LED及其驅動(dòng)電路設計基礎

　　前言

　　照明伴隨著(zhù)人類(lèi)文明的發(fā)展已經(jīng)有幾千年的歷程。從最原始的鉆木取火到種類(lèi)繁多的各種光源，如白熾燈、鹵素燈、日光燈、節能燈、LED燈等等，照明產(chǎn)品不斷向著(zhù)高效、節能、環(huán)保、高科技方向發(fā)展。LED的誕生和發(fā)展為人類(lèi)照明提供了高質(zhì)量、絢麗多彩的光環(huán)境。它被廣泛的應用于民用照明、工業(yè)照明、醫療照明、汽車(chē)照明等不同領(lǐng)域。隨著(zhù)LED在各個(gè)領(lǐng)域的不同應用需求，LED驅動(dòng)電路也在不斷進(jìn)步和發(fā)展。本文針對LED和LED驅動(dòng)電路設計作了相應的介紹、分析和展望。

　　LED 和傳統光源相比較的特點(diǎn)

　　相對于傳統光源，LED具有顯著(zhù)的優(yōu)勢：

　　LED發(fā)光是由電能直接轉換成光的過(guò)程。比較起傳統光源，如白熾燈先由電能轉化為熱能，然后再由熱能轉化成光能的發(fā)光的發(fā)光過(guò)程，LED具有高光效，節能的優(yōu)勢，此外在適當的驅動(dòng)條件下，LED燈具有壽命長(cháng)等特點(diǎn)。

　　LED具有發(fā)光響應塊，光源造型多變，色彩控制靈活的優(yōu)點(diǎn)。

　　LED和傳統光源相比具有良好的低溫特性。

　　LED和傳統光源相比，不存在諸如水銀、鉛等環(huán)境污染物，因此更加綠色環(huán)保。

　　盡管LED比較起傳統光源具有名顯優(yōu)勢，但是目前LED燈成本較高，驅動(dòng)電路設計、光學(xué)系統、機械設計比較復雜。

　　LED 發(fā)光原理

　　LED–Light Emitting Diode發(fā)光二極管，是一種能發(fā)光的半導體電子元件。LED發(fā)光是一種注入式電致發(fā)光。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(cháng)越短。而光的波長(cháng)決定了光的顏色。

　　發(fā)光波長(cháng)：

　　式中：h—普朗克常數； c—光速；—半導體的禁帶寬度。

　　LED 發(fā)光原理如圖1所示：

　　圖1 LED 發(fā)光原理

　　LED 結構

　　LED基本機構包括LED芯片、電極、焊接線(xiàn)，以及構成LED整個(gè)封裝機械部件和光學(xué)部件如LED芯片支架、透鏡、硅膠、環(huán)氧樹(shù)脂、熒光粉等。

　　LED分為單芯片封裝，多芯片封裝產(chǎn)品。隨著(zhù)科技的發(fā)展部分保護元件或部分LED驅動(dòng)電路元件也和LED芯片一同封裝。

　　單芯片LED 基本結構如圖2，圖3所示：

　　圖2 SMD封裝 LED結構　　 圖3 插件封裝 LED結構

　　LED 主要參數

　　電參數

　　最大正向工作電流IF：是指LED正常工作情況下，允許加在LED的最大的正向電流值。

　　最大浪涌電流IFM：允許加在LED的最大的浪涌電流值。

　　正向工作電壓VF：是在給定的正向電流下得到的二極管正向工作電壓。

　　最大反向電壓VR：LED PN結所允許的最大反向電壓。

　　額定功率PD：允許加于LED兩端正向直流電壓與流過(guò)它的電流乘積的最大值。

　　光學(xué)參數

　　峰值發(fā)射波長(cháng)p：光譜輻射功率最大的值所對應的波長(cháng)。

　　光譜半波寬Δλ：峰值發(fā)射波長(cháng)的輻射功率的1/2所對應兩波長(cháng)的間隔。

　　光通量Φv：通過(guò)發(fā)光二極管的正向電流為規定值時(shí)，器件光學(xué)窗口發(fā)射的光通量。

　　光強：點(diǎn)光源在給定方向上，單位立體角內發(fā)出的光通量，單位坎德拉（Cd）。

　　半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。半角值二倍為視角（半功率角）。

　　色度坐標x、y、z：1931CIE-XYZ系統，就是在RGB系統的基礎上，用數學(xué)方法，選用三個(gè)理想的原色來(lái)代替實(shí)際的三原色。從而將CIE-RGB系統中的光譜三刺激值 和色度坐標r、g、b均變?yōu)檎怠?/p>

