大功率LED照明驅(qū)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(qū)動電源的性能要求，LED 照明適合恒流源驅(qū)動。然后具體分析了LED 驅(qū)動的幾種匹配方式，包括全部串聯(lián)、全部并聯(lián)、混聯(lián)、交叉陣列和分布式恒流架構(gòu)。最后指出，對于大功率LED 照明來說，分布式恒流是未來驅(qū)動電源的發(fā)展方向。

引言

自從出現(xiàn)發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)以來，人們一直在努力追求實現(xiàn)固體光源。隨著科技的不斷進步，半導(dǎo)體材料應(yīng)用技術(shù)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)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(xiàn)出逐年遞增的趨勢。專家預(yù)計，LED 產(chǎn)品將在十年內(nèi)大范圍替代常規(guī)照明產(chǎn)品，屆時，LED 將能成為家喻戶曉的產(chǎn)品，帶來可觀的節(jié)能效果，LED 進入通用照明市場已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。

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(wǎng)電壓，它必須配有專用的電壓電流轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿足驅(qū)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(qū)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(qū)動方式，才能真正展現(xiàn)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(zhuǎn)換為光的過程，將電流通過化合物半導(dǎo)體，通過電子與空穴的結(jié)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?qū)▔航?VF)和正向電流(IF)的關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出，當(dāng)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(shù)，圖2 所示為光通量和正向電流的關(guān)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(yīng)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(qū)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(qū)動而不是恒壓驅(qū)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(guān)系，高溫會導(dǎo)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(guān)系曲線圖，從圖中可知，當(dāng)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(shè)計。因而，大功率LED 燈具必須要有良好的散熱性，對驅(qū)動電源而言，必須在溫度過高時能夠關(guān)斷輸出，起到保護作用。

2 大功率LED 與驅(qū)動電源的匹配方式

大功率LED 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于照明、裝飾類等產(chǎn)品，在設(shè)計LED 照明系統(tǒng)時，需要考慮用什么樣的LED 驅(qū)動器，以及LED 作為負(fù)載采用的串并聯(lián)方式，合理的配合設(shè)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(gòu)成照明燈具，已逐步應(yīng)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(guān)系到其可靠性和使用壽命。

2.1 LED 采用全部串聯(lián)方式

如圖4 所示，LED 采用全部串聯(lián)方式，即將多個LED 的正極對負(fù)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(yīng)串入限流電阻R。串聯(lián)方式要求LED 驅(qū)動器輸出較高的電壓，當(dāng)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(dāng)有一顆LED 發(fā)生短路時，如果是采用恒壓電源驅(qū)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(qū)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(qū)動，當(dāng)一顆發(fā)生短路時，由于驅(qū)動電流不變，將不會影響余下所有LED 的正常工作。

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

應(yīng)用此串聯(lián)方式，當(dāng)LED 數(shù)目較少時，電源兩端的輸出電壓不會太高。但是當(dāng)LED 數(shù)目較多時，特別是大功率LED 路燈等，通常數(shù)目至少都有幾十顆，這樣為了使LED 正常工作，其驅(qū)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。

2.2 LED 采用全部并聯(lián)方式

如圖6 所示，LED 采用全部并聯(lián)方式。這要求LED 驅(qū)動電源輸出較大的電流，負(fù)載電壓較低。每顆LED 的電壓一樣，而總電流是流經(jīng)每顆LED 的電流之和。當(dāng)LED 的一致性差別較大時，通過每顆LED的電流不一致，LED 的亮度也不同。

當(dāng)有一顆LED 因品質(zhì)不良斷開時，如果采用恒壓式驅(qū)動電源，電源輸出電流將減少，而不影響余下所有LED 的正常工作。如果是采用恒流式驅(qū)動電源，由于總輸出電流不變，這樣分配到每顆LED 的電流都增加，容易導(dǎo)致?lián)p壞所有的LED。因此，這種全部并聯(lián)的方式不適用于LED 數(shù)量較少的場合，因為只要一顆斷路，余下的每一顆都要額外增加較大的電流。當(dāng)并聯(lián)的LED 數(shù)量較多時，斷開某一顆時，分配到余下每一顆的電流并不大，對余下的LED 影響不大。所以，當(dāng)選擇全部并聯(lián)時，不應(yīng)當(dāng)選用恒流式驅(qū)動器。當(dāng)某一顆LED 因不良而短路時，那么所有的LED將不亮。

2.3 LED 采用混聯(lián)方式

這種方式，就是眾多LED 既有串聯(lián)，又有并聯(lián)。這種混聯(lián)方式有兩種解法，分別如圖7 和圖8所示，其分析方法基本和上述兩種連接方式一樣。

