必需的，畢竟老化測試是以犧牲單顆LED產(chǎn)品的壽命為代價的。

LED老化方式包括恒流老化及恒壓老化。恒流源是指電流在任何時間都恒定不變的。有頻率的問題，就不是恒流了。那是交流或脈動電流。交流或脈動電流源可以設(shè)計成有效值恒定不變，但這種電源無法稱做「恒流源」。恒流老化是最符合LED電流工作特征親羈蒲У腖ED老化方式;過電流沖擊老化也是廠家最新采用的一種老化手段，通過使用頻率可調(diào)，電流可調(diào)的恒流源進(jìn)行此類老化，以期在短時間內(nèi)判斷LED的質(zhì)量預(yù)期壽命，并且可挑出很多常規(guī)老化無法挑出的隱患LED。 有效防止高溫失靈-PTC熱敏電阻用作LED限流器近年來，發(fā)光二極管(簡稱LED)的發(fā)展已取得巨大進(jìn)步：已從純粹用作指示燈發(fā)展為光輸出達(dá)100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本將降至與傳統(tǒng)冷陰極熒光燈(簡稱CCFL)類似的水平。這使得人們對LED的下述應(yīng)用興趣日濃：汽車照明燈、建筑物內(nèi)外的LED光源、以及筆記本電腦或電視機(jī)LCD屏的背光。大功率LED技術(shù)的發(fā)展提高了設(shè)計階段對散熱的要求。就像所有其它半導(dǎo)體一樣，LED不能過熱，以免加速輸出的減弱，或者導(dǎo)致最壞狀況：完全失效。與白熾燈相比，雖然大功率LED具有更高效率，但是輸入功率中相當(dāng)大的一部分仍變成熱能而非光能。因而，可靠的運作就需要良好的散熱，并要求在設(shè)計階段就考慮高溫環(huán)境。設(shè)計LED驅(qū)動電路尺寸時，也必須考慮溫度因素：必須選擇其正向電流，以確保即使環(huán)境溫度達(dá)到最高值，LED芯片也不會過熱。隨著溫度的升高，就需要通過降低最高容許電流，即降低額定值，來實現(xiàn)降溫。LED制造商把降額曲線納入其產(chǎn)品規(guī)格中。有關(guān)此類曲線，參見圖1。

圖1 LED降頻曲線

利用無溫度依賴性的電源運行LED存在弊端：在高溫區(qū)域內(nèi)，LED則超出規(guī)格范圍運行。此外，當(dāng)處于低溫區(qū)域時，照明源就由明顯低于最大容許電流(參見圖1紅色曲線)的電流供電。如圖1的綠色曲線所示，通過LED驅(qū)動電路中的正溫度系數(shù)熱敏電阻(簡稱PTC熱敏電阻)來控制LED電流是一個重大改進(jìn)。這至少可以帶來下列好處：

*在室溫下增加正向電流，從而增加光輸出

*因為可以減少LED使用量，所以可以使用價格較低的驅(qū)動集成電路(簡稱IC)乃至一個不帶溫度管理的驅(qū)動電路來節(jié)約成本

*實現(xiàn)無需IC控制的驅(qū)動電路設(shè)計，此電路亦可使LED電流隨溫度改變

*能夠使用較便宜減額值較高安全裕量較小的LED

*過熱保護(hù)功能提高了可靠性

*帶散熱片的熱機(jī)械設(shè)計更為簡單

大多數(shù)LED用驅(qū)動電路形式具有一個共同點：即流經(jīng)LED的正向電流是通過固定電阻進(jìn)行設(shè)置(參見圖2)。一般說來，流經(jīng)LED ILED的電流取決于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不隨溫度而變，因此LED電流也不受溫度影響。

將固定電阻換成隨溫度變化的電路，即可實現(xiàn)對LED電流的溫度管理。下列圖表闡明了如何使用PTC熱敏電阻來改善標(biāo)準(zhǔn)電路。

示例1：有反饋回路的恒流源

圖2中電路1為常用的驅(qū)動電路。其恒流源包括一條反饋回路。當(dāng)調(diào)節(jié)電阻兩端的反饋電壓達(dá)到因IC而異的VFB時，LED電流就不變了。LED電流因而被穩(wěn)定在ILED=VFB/Rout。

