驅(qū)動(dòng)LED中恒流二極管的研究（二）

三.幾種恒流二極管的參數(shù)

下面列出幾種常用的恒流二極管的參數(shù)

四.恒流二極管的散熱

由于恒流二極管要吸收市電電壓的變化而有可能會(huì)承受很高的電壓，假如電流也很大的話(huà)，它的功耗有可能會(huì)相當(dāng)大，也就必須要有很好的散熱，以免損壞內(nèi)部的芯片。恒流二極管的散熱主要取決于它的管殼封裝。各種不同封裝的散熱能力主要表現(xiàn)在它的熱阻。下面就來(lái)看一下各種封裝的熱阻。

由表中可見(jiàn)，On-semi公司的NSI50350ADT4G所采用的D-PAK具有最小的熱阻，其耗散功率高達(dá)11W。不過(guò)如果整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)于這樣高的耗散功率也說(shuō)明其效率不高，是需要避免的。

五.恒流二極管作為LED的驅(qū)動(dòng)源

我們知道LED必須采用恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)，否則由于它的負(fù)溫度系數(shù)，而會(huì)使電流急劇上升導(dǎo)致結(jié)溫升高，壽命縮短。而恒流二極管的恒流作用恰恰可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。最簡(jiǎn)單的方法就是直接和LED串聯(lián)。但是我們?cè)诎押懔鞫O管用于LED驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意選擇恰當(dāng)?shù)碾娏骱湍蛪骸?/p>

3.1 最低電壓

由于恒流二極管需要一定的電壓Vk才能夠進(jìn)入恒流，所以太低的電源電壓是無(wú)法工作的。通常這個(gè)Vk大約在5-10V左右，所以大多數(shù)采用電池供電的LED是無(wú)法工作的。

3.2 最大電流由于恒流二極管的功耗受到限制，所以過(guò)大的電流也是不合適的。例如1W的LED通常需要350mA，恒流二極管就很難提供。

3.3 目前比較合適的使用場(chǎng)合就是交流市電供電的LED燈具，采用很多小功率LED串聯(lián)，也就是高壓小電流的情況是最為合適。

圖10就是一種用于球泡燈的恒流二極管驅(qū)動(dòng)源。其負(fù)載是80顆3014，總功率為8W。所用的恒流二極管也是恒流在30mA。假如手頭的恒流二極管只有5mA的，就需要6個(gè)并聯(lián)。

圖10. 采用恒流二極管作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電源

在這里，恒流二極管的作用就是要在輸入市電電壓變化時(shí)，保持輸出電流不變。但是由于恒流二極管的耐壓有一定的限制，所以它所能吸收的電源電壓變化也是有限的。就拿100V耐壓的CRD來(lái)說(shuō)，用在220V市電電源里，都還只能對(duì)付有限的電壓變化。220V經(jīng)過(guò)橋式整流以后它的輸出直流電壓大約為264V。如果市電變化+10%，~-15%，就相當(dāng)于整流后為290~187V，電壓變化103V。已經(jīng)超過(guò)其耐壓了。假如所用的LED為80顆，那么總電壓為264V，正好相當(dāng)于220V經(jīng)過(guò)橋式整流以后的值。這時(shí)候恒流二極管上沒(méi)有壓降，但是這時(shí)候它是不能工作的而至少需要10V壓降，也就是要求整流后電壓為274V，市電電壓為228VAC。那時(shí)候恒流二極管壓降為最小，功耗也最小，只有0.03Ax10V=0.3W，整體效率為最高可達(dá)96%(當(dāng)然還要考慮整流器的效率，實(shí)際上還會(huì)低一些)。如果市電增高至242VAC，那么恒流二極管電壓就增高為26.4V，其功耗也增加到0.79W，這時(shí)候效率就等于91%。

如果市電電壓低于228V，是不是恒流二極管就不工作呢?并不是，但的確是不恒流了，這時(shí)候它和LED就會(huì)達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn)，那就是二者的電壓和等于市電電壓經(jīng)過(guò)整流后的電壓。因?yàn)長(zhǎng)ED伏安特性的非線(xiàn)性，所以很難用公式來(lái)表示?？傊?dāng)市電電壓降低時(shí)，LED中的電流就會(huì)隨市電電壓的降低而降低。其亮度也會(huì)跟著變暗。

下面舉一個(gè)實(shí)測(cè)的結(jié)果為例，這是一個(gè)80顆3014串聯(lián)的球泡燈，采用了5顆Semitek 的S-562T并聯(lián)。它在不同的輸入市電電壓時(shí)，所測(cè)得的結(jié)果如下表所示。

由表中可知，當(dāng)市電電壓在200~225VAC的服務(wù)內(nèi)變化時(shí)基本上可以保持恒流在27.1~27.8mA的范圍內(nèi)，而且效率在82.5%~95.79%范圍內(nèi)，即使在輸入電壓過(guò)低而無(wú)法恒流時(shí)，它的效率還能高達(dá)98-99%，這是采用恒流二極管的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。

它的唯一的缺點(diǎn)是功率因素比較低，只有0.535~0.543。

3.4無(wú)源功率因素校正

如果需要提高功率因素可以采用無(wú)源功率因素校正(見(jiàn)圖11)?？梢园压β室驍?shù)提高到0.9左右，但是會(huì)增加兩個(gè)大電解電容(22uF，250V)和三個(gè)二極管，在球泡燈里會(huì)受到體積的限制，而且成本會(huì)提高、效率也會(huì)降低。