　　顯色指數CRI：與標準的參考光源相比較，一個(gè)光源對物體顏色外貌所產(chǎn)生的效果。換句話(huà)說(shuō)，CRI是一個(gè)光源與標準光源（例如日光）相比較下在顏色辨認方面的一種測量方式。

　　色溫TC（Color Temperature）：光源的光輻射所呈現的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí)，稱(chēng)黑體的溫度（TC）為光源的色溫度。

　　其它參數

　　操作溫度：發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。

　　熱阻：熱流通道上的溫度差與通道上耗散功率之比，LED的熱阻定義（Rth j-s）：從PN結（j） 到焊點(diǎn)（s）的熱阻。

　　結溫：LED P-N 結區所能承受的溫度的額定最大值。

　　常規特性曲線(xiàn)

　　LED 常規特性曲線(xiàn)如下圖所示。以下常規特性曲線(xiàn)基于OSRAM LCW CRDP.PC 規格書(shū)舉例說(shuō)明：

圖4相對光通量和LED驅動(dòng)電流 圖5 LED 正向導通電流和LED正向導通壓降

圖6 LED溫度和LED正向導通壓降　　 圖7相對光通量和LED溫度

圖8色坐標和LED溫度 　　圖9最大正向導通電流和LED溫度

圖10 LED抗脈沖電流沖擊曲線(xiàn)

　　LED在電路中的連接方式

　　LED在電路中的連接方式主要包括串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)混合連接。

　　LED 串聯(lián)

　　LED串聯(lián)連接方式的特點(diǎn)是總壓降等于所有LED壓降之和，每顆LED電流相等。由于各串聯(lián)LED工作電流相等，每顆LED的光通量輸出和壽命具有良好的一致性。但是在光通量要求比較高而且LED驅動(dòng)電流已經(jīng)限定的情況下，需要較多顆數的LED串聯(lián)， 因此LED串連的壓降比較高，對于元件額定電壓的選擇，以及安規設計有比較高的要求。另外由于每顆LED正向導通壓降的不同（特別是不同電壓Bin的情況下）容易造成不同批次或同一批次不同LED負載電壓公差比較大，特別是相對于同樣流明輸出的LED并聯(lián)情況下LED負載變化范圍比較寬。在恒流精度要求比較高的情況下要求驅動(dòng)電路有比較好的負載調整率。

　　LED串聯(lián)使用并在恒流驅動(dòng)條件下，當其中一顆或幾顆短路時(shí)，其它未短路的LED可以正常工作，但其中任何一顆或幾顆LED開(kāi)路情況下，其它LED 將無(wú)法點(diǎn)亮。

　　LED串聯(lián)，如下圖11所示：

　　圖11 LED串聯(lián)電路

　　LED 并聯(lián)

　　并聯(lián)連接方式的特點(diǎn)是總電流等于各并聯(lián)LED電流之和，加載在各串LED的電壓相等。由于LED最大電流的限制，可用多個(gè)較小額定電流的LED并聯(lián)來(lái)實(shí)現較高的光通量輸出。由于LED并聯(lián)電壓相對比較低，因此對LED驅動(dòng)電路元件的額定電壓要求比較低，額定電流要求比較高。但是如果各LED正向導通壓降不同（特別是在LED不同電壓Bin的情況下），容易造成各LED不均流，從而導致LED亮度不均勻。隨著(zhù)LED結溫的不斷升高，這種不均流將加劇，在不均流比較嚴重的情況下如果驅動(dòng)電流大于LED最大工作電流時(shí)容易造成LED損壞。為減小此種不均流現象，可以通過(guò)選用同一電壓Bin的LED 進(jìn)行并聯(lián)使用。

　　LED并聯(lián)使用，當其中某一顆或幾顆LED開(kāi)路時(shí)，其它LED在未過(guò)流的情況下可以工作。但其中任何一顆LED短路情況下，其它并聯(lián)LED燈將無(wú)法點(diǎn)亮。