圖2 LED的傳統(tǒng)驅(qū)動方式

圖3所示為上一電路改良型：此電路借由PTC熱敏電阻，生成隨溫度變化的LED電流。通過正確選擇PTC熱敏電阻、Rseries以及 Rparallel，此電路與專用驅(qū)動IC和LED組合相匹配。其中，LED電流可經(jīng)由下列方程式計算得出：

圖3所示電路闡明了LED電流(參見圖3)的溫度依賴性。與針對最高運行溫度為60度的恒流源相比較，使用PTC熱敏電阻后LED電流可在0度和40度之間提升達(dá)40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。

圖3 采用PTC熱敏電阻的溫度監(jiān)測和電流降頻

示例2：調(diào)節(jié)電阻與LED無串聯(lián)的恒流源

圖2所示電路2為另一常見的恒流源電路：電流通過連接驅(qū)動IC的電阻得以確定。然而在這種情況下，調(diào)節(jié)電阻并未與LED串聯(lián)。Rset和 ILED之間的比率由IC規(guī)格明確。因此，運用20KΩ的串聯(lián)電阻和TLE4241G型驅(qū)動IC，最終產(chǎn)生的LED電流為30mA。圖4所示為標(biāo)準(zhǔn)電路改良型，其中也含有一個PTC熱敏電阻，盡管此處采用WHPTC熱敏電阻。在感測溫度，元件電阻可達(dá)4.7KΩ，且容許誤差值為±5℃(標(biāo)準(zhǔn)系列) 或±3℃(容許誤差值精確系列)。

圖4所示為隨外界溫度而變化的LED電流。固定電阻Rseries容許誤差范圍小，在低溫時支配總電阻。只有在低于PTC熱敏電阻的感測溫度大約15 K時，由于PTC熱敏電阻的阻值開始增加，電流才會開始下降。在感測溫度(總電阻=Rseries+RPTC=19.5KΩ+4.7KΩ=24.2KΩ) 時的電流大約為23mA。PTC電阻在溫度更高時急劇上升，迅速引發(fā)斷路，從而避免因溫度過高出現(xiàn)故障。

圖4 無分流測量之溫度記錄

示例3：無IC簡單驅(qū)動電路

如圖2所示電路3，LED也可在無驅(qū)動IC的情況下工作。圖示電路是通過車用電池驅(qū)動單一200mA LED。穩(wěn)壓器生成5 V的穩(wěn)定電源電壓Vstab，以避免電源電壓出現(xiàn)波動。LED在Vstab處運作，電流則通過與LED串聯(lián)的電阻元件Rout決定。在這類電路中，通過下一則等式可算出獨立于溫度的正向電流，在此等式中，VDiode是一個LED的正向電壓：

另一做法是將WHPTC的徑向引線式PTC熱敏電阻以及兩個固定電阻相組合后，替代上述固定電阻，如圖所示。

由于LED電流的絕大部分流經(jīng)PTC熱敏電阻本身，因此需要選擇一個較大的徑向引線式元件。PTC將因為流經(jīng)電阻本身的電流而導(dǎo)致發(fā)熱，因此會一直減少電流，無論環(huán)境溫度為何(如圖5所示)。并聯(lián)兩個或更多片式PTC熱敏電阻會將電流分流，但此方案仍存在局限性。

圖5 無需IC的溫度補(bǔ)償驅(qū)動電路

電流值主要是通過適當(dāng)選擇兩個固定電阻來設(shè)置的。這兩個電阻也在改進(jìn)電路方面也起到重要作用，因為它們將產(chǎn)生的LED正向電流的允差保持在較低水平。這在正常工作溫度范圍內(nèi)尤其重要，因為此時PTC熱敏電阻本身的阻值允差仍較高。第二個并聯(lián)固定電阻也能確保PTC不會在極端高溫情況下徹底關(guān)閉 LED，因此，電流不會降至低于下列等式計算的所得值：

