LED的特性及驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展趨勢(shì)

蔣天堂

(昆明學(xué)院自動(dòng)控制與機(jī)械工程系，昆明650118)

1 概述

傳統(tǒng)的照明光源存在發(fā)光效能低(一般白熾燈發(fā)光效能20 lm/W，普通節(jié)能燈40～50lm/W)、耗電量大、使用壽命短，光線中含有大量的紫外線、紅外線輻射，照明燈具一般是交流驅(qū)動(dòng)，不可避免的產(chǎn)生頻閃而損害人的視力，普通節(jié)能燈的電子鎮(zhèn)流器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，且熒光燈含有大量的汞和鉛等重金屬，無(wú)法全部回收則造成環(huán)境污染等問(wèn)題。現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的發(fā)展迫切需要一種高效節(jié)能、無(wú)污染、無(wú)公害的綠色照明技術(shù)取代傳統(tǒng)照明技術(shù)。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)科學(xué)家的技術(shù)攻關(guān)，一種新型光源技術(shù)——LED照明技術(shù)正在趨于成熟。

LED具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能、安全、綠色環(huán)保、色彩豐富等顯著優(yōu)點(diǎn)。是全球新興產(chǎn)業(yè)，LED有巨大節(jié)能作用，將會(huì)取代傳統(tǒng)光源，從而引發(fā)人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環(huán)境，緩解全球日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)。

2 LED的特性

(1) LED是單向?qū)щ娖骷捎谶@個(gè)特點(diǎn)，就要用直流電流或者單向脈沖電流給LED供電。

(2) LED是一個(gè)具有PN結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，具有勢(shì)壘電勢(shì)，這就形成了導(dǎo)通門限電壓，加在LED上的電壓值超過(guò)這個(gè)門限電壓時(shí)LED才會(huì)充分導(dǎo)通。LED的門限電壓一般在2.5V以上，正常工作時(shí)的管壓降為3～4V。

(3) LED的電流一電壓特性是非線性的，流過(guò)LED的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動(dòng)勢(shì)減去LED的勢(shì)壘電勢(shì)后再除以回路的總電阻(電源內(nèi)阻、引線電阻和LED體電阻之和)。因此，流過(guò)LED的電流和加在LED兩端的電壓不成正比。

(4) LED的PN結(jié)的溫度系數(shù)為負(fù)，溫度升高時(shí)LED的勢(shì)壘電勢(shì)降低。由于這個(gè)特點(diǎn)，所以LED不能直接用電壓源供電，必須采取限流措施，否則隨著LED工作時(shí)溫度的升高，電流會(huì)越來(lái)越大，以致?lián)p壞LED。

(5) 流過(guò)LED的電流和LED的光通量的比值也是非線性的。LED的光通量隨著流過(guò)LED的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來(lái)光通量增加得越少。因此，應(yīng)該使LED在一個(gè)發(fā)光效率比較高的電流值下工作。

(6) LED也和其他光源一樣，所能承受的電功率是有限的。如果加在LED上的電功率超過(guò)一定數(shù)值，LED可能損壞。

(7) 由于生產(chǎn)工藝和材料特性方面的差異，同樣型號(hào)的LED的勢(shì)壘電勢(shì)以及LED的內(nèi)阻也不完全一樣，這就導(dǎo)致LED工作時(shí)的管壓降不一致。

3 LED驅(qū)動(dòng)電源的幾種配置

LED不能象傳統(tǒng)光源那樣直接使用供電電源，需要驅(qū)動(dòng)電路將供電電源變換為直流電流才能工作。LED驅(qū)動(dòng)電路的類型、結(jié)構(gòu)與供電電源的類型有關(guān)，通常分為直流供電、交流供電兩大類。

3.1 直流供電

指能直接提供直流電流的各種干電池、蓄電池和太陽(yáng)能電池等，根據(jù)所提供的電源電壓又可分為以下幾種形式。

3.1.1 低電壓驅(qū)動(dòng)

低電壓驅(qū)動(dòng)就是指用低于LED正向?qū)▔航档碾妷候?qū)動(dòng)LED，如一節(jié)普通干電池或鎳鉻/鎳氫電池，其正常供電電壓為0.8～1.65V。低電壓驅(qū)動(dòng)LED需要把電壓升高到足以使LED導(dǎo)通的電壓值。對(duì)于LED這樣的低功耗照明器件，這是一種常見(jiàn)的使用情況，如LED手電筒、LED應(yīng)急燈、節(jié)能臺(tái)燈等。由于受單節(jié)電池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比較高的變換效率。另外，考慮到有可能配合一節(jié)5號(hào)電池工作，還要有最小的體積，其最佳技術(shù)方案是電荷泵式升壓變換器。