　　LED并聯(lián)，如下圖12所示：

　　圖12 LED 并聯(lián)電路

　　LED 串并聯(lián)混合連接方式

　　LED串并聯(lián)或LED矩陣的連接方式隨著(zhù)光通量要求的不斷提高和光學(xué)設計的多樣化需求在LED燈中廣泛應用。在同樣流明輸出的情況下（特別是對于較高流明輸出的LED燈的電路設計），這種串并聯(lián)混合的連接方式既避免了多顆LED串聯(lián)導通壓降比較高的問(wèn)題，又可以兼具LED并聯(lián)連接方式的優(yōu)點(diǎn)，即可以用多個(gè)較低功率的LED和較低LED驅動(dòng)電壓的方式來(lái)實(shí)現更高的光通量輸出。但是由于LED正向導通壓降的不同（特別是在LED不同電壓Bin的情況下），串并聯(lián)混合連接電路中不均流問(wèn)題仍然存在。

　　LED 串并聯(lián)混合連接方式，當某顆或某串LED損壞，在其它LED未過(guò)流驅動(dòng)的情況下，未損壞的LED仍然可以點(diǎn)亮工作。

　　LED串并聯(lián)混合連接如下圖13所示：

　　圖13 LED串并聯(lián)電路

　　LED矩陣如下圖14所示：

　　圖14 LED矩陣

　　LED 驅動(dòng)器的主要實(shí)現方式

　　恒流驅動(dòng)

　　恒流驅動(dòng)電路輸出的電流是基本恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著(zhù)負載阻值的大小不同在一定范圍內變化的驅動(dòng)電路。恒流驅動(dòng)是比較理想的LED驅動(dòng)方式。

　　常用的恒流驅動(dòng)電路可分為線(xiàn)性L(fǎng)ED恒流驅動(dòng)電路和開(kāi)關(guān)模式LED恒流驅動(dòng)電路。

　　對于線(xiàn)性恒流LED恒流驅動(dòng)電路，其具備電路簡(jiǎn)單，成本較低的特點(diǎn)。由于不需要電感，高頻變壓器，電解電容等元件，大大降低了電路成本和提高了EMI特性，延長(cháng)了LED驅動(dòng)器的使用壽命。

　　基于BCR420U的線(xiàn)性恒流LED驅動(dòng)電路如下圖15所示：

　　圖15 基于BCR420U的線(xiàn)性恒流LED驅動(dòng)電路

　　開(kāi)關(guān)模式LED恒流驅動(dòng)電路，比較起線(xiàn)性恒流驅動(dòng)電路，具有高效率，高恒流精度的特點(diǎn)。根據不同輸入輸出條件可靈活選擇升壓，降壓，升降壓等拓樸結構。開(kāi)關(guān)模式LED恒流驅動(dòng)電路應用領(lǐng)域廣泛。但開(kāi)關(guān)模式的LED恒流驅動(dòng)電路相對復雜，成本較高。

　　基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驅動(dòng)電路如下圖16所示：

　　圖16 基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驅動(dòng)電路

　　恒壓驅動(dòng)

　　恒壓LED驅動(dòng)電路，是輸出電壓基本恒定的。常用的恒壓驅動(dòng)電路可分為線(xiàn)性L(fǎng)ED恒壓驅動(dòng)電路和開(kāi)關(guān)模式LED恒流驅動(dòng)電路。線(xiàn)性恒壓LED驅動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，成本低，適合驅動(dòng)低功率LED，但電路效率比較低；開(kāi)關(guān)模式恒壓LED電路，比較起線(xiàn)性恒壓電路效率比較高，可靠性好。由于LED伏安特性的非線(xiàn)性，很小的電壓變化就會(huì )引起很大的電流變化，如果用恒壓源直接驅動(dòng)，LED電流會(huì )隨著(zhù)LED負載電壓的微小變化而發(fā)生急劇變化，甚至會(huì )燒毀LED。因此在實(shí)際應用中， 恒壓驅動(dòng)電源一般會(huì )在LED負載前接入電阻限流或恒流LED驅動(dòng)電路。圖17所示為基于TDA4863-2G的恒壓電路+BCR450線(xiàn)性恒流電路的LED驅動(dòng)解決方案。

　　圖17基于TDA4863-2G的恒壓+BCR450線(xiàn)性恒流的LED驅動(dòng)解決方案

　　恒功率驅動(dòng)