這項性能在例如汽車電子這樣的應(yīng)用中極其重要，因為安全要求不允許照明燈徹底關(guān)閉。

背景資料：LED的溫度依賴性

像所有半導(dǎo)體一樣，LED的最高容許結(jié)點溫度不能超過，以免導(dǎo)致過早老化或者完全失效。如果結(jié)點溫度要保持在臨界值以下，那么外界溫度升高時，最高容許正向電流則必須下降。不過，如果運用散熱器，在特定的外界溫度時正向電流可以增加。LED的光輸出隨著芯片結(jié)點溫度的升高而下降。上述情況主要發(fā)生在紅色和黃色LED，白色LED則與溫度關(guān)系較小。光照效率和正向電流保持同步增長，不過，安裝在結(jié)層和環(huán)境之間的LED所具備的高熱阻率可以降低乃至逆轉(zhuǎn)這種作用，這是因為隨著結(jié)點溫度的上升，發(fā)射光會降低。

此外，當(dāng)結(jié)點溫度上升且LED正向電壓與溫度保持同步增長時，發(fā)射光的主波長會以+0.1 nm / K的典型速率增長。各種白光LED驅(qū)動電路特性評比 1996年，日亞化學(xué)的中村氏發(fā)現(xiàn)藍(lán)光LED之后，白光LED就被視為照明光源最具發(fā)展?jié)摿Φ慕M件，因此，有關(guān)白光LED性能的改善與商品化應(yīng)用，立即成為各國研究的焦點。目前，白光LED已經(jīng)分別應(yīng)用于公共場所的步道燈、汽車照明、交通號志、可攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率的特性，一般認(rèn)為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源，因此，各廠商陸續(xù)推出白光LED專用驅(qū)動電路與相關(guān)組件。鑒于此，本文就 LED專用驅(qū)動電路的特性與今后的發(fā)展動向進(jìn)行簡單闡述。 1 定電流驅(qū)動的理由

1.1 白光LED的光度以順向電流規(guī)范

白光LED的順向電壓通常被規(guī)范成20mA時，最小為3.0V，最大為4.0V，也就是若單純施加一定的順向電壓時，順向電流會作大范圍的變化。

圖1是從A、B兩家LED企業(yè)的產(chǎn)品中隨機(jī)取三種白光LED樣品進(jìn)行順向電壓與順向電流特性檢測的結(jié)果。根據(jù)檢測結(jié)果顯示，若利用3.4V順向電壓驅(qū)動上述六種白光LED時，順向電流會在10~44mA范圍內(nèi)大幅變動。表1為白光LED的電氣與光學(xué)特性。

由于白光LED的光度與色度是以定電流方式量測的，所以，為獲得預(yù)期的亮度與色度，通常是用定電流驅(qū)動。

表2 為光學(xué)坐標(biāo)的等級(rank)(IF=25mA，Ta=250C)。

1.2 避免順向電流超越容許電流值

為確保白光LED的可靠性，基本上就是需要設(shè)法避免順向電流超過白光LED的絕對最大設(shè)計值(定格值)。

圖2中，白光LED的定格最大順向電流為30mA，隨著周圍溫度的上升，容許順向電流則持續(xù)衰減，如果周圍溫度為50℃，通常順向電流就不能超過20mA。此外，利用定電壓的驅(qū)動方式不易控制流入LED的電流值，因此就無法維持LED的可靠性。

2 白光LED的驅(qū)動方法

圖3是驅(qū)動白光LED常用的四種電源電路;圖4是上述六種隨機(jī)取樣白光LED穩(wěn)定后的ReguLation精度特性。

圖4的測試結(jié)果顯示，ReguLator的負(fù)載特性出現(xiàn)在白光LED的VF角落上，即圖中的交叉點就是各白光LED的穩(wěn)定動作點。

2.1 使用電壓ReguLator的驅(qū)動方式

圖3(a)的電路分別使用可以控制LED電流的電壓ReguLator與BaLLast電阻，這種電路的優(yōu)點是電壓ReguLator種類豐富，設(shè)計者可以選擇的自由度較大，而且與電壓ReguLator、LED的接點只有一點;缺點是BaLLast造成的電力損失會導(dǎo)致效率惡化。此外，LED的順向電流也無法獲得精密控制。

圖4(a)中可以看出，隨機(jī)取樣六個白光LED的順向電流，從14.2mA到18.4mA分布范圍非常廣，因此，A廠商LED的(平均值)順向電流高達(dá)2.0mA。相比之下，圖4(b)電路使用的ReguLator雖然有小型、低成本的優(yōu)點，缺點是可能會無法滿足性能與可靠性的要求，也就是說本電路的實用性相對較弱。