3.1.2 過(guò)渡電壓驅(qū)動(dòng)

過(guò)渡電壓驅(qū)動(dòng)是指給LED供電的電源電壓值在LED管壓降附近變動(dòng)，這個(gè)電壓有時(shí)可能略高于LED管壓降，有時(shí)可能略低于LED管壓降。如一節(jié)鋰電池或者兩節(jié)串聯(lián)的鉛酸電池，滿電時(shí)電壓在4V以上，電快用完時(shí)電壓在3V以下。用這類電源供電的典型應(yīng)用有LED礦燈等。過(guò)渡電壓驅(qū)動(dòng)LED的電源變換電路既要解決升壓?jiǎn)栴}又要解決降壓?jiǎn)栴}，為了配合一節(jié)鋰電池工作，也需要有盡可能小的體積和盡量低的成本。一般情況下功率也不大，其最高性價(jià)比的電路結(jié)構(gòu)是反極性電荷泵式變換器。

3.1.3 高電壓驅(qū)動(dòng)

高電壓驅(qū)動(dòng)是指給LED供電的電壓值始終高于LED管壓降，如6V、12V、24V蓄電池，典型應(yīng)用有太陽(yáng)能草坪燈、太陽(yáng)能庭院燈、機(jī)動(dòng)車的燈光系統(tǒng)等。高電壓驅(qū)動(dòng)LED要解決降壓?jiǎn)栴}，由于高電壓驅(qū)動(dòng)一般是由普通蓄電池供電，會(huì)用到比較大的功率(如機(jī)動(dòng)車照明和信號(hào)燈光)，應(yīng)該有盡量低的成本。變換器的最佳電路結(jié)構(gòu)是串聯(lián)開(kāi)關(guān)降壓電路。

3.2 交流供電(市電驅(qū)動(dòng))

這是一種對(duì)LED照明應(yīng)用最有價(jià)值的供電方式，是半導(dǎo)體照明普及應(yīng)用必須要解決好的問(wèn)題，交流供電(市電驅(qū)動(dòng))應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)，一般要經(jīng)過(guò)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓(或穩(wěn)流)等環(huán)節(jié)，使交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路為L(zhǎng)ED提供合適的工作電流，還要有比較高的變換效率、有較小的體積和較低的成本。另外，還應(yīng)該解決安全隔離問(wèn)題。考慮到對(duì)電網(wǎng)的影響，還要解決好電磁干擾和功率因數(shù)問(wèn)題。對(duì)中小功率的LED，其最佳電路結(jié)構(gòu)是隔離式單端反激變換器。對(duì)于大功率的應(yīng)用，應(yīng)該使用橋式變換電路。

4 LED驅(qū)動(dòng)電源面臨的問(wèn)題

LED照明燈具有巨大節(jié)能作用，將會(huì)取代傳統(tǒng)光源，從而引發(fā)人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環(huán)境，緩解全球日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)，在LED大放異彩的同時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)電源則是LED產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的保障，LED電源的品質(zhì)直接制約了LED產(chǎn)品應(yīng)用的可靠性，因此，在LED產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善的今日，LED驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展和成熟也至關(guān)重要。