2.4 LED 采用交叉陣列形式

為了提高可靠性，降低熄燈幾率，出現(xiàn)了如圖9所示的交叉陣列形式的連接設(shè)計。圖9 是以15 顆LED 為例的設(shè)計圖，更多的LED 數(shù)量也可以參照此形式。這種交叉連接方式，即使個別LED 開路或短路，也不會影響發(fā)光組件的整體實效。

3 分布式恒流架構(gòu)

由于目前大功率LED 照明用的LED 數(shù)量較多，通常都有幾十個甚至上百個，選擇合適的驅(qū)動匹配方式顯得尤為重要。上述各種驅(qū)動方式各有優(yōu)缺點，但是，對于大功率LED 驅(qū)動電源來說，先恒壓再恒流，是未來LED 照明的主流設(shè)計方式，此方式被命名為分布式恒流，其主要架構(gòu)如圖10 所示。

該方式先通過一個開關(guān)穩(wěn)壓電源，輸出穩(wěn)定的直流電壓，然后在直流輸出端接上LED 模塊，LED 模塊上已經(jīng)有了恒流裝置。這樣將恒流技術(shù)分布到光源內(nèi)部，和LED 構(gòu)成一個相對獨立的模塊，這樣設(shè)計隨意性強，電源規(guī)格簡單，可以根據(jù)不同光通量要求而選擇不同數(shù)量的LED 模塊。這種LED 模塊的劃分，使得大功率LED 照明特別適用于路燈、隧道燈、公共場所照明、廣告燈箱等領(lǐng)域。分布式恒流設(shè)計LED 產(chǎn)品有著非常高的產(chǎn)品穩(wěn)定性。

分布式恒流技術(shù)，其穩(wěn)壓電源部分可以繼續(xù)采用傳統(tǒng)的開關(guān)電源進行恒壓的供電模式，因開關(guān)電源技術(shù)積累給LED 驅(qū)動電源設(shè)計創(chuàng)造了品質(zhì)條件。分布式恒流技術(shù)還需要在恒流節(jié)點上串接低壓差線性恒流驅(qū)動器，低壓差的驅(qū)動器關(guān)系到驅(qū)動效率。LED 恒流模塊設(shè)置靈活，不會因為支路電流變化而影響其它支路工作。分布式恒流可以根據(jù)應(yīng)用情況而靈活布置并聯(lián)支路和LED 模塊，從而保持各支路和整體線路的電流穩(wěn)定。驅(qū)動線路穩(wěn)定性直接影響產(chǎn)品整體穩(wěn)定性，分布式恒流在穩(wěn)定性方面有著獨有的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

大功率LED 照明正處在快速發(fā)展階段，由于價格成本高，目前還主要應(yīng)用在路燈、隧道燈等領(lǐng)域，距離大規(guī)模的商用和民用還有很長的路要走。大功率LED 照明大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用，離不開驅(qū)動電源技術(shù)的發(fā)展，選擇合適的驅(qū)動匹配方式，不僅可以保證LED 正常的照明效果，還能保證LED 的使用壽命，使LED 照明的優(yōu)勢真正得到體現(xiàn)。先恒壓，再線性恒流，是未來大功率LED 照明的驅(qū)動方式。在分布式LED 驅(qū)動設(shè)計中，色溫可調(diào)、灰度控制都變得方便。分布式恒流技術(shù)充分預(yù)留智能化接口，這是LED照明智能化發(fā)展的關(guān)鍵。在節(jié)能技術(shù)要求越來越高的今天，大功率LED 照明將成為照明技術(shù)發(fā)展的主流已成為共識，LED 照明時代也正在來臨。

參考文獻

[1] 靳孝峰，張琦. 白光LED 驅(qū)動器的技術(shù)探討[C]. 安陽工學(xué)院學(xué)報，2009，(4)：6 - 9.

[2] 劉靜. 試析LED 的應(yīng)用及發(fā)展前景[J]. 科技風(fēng)，2010，(18)：2 09.

[3] 路秋生. LED 照明與應(yīng)用[J]. 燈與照明，2009，33(4)：24- 28.

[4] 魏惠鳳，秦大為. 大功率LED 路燈驅(qū)動電源的設(shè)計[J]. 電工技術(shù)，2009，(5)：7 8- 80.

[5] 金尚忠，張在宣，侯民賢，郭志軍. 白光照明LED 燈溫度特性的研究[J]. 發(fā)光學(xué)報，2002，23(4)：399- 402.

更多資訊請關(guān)注：21ic照明頻道