2.2 使用定電流輸出的電壓ReguLator驅(qū)動方式

圖3(b)的電路雖然可以使流入LED的所有電流穩(wěn)定化，不過為了匹配(Matching)各LED的電氣特性，電路中特別設(shè)置了一組 BaLLast電阻。

圖3(b)中的MAX1910屬于定電流輸出型的電壓ReguLator，雖然本電路使用同廠商、同批號(Lot)的白光LED，獲得了極佳的匹配性，不過，在使用不同廠商與批號的LED時，就會出現(xiàn)很大的特性差異分布。本電流Regu-Lator使用類似圖3(a)的方式控制驅(qū)動電流，不過它卻可以使BaLLast電阻的消費電力降低一半左右。

圖4(b)的測試結(jié)果顯示，流入六個隨機(jī)取樣白光LED的電流，從15.4mA到19.6mA，變化范圍非常大。因此，A廠商與B廠商兩者的 LED是以平均17.5mA的電流驅(qū)動。此電路的缺點是BaLLast電阻造成的電力損失有殘留之虞，而且又無法獲得LED電流的匹配性;不過整體而言，本電路兼具動作特性與簡潔性，所以具有相當(dāng)程度的使用價值。

2.3 使用輸出型的MuLti　PuLL電流Regu-Lator的驅(qū)動方式

圖3(c)的電路可以使流入LED的電流各自穩(wěn)定化，因此不需要使用BaLLast電阻，電流的精度與匹配性ReguLator則由各自的電流 ReguLator支配。

圖3(c)中的MAX1570　IC可以使上述電流ReguLation達(dá)成2%標(biāo)準(zhǔn)的電流精度，與0.3%標(biāo)準(zhǔn)的電流匹配性等目標(biāo)。

由MAX1570　IC構(gòu)成的電流ReguLator為低Drop　Out　Type，因此它的動作效率非常高。圖4(c)的測試結(jié)果顯示，使用圖3(c)的驅(qū)動電路時，流入六個隨機(jī)取樣白光LED穩(wěn)定化的電流為17.5mA。

雖然ReguLator與LED之間需要四個連接端子，不過此電路不需要BaLLast電阻，所以可以有效抑制封裝面積，因此非常適合應(yīng)用在封裝空間極為狹窄的小型液晶面板等領(lǐng)域。

2.4 使用升壓型電流ReguLator驅(qū)動的方式

圖3(d)的電路是利用可以使電流穩(wěn)定化的電感(Inductor)，構(gòu)成所謂的高效率Step　Up　Converter。本電路的最大特點是　Feed　Back　ThreshoLd電壓，可以減少電流檢測用電阻的電力損失。此外，LED采用串聯(lián)方式連接，所以流入白光LED的電流即使是在各種要求下，都能夠與LED完全取得匹配。有關(guān)電流的精度基本上取決于Regu-Lator的Feed　Back　ThreshoLd精度，因此不會受到LED順向電壓的影響。

由MAX1848與MAX1561　IC構(gòu)成的電流ReguLator的效率(PLED/PIN)分別是：三個 LED+MAX1848，87%;六個LED+MAX-1561， 84%。

Step　Up　Converter的另一優(yōu)點是Regu-Lator與LED之間需要兩個連接端子，而且LED的使用數(shù)量不會受到Step Up　Converter種類的影響，這意味著設(shè)計者會擁有更大的選擇空間。因此，Step　Up　Converter廣泛應(yīng)用在各種尺寸的液晶面板;電路的缺點是電感外形高度、組件成本偏高，有EMI輻射干擾。

3　結(jié)束語

以上介紹了白光LED常用的驅(qū)動電路，并通過實驗方式深入探討了各電路實際運行時的優(yōu)缺點和特性。由于LED結(jié)構(gòu)的限制，因此會有波長與驅(qū)動電流精度不易控制等困擾，隨著白光LED背光模塊應(yīng)用需求的不斷增加，如何改善上述波長與電流精度問題，同時降低驅(qū)動電路的制作成本，成為必須克服的問題。