　　恒功率驅動(dòng)電路輸出功率基本恒定。比較起恒壓驅動(dòng)，在同樣的LED負載電壓變化情況下，恒功率LED驅動(dòng)有較好的恒流精度。

　　恒功率驅動(dòng)電路主要以開(kāi)關(guān)電源的拓撲結構為基礎，應用于LED驅動(dòng)電路中，其優(yōu)點(diǎn)是可以減小由于LED結溫升高造成的光衰。如圖7所示，在LED燈點(diǎn)亮后結溫升高，特別是在LED結溫比較高的情況下，如果采用恒流驅動(dòng)光通量輸出將隨著(zhù)結溫的升高而下降，也就是光衰現象。在恒功率驅動(dòng)的情況下，隨著(zhù)LED結溫的升高，負載LED的壓降會(huì )降低，LED的驅動(dòng)電流會(huì )有所增加，如圖4所示，由于驅動(dòng)電流的增加LED光通量輸出將增加，因此彌補了由于LED結溫升高造成的光通量減少現象，從而減小了LED 燈的光衰現象。

　　交流驅動(dòng)

　　隨著(zhù)LED材料技術(shù)，封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，AC LED已經(jīng)問(wèn)世并不斷改進(jìn)和發(fā)展。AC LED是指交流電直接驅動(dòng)LED。一般來(lái)講， AC LED為了得到高電壓而使用多個(gè)LED芯片串聯(lián)，并將兩路LED反向并聯(lián)，或者連同一些整流橋，電阻等其它電子元件封裝在一起的模組。這種AC LED雖然操作簡(jiǎn)便（可直接交流電驅動(dòng)）但頻閃、總諧波失真以及LED燈珠的使用率等方面有待提高。

　　脈沖驅動(dòng)

　　脈沖驅動(dòng)是以高速開(kāi)關(guān)的脈寬調制的方式來(lái)直接驅動(dòng)LED，通過(guò)改變脈沖寬度或者開(kāi)關(guān)頻率的方式來(lái)改變LED驅動(dòng)電流的有效值，從而改變LED的亮度。LED具有快速的瞬態(tài)響應特，當開(kāi)關(guān)頻率大于人眼的視覺(jué)閃爍頻率，人眼觀(guān)察的LED為連續發(fā)光。脈沖驅動(dòng)適用于可調光LED電路，RGB混光LED電路，或者LED矩陣顯示屏等電路中。

　　相對于恒流驅動(dòng)，由圖4和圖7所示，LED亮度和驅動(dòng)電流以及溫度的關(guān)系是非線(xiàn)性的，通過(guò)調整驅動(dòng)脈沖占比的方式可實(shí)現更好的線(xiàn)性調光功能。色坐標和色溫會(huì )隨著(zhù)LED隨著(zhù)結溫的變化而偏移，在RGB混光電路的應用中，可同調整脈沖頻率和占空比來(lái)補償由于溫度變化造成的色坐標和色溫漂移。但是在脈沖驅動(dòng)有效電流值和恒流驅動(dòng)電流值相等的情況下，采用恒流驅動(dòng)電路的效率會(huì )高于脈沖驅動(dòng)電路。

　　基于BCR321U的脈沖驅動(dòng)RGB調光電路如下圖所示：

　　圖18 基于BCR321U的脈沖驅動(dòng)RGB調光電路

　　不同光環(huán)境對LED和LED驅動(dòng)器的設計需求

　　隨著(zhù)LED技術(shù)的發(fā)展，LED在民用，工業(yè)，汽車(chē)等領(lǐng)域的應用更加廣泛。因此，在不同的應用場(chǎng)合對LED和LED驅動(dòng)器的要求也有所不同。

　　室內照明

　　對于室內照明產(chǎn)品，通常以替換傳統燈為主的標準化接口的LED燈為主，其輸出功率比較小。

　　因此LED和LED驅動(dòng)器要求：一，高效節能，壽命長(cháng)，性?xún)r(jià)比高。二，高質(zhì)量的光學(xué)特性，比如說(shuō)高顯色指數和寬光譜的LED光源，并且光源需要具有良好的穩定性（其中包括無(wú)頻閃和良好的線(xiàn)性調光等）。三，造型新穎的個(gè)性化的燈具。