圖11 無(wú)源功率因素校正

3.5有源功率因數(shù)校正

假如要求更高的功率因數(shù)，就可以采用有源功率因數(shù)校正。

美國(guó)安森美公司加了一個(gè)功率因素校正芯片NCP1014的恒流二極管的電源，其電原理圖見(jiàn)圖12。

圖12. 非隔離式電源原理圖

這個(gè)電源的基本指標(biāo)如下：

圖13. NCP1014LEDGT外形圖

其實(shí)這個(gè)電源的核心就是一個(gè)恒流二極管NSI45025，以確保LED恒流在25mA。所以它只能用于小功率貼片式的LED。其中外加的集成電路NCP1014實(shí)際上是一個(gè)有源式的功率因數(shù)校正(PFC)，可以把它的功率因數(shù)提高到>0.9以滿(mǎn)足美國(guó)能源之星的要求。輸入端的L1,C1,C2是一個(gè)防電磁干擾EMI的濾波器。它的缺點(diǎn)是非隔離，所以220V會(huì)直接加到負(fù)載LED上。但是歐盟IEC 61347-2-13 (5/2006)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在LED負(fù)載端電壓不可超過(guò)25VAC或35VDC。所以采用非隔離電源是無(wú)法出口歐盟的。

六.使用恒流二極管時(shí)的性能擴(kuò)展

在選用現(xiàn)有的各種型號(hào)恒流二極管時(shí)經(jīng)常遇到所需要的電流或電壓不能滿(mǎn)足要求的情況。下面介紹幾種方法解決這些問(wèn)題。

6.1 加大恒流電流

為了加大電流，最簡(jiǎn)單的方法就是用幾個(gè)恒流二極管并聯(lián)(圖12)，

圖12. 多個(gè)恒流二極管并聯(lián)以增大電流

但是這會(huì)增加成本，因?yàn)楹懔鞫O管比較貴。另一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，就是用一個(gè)晶體三極管來(lái)加大電流。圖13表明了采用NPN和PNP三極管進(jìn)行電流放大的電原理圖。

圖13. 采用NPN和PNP三極管加大恒流電流

它們實(shí)際上都是利用小電流恒流二極管提供三極管的基極電流，經(jīng)過(guò)三極管放大β倍以后再供給負(fù)載。圖14表明其輸出電流和R1的關(guān)系。

圖14. 放大以后的恒流特性

其實(shí)這種方法在批量生產(chǎn)中是行不通的，因?yàn)楦鱾€(gè)晶體三極管的β有所不同，輸出的恒流值也不同。除非對(duì)三極管的β值進(jìn)行挑選分檔，那也會(huì)增加成本。但可以用于對(duì)恒流值的精確度要求不高的場(chǎng)合。

6.2 增高耐壓

有不少現(xiàn)成的恒流二極管的耐壓往往不夠高，當(dāng)然最簡(jiǎn)單的方法就是用兩個(gè)或幾個(gè)恒流二極管串聯(lián)。同樣這樣成本就會(huì)增高。也可以用增加一些其它器件來(lái)提高。

1.串聯(lián)齊納管

最簡(jiǎn)單的方法就是和恒流二極管串聯(lián)一個(gè)齊納二極管來(lái)提高耐壓(圖15)。

圖15 采用齊納二極管來(lái)增高耐壓

這種方法可將起始電壓提高到齊納二極管的電壓V2，但是在低于這個(gè)電壓時(shí)，也就無(wú)法恒流。

2.串聯(lián)一個(gè)MOS管來(lái)增加耐壓(圖16)

圖16. 串聯(lián)一個(gè)MOS管來(lái)增加恒流二極管的耐壓

但是這時(shí)由于MOS管承擔(dān)了大部分耐壓，因而其功耗很大，效率降低。有一個(gè)實(shí)例采用了75個(gè)小功率LED串聯(lián)后，再兩串并聯(lián)。恒流于34mA。在最高輸入電壓時(shí)，MOS管上壓降達(dá)70V，功耗2.38W，還需要很好的散熱器散熱。

下面是實(shí)測(cè)的結(jié)果。

在最高輸入電壓時(shí)的總效率只有67%，所以還是應(yīng)當(dāng)采用足夠耐壓的恒流二極管。

6.3 采用恒流二極管時(shí)的PWM調(diào)光(圖17)

圖17. 用PWM信號(hào)來(lái)對(duì)恒流二極管供電的LED調(diào)光

采用PWM信號(hào)調(diào)光以后可以避免由于改變電流而引起的光譜偏移。但是不能采用只有兩條管腳的恒流二極管，而必須采用帶有控制開(kāi)斷管腳的至少3條管腳的恒流二極管。

七.結(jié)束語(yǔ)

采用恒流二極管作為L(zhǎng)ED的恒流驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。尤其適合于小功率市電LED燈具，如球泡燈和日光燈和吸頂燈。但是由于受到功耗的限制，它只能用于高壓小電流的情況。負(fù)載只能是多個(gè)小功率LED的串聯(lián)或是采用集成的“高壓LED”。而且，如果直接采用交流整流，電容濾波的方案，會(huì)有功率因素不高的缺點(diǎn)，而必須采用無(wú)源功率因素補(bǔ)償?shù)姆桨浮＿@些都是在使用時(shí)需要考慮的。