由于LED是特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負(fù)溫度特性，因而在應(yīng)用過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定工作狀態(tài)和保護(hù)，從而產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)的概念。LED器件對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。LED是2～3伏的低電壓驅(qū)動(dòng)，必須要設(shè)計(jì)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。國(guó)際市場(chǎng)上國(guó)外客戶對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的效率轉(zhuǎn)換、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容的要求都非常高，設(shè)計(jì)一款好的電源必須要綜合考慮這些因數(shù)，因?yàn)殡娫丛谡麄€(gè)燈具中的作用就好比像人的心臟一樣重要。2009年，雖然金融危機(jī)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的影響很大，但是歐美等國(guó)際市場(chǎng)對(duì)大功率LED電源的需求量還是很大，相應(yīng)的高端LED產(chǎn)品的出口量受金融危機(jī)影響較小。2008年中國(guó)LED應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)值已超過(guò)450億元RMB，LED示范應(yīng)用路燈、LED全彩顯示屏顯示器件、太陽(yáng)能LED、景觀照明、消費(fèi)類電子背光、信號(hào)、指示等應(yīng)用仍然是主要應(yīng)用領(lǐng)域。但是在市場(chǎng)一片繁榮的背景下，LED產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求混亂，市場(chǎng)上LED產(chǎn)品如火如荼的發(fā)展態(tài)勢(shì)下，就LED驅(qū)動(dòng)電源企業(yè)而言，目前面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)。首先是驅(qū)動(dòng)電路整體壽命，尤其是關(guān)鍵器件如電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命。其次是LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)挑戰(zhàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，尤其是在驅(qū)動(dòng)大功率LED時(shí)更是如此，因?yàn)樗形醋鳛楣廨敵龅墓β识甲鳛闊崃亢纳ⅲ娫崔D(zhuǎn)換效率的過(guò)低，影響了LED節(jié)能效果的發(fā)揮。第三，以大調(diào)光比高效率地對(duì)LED調(diào)光，同時(shí)能夠保證在高和低亮度時(shí)顏色特性恒定。同時(shí)要降低成本，目前在功率較小(1～5W)的應(yīng)用場(chǎng)合，恒流驅(qū)動(dòng)電源成本所占的比重已經(jīng)接近1/3，已經(jīng)接近了光源的成本，一定程度上影響了市場(chǎng)推廣。

5 LED驅(qū)動(dòng)電源發(fā)展的趨勢(shì)

LED由于環(huán)保、壽命長(zhǎng)、光電效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在各行業(yè)應(yīng)用得以快速發(fā)展，LED的驅(qū)動(dòng)電源成了關(guān)注熱點(diǎn)，理論上，LED的使用壽命在10萬(wàn)小時(shí)以上，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)方式選擇不當(dāng)，使LED極易損壞。當(dāng)前很多廠家生產(chǎn)的LED燈類產(chǎn)品(比如護(hù)欄、燈杯、投射燈)，采用阻、容降壓，然后加上一個(gè)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，向LED供電，這樣驅(qū)動(dòng)LED的方式存在極大缺陷，首先是效率低，在降壓電阻上消耗大量電能，甚至有可能超過(guò)LED所消耗的電能，且無(wú)法提供大電流驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殡娏髟酱螅脑诮祲弘娮枭系碾娔芫驮酱螅院芏喈a(chǎn)品的LED不敢采用并聯(lián)方式，均采用串聯(lián)方式降低電流。其次是穩(wěn)定電壓的能力極差，無(wú)法保證通過(guò)LED電流不超過(guò)其正常工作要求，設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)都會(huì)采用降低LED兩端電壓來(lái)供電驅(qū)動(dòng)，這樣是以降低LED亮度為代價(jià)的。采用阻、容降壓方式驅(qū)動(dòng)LED，LED的亮度不能穩(wěn)定，當(dāng)供電電源電壓低時(shí)，LED的亮度變暗，供電電源電壓高時(shí)，LED的亮度變亮些。

未來(lái)的方式是，先恒壓，再線性恒流整合方式。電壓保證在一定范圍內(nèi)適應(yīng)負(fù)載需要，按LED有不同的Vf值3～3.6V之間，可按LED實(shí)際數(shù)量乘于3V計(jì)算出最低值，再按3.6V電壓乘于數(shù)量計(jì)算出最大可能電壓值，最終確定電源部分需要調(diào)整的電壓范圍。再線性恒流源后端恒流，可以多路恒流源并聯(lián)使用，也可以單路多個(gè)恒流源增加電流使用。前端電壓源部分采樣檢測(cè)恒流源壓差，調(diào)整合適負(fù)載需求電壓，從而達(dá)到高效、靈活的驅(qū)動(dòng)線路需求。恒流源需要低壓差線性恒流器件，線性恒流源有著很好的電流誤差，也會(huì)有很好的灰度表現(xiàn)。在小電流時(shí)可以有1～3V的壓差，在大電流方面必須要200～300mV低壓差，才會(huì)有較高的效率，那樣線性恒流源需要另外供電。其實(shí)每種驅(qū)動(dòng)方式均有優(yōu)、缺點(diǎn)，根據(jù)LED產(chǎn)品的要求、應(yīng)用場(chǎng)合，合理選用LED驅(qū)動(dòng)方式，精確設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源成為關(guān)鍵。

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