　　室外照明

　　對于室外照明產(chǎn)品，具有操作溫度，濕度環(huán)境比較惡劣，功率比較大，系統比較復雜的特點(diǎn)。

　　因此LED和LED 驅動(dòng)器要求：一，高效率，可靠性好，壽命長(cháng)。二，除了對LED驅動(dòng)電路要求比較高以外，整個(gè)系統的光學(xué)設計和散熱，防水設計也尤為重要。三，對于比較復雜的系統進(jìn)行標準化，模塊化設計。四，智能燈光控制系統設計更加廣泛應用。

　　特殊照明

　　對于特殊照明種產(chǎn)品類(lèi)繁多，設計需求多樣化，行業(yè)標準不完善等特點(diǎn)。隨著(zhù)特殊照明產(chǎn)品的發(fā)展使LED的應用具有無(wú)限種可能性。

　　例如低溫照明產(chǎn)品要求LED和LED 驅動(dòng)器低溫下可以正常工作，并且高效節能，可靠性好，光衰小。

　　例如醫療照明產(chǎn)品，對LED光學(xué)特性有特殊要求，例如：LED?光手術(shù)燈， ?需要過(guò)濾紅外線(xiàn)以避免造成紅外線(xiàn)灼傷問(wèn)題，高顯色性，特定的光學(xué)設計，如無(wú)影燈。另外醫療照明產(chǎn)品對于LED 驅動(dòng)器具有較高的可靠性和壽命要求。

　　例如汽車(chē)照明產(chǎn)品，要求LED和LED 驅動(dòng)器具有良好的高低溫特性，較高的可靠性和壽命。同時(shí)滿(mǎn)足特定的光學(xué)設計和行業(yè)法規要求等。

　　LED 驅動(dòng)電路的發(fā)展展望

　　一，小型化方向發(fā)展

　　隨著(zhù)LED燈性能，裝配，低成本的要求不斷提高，LED驅動(dòng)電路電路趨向于高效率，精簡(jiǎn)，高密度裝配發(fā)展方向。特別是消費類(lèi)照明產(chǎn)品，電路拓撲結構由相對比較復雜的隔離方案趨向于比較簡(jiǎn)單的非隔離方案。高壓線(xiàn)性驅動(dòng)模式的LED驅動(dòng)方案也不斷的發(fā)展和應用于LED產(chǎn)品中。

　　二，主要元件高集成度方向發(fā)展

　　隨著(zhù)LED 驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)單化要求，驅動(dòng)電路集成度不斷提高，特別是LED驅動(dòng)IC集成度不斷提高，外圍元件不斷精簡(jiǎn)，功能更加強大。另外作為光源重要組成部分的LED也衍生出具有高集成度的新產(chǎn)品，不僅實(shí)現多芯片封裝，部分電路元件也被集成在LED中，比如AC LED，COB，OLED等。

　　三，大功率驅動(dòng)電源產(chǎn)品逐步向模塊化，標準化發(fā)方向發(fā)展

　　部分大功率LED 驅動(dòng)電源產(chǎn)品尚處于恒壓源配備恒流模塊使用階段，隨著(zhù)客戶(hù)對產(chǎn)品性能、外觀(guān)等方面要求的提高，配備恒流模塊的恒壓源產(chǎn)品將逐步被恒壓恒流一體化的模塊化產(chǎn)品所取代。

　　四，智能化方向發(fā)展

　　參數設定，運行監控，遠程控制，系統可擴展性為L(cháng)ED智能化的主要方面。

　　基于智能開(kāi)發(fā)平臺，通過(guò)更改軟件設計，設定不同參數，對產(chǎn)品進(jìn)行系列設計，功能擴展，有效縮短研發(fā)周。RGB 混光技術(shù)的智能控制技術(shù)的廣泛應用實(shí)現LED的亮度，顏色和色溫進(jìn)行任意調節，來(lái)營(yíng)造更加豐富高質(zhì)量的光環(huán)境。遙控技術(shù)，通訊技術(shù)在LED領(lǐng)域的應用使產(chǎn)品應用更加便捷。

　　結束語(yǔ)

　　本文討論了LED的基本參數和特性以及LED驅動(dòng)電路的設計基礎知識，并基于LED行業(yè)發(fā)展現狀展望了LED驅動(dòng)電路的發(fā)展方向。隨著(zhù)半導體元件技術(shù)的發(fā)展和電子技術(shù)的不斷提高，經(jīng)濟可靠的LED驅動(dòng)IC及品類(lèi)繁多的半導體開(kāi)關(guān)器件，可用于設計安全高效的LED驅動(dòng)電路。