LED的驅動(dòng)電源與連接形式
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1、引言
隨著(zhù)LED在燈光裝飾和照明中的普遍使用， LED的供電裝置—LED驅動(dòng)器對LED高光效、長(cháng)壽命等特 點(diǎn)的合理發(fā)揮愈發(fā)顯得重要。本文根據LED的特性，對LED驅動(dòng)電路作了分類(lèi)，并詳細討論了LED連接形式，為L(cháng)ED驅動(dòng)電路設計提供有效參考。
2、LED的V-I、TJ-IV 特性
LED由于環(huán)保、壽命長(cháng)、光效高、體積小等眾多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在各行業(yè)中的應用快速發(fā)展。理論上，LED的使用壽命在10萬(wàn)小時(shí)以上，但實(shí)際應用中，如驅動(dòng)電源設計及驅動(dòng)方式選擇不當，LED極易受損毀壞，無(wú)法達到應有壽命。LED的生產(chǎn)廠(chǎng)家有上百成千家，LED產(chǎn)品規格不盡相同，設計LED驅動(dòng)電源，首先要了解LED的電流、電壓（I-V）特性以及LED芯片結溫與發(fā)光強度的關(guān)系。圖1-1為L(cháng)ED的典型I-V特性曲線(xiàn)，下式為L(cháng)ED正向電壓的表式：
?。═-25℃）
?。?）式中，Vturn-on 是LED的啟動(dòng)電壓；RS 表示伏安曲線(xiàn)的斜率；T 環(huán)境溫度；ΔVF/ΔT是LED正向電壓的溫度系數，對于多數LED而言典型值為-2V/℃。
圖1-2 LED結溫與發(fā)光強度的關(guān)系
從LED的伏安曲線(xiàn)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(guò)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(xiàn)。若按25℃環(huán)境溫度時(shí)LED的光輸出為100%計，120℃環(huán)境溫度時(shí)LED的光輸出下降為70%，顯見(jiàn)在輸入電壓和環(huán)境溫度等條件可能發(fā)生變動(dòng)的情況下，LED驅動(dòng)源應能控制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驅動(dòng)源的分類(lèi)與特性
按LED供電電壓的高低可將LED驅動(dòng)源分成三類(lèi)：第一類(lèi)為電池供電驅動(dòng)源，一般電壓低于5V，用于便攜式電子產(chǎn)品中驅動(dòng)小及中功率LED，電路結構主要采用升壓式DC/DC，升壓式（或升降壓式）電荷泵變換器，少數采用LDO穩壓電源或電瓶供電。第二類(lèi)為高電壓供電驅動(dòng)源，用于供電電壓值始終高于LED管壓降，如6V，9V，12V或24V等場(chǎng)合，電路結構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(lèi)為市電驅動(dòng)源，這是LED照明應用最有價(jià)值的供電方式。市電驅動(dòng)源要解決整流、降壓、效率、體積、成本等問(wèn)題，還應考慮安全、EMC、功率等因素，首選的電路結構是隔離反激式或單級反激式PFC電路）。
LED驅動(dòng)源的電路結構大致有下述數種：
直流驅動(dòng)源電路
圖1-3 利用功率晶體管構建的直流驅動(dòng)源電路
圖1-3所示為利用功率晶體管構建的直流驅動(dòng)源電路。圖1-3（a）中，當輸入信號為邏輯高平時(shí)，晶體管VT導通，發(fā)光二極管點(diǎn)燃，IF通過(guò)滿(mǎn)足下式的電阻R限定：
R =（VCC - VF - VCES）/ IF ?。?）
式中，IF為L(cháng)ED的正向工作電流，VF為規定工作電流下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處于導通狀態(tài)時(shí)，LED將被VT鉗位，即VF = VCES，無(wú)法點(diǎn)燃。當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R =（VCC - VF）/IF選取。
TTL驅動(dòng)源
圖1-4為T(mén)TL驅動(dòng)源電路：
圖1-4 TTL驅動(dòng)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驅動(dòng)源電路
圖1-5為采用CMOS的驅動(dòng)源電路。CMOS器件輸出電流一般較小，需數塊CMOS并聯(lián)才能驅動(dòng)LED，如圖1-5（a）和（b）所示。有時(shí)，也可如圖1-5（C）所示在CMOS后加功率晶體管擴展驅動(dòng)電流。圖1-5（D）電路中的CMOS器件一旦驅動(dòng)，輸出電壓即鉗位在LED的VF左右。
交流驅動(dòng)源電路
圖1-6所示為兩只反向并聯(lián)的LED使用交流驅動(dòng)的電路。這種電路，即使輸入電壓極性未知，正負半周均有一只二極管顯示發(fā)光。交流源驅動(dòng)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。
脈沖驅動(dòng)源電路
圖1-7為用NUD4001組成的脈沖驅動(dòng)源電路，調整Rext1值可控制恒流電流的大小。
由圖1-7電流波形可知，脈沖驅動(dòng)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(cháng)，故對LED來(lái)說(shuō)，脈沖驅動(dòng)方式是最有實(shí)用價(jià)值的方式?？紤]到脈沖驅動(dòng)方式利用了人視覺(jué)的暫留原理，因此PWM的工作頻率設定不能低于100 Hz，否則會(huì )有光線(xiàn)閃爍的感覺(jué)。脈沖驅動(dòng)源電路的缺點(diǎn)是線(xiàn)路復雜，成本較高。
4、LED的連接形式
作為驅動(dòng)源電路的負載，LED通常需幾十甚至上百個(gè)組合構成發(fā)光組件，通過(guò)下述刑事與驅動(dòng)源電路連接。
串聯(lián)連接
多個(gè)LED的正極對負極連接成串和限流電阻R再與驅動(dòng)源電路連接，如圖1-8(左)，圖中Vcc代表驅動(dòng)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，驅動(dòng)源電路的輸出端電壓應為Vcc = VD + VR = 20.0V。
一般由于Vf離散性造成單個(gè)LED光強的變化量在10％以?xún)?，發(fā)光組件亮度基本上可保持均勻。出現LED器件短路，If將上升，考慮到單個(gè)LED器件的Vf會(huì )隨If增加而增加，工作電流不會(huì )大于30mA，具體電流值與所采用不同的LED單管有關(guān)，實(shí)驗中測量為28mA左右。出現單個(gè)LED開(kāi)路，將導致整串LED熄滅，不過(guò)LED開(kāi)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、負極與負極組成的并聯(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)多數采用該連接方式。通常采用多顆LED組成發(fā)光面時(shí)，應盡量用選發(fā)光亮度相同的LED，無(wú)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?chē)冒l(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(chēng)柔和。
交叉陣列連接
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