LED的驅(qū)動電源：LED知識(十)

施克孝

（中廣國際建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100034）

1 LED的伏安特性

任何一個二極管，都可以用電流隨電壓變化的關(guān)系曲線描述其特性。因?yàn)殡妷旱膯挝皇恰胺保娏鞯膯挝皇恰鞍病保虼耍娏麟S電壓變化的關(guān)系曲線稱為“伏安特性曲線”。LED的伏安特性曲線如圖1所示。

圖1 LED的伏安特性曲線

從LED的伏安特性曲線可以看出以下幾點(diǎn)：

（1）在LED外加正向偏壓時，產(chǎn)生正向電流。開始電壓值較小時，電流很小，LED不發(fā)光，如圖中的0到a點(diǎn)這一段。只有電壓超過一定數(shù)值（圖中的a點(diǎn)）后，電流才隨電壓的增加迅速增加，LED發(fā)光。因此，a點(diǎn)的電壓值稱為開啟電壓。

（2）圖中的b點(diǎn)是正常工作時電壓和電流的數(shù)值。不同功率、不同材料的LED的工作電壓也略有不同，例如，AlInGaP LED的正向電壓降UF為3 V， InGaN LED的正向電壓降UF為3.4 V。當(dāng)然，LED正常工作時的電壓和電流（b點(diǎn)）都有一個上下浮動的工作范圍，電壓低一些，電流就會小一些，但這時發(fā)光也會少一些；電壓高一些，電流就會大一些，發(fā)光也會多一些，但電壓過高LED會因電流過大而燒毀。一般b點(diǎn)應(yīng)選在發(fā)光效率相對較高的區(qū)域。

（3）LED如果外加反向偏壓，只有少量的反向電流流過P-N結(jié)。反向電流的數(shù)值非常小，在一定電壓范圍內(nèi)，反向電流Is基本不變（一般為幾微安），稱為反向飽和電流。但反向電壓大到一定數(shù)值時，電流曲線會出現(xiàn)拐點(diǎn)（圖中c點(diǎn)），到了圖中的d點(diǎn)，會出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。例如，AlInGaP LED的反向擊穿電壓為-20 V，而InGaN LED的反向擊穿電壓只有-7V。

由此可見，LED與普通二極管的主要區(qū)別有兩點(diǎn)：一，它在正向偏壓下工作并發(fā)光；二，它的正向壓降比普通整流二極管要大。

2 驅(qū)動電源

能夠使LED發(fā)光的電源一般稱為“驅(qū)動電源”。本來就是給LED供電的電源，為什么要加上“驅(qū)動”兩個字呢？這里有兩層含義：其一，是在LED的P-N結(jié)兩端要加上一個“合適”的電壓，驅(qū)使其發(fā)光；其二，是因?yàn)長ED具有負(fù)溫度系數(shù)特性。所謂負(fù)溫度系數(shù)特性，就是P-N結(jié)的溫度升高時，LED的內(nèi)阻反而變小，從而LED本身的電壓降減小；LED的電壓降變小了，電流會增大；電流變大了，結(jié)溫進(jìn)一步升高，結(jié)溫升高會使LED的內(nèi)阻進(jìn)一步減小，電流又繼續(xù)增加。這樣的惡性循環(huán)會燒毀LED器件。LED的負(fù)溫度系數(shù)特性就要求其供電電源保證LED不被燒毀（不因驅(qū)動電源的原因燒毀），并且要保證其工作狀態(tài)的穩(wěn)定，因而產(chǎn)生了“驅(qū)動”的概念。

LED的驅(qū)動電源可以是電池加上附屬電路實(shí)現(xiàn)，也可以是交流電源通過整流濾波及附屬電路實(shí)現(xiàn)。大功率LED的驅(qū)動電源一般都是交流電源供電。

3 驅(qū)動電源的分類

驅(qū)動電源一般按兩種方式分類。

3.1 按驅(qū)動方式分類

（1）恒壓驅(qū)動

顧名思義，驅(qū)動電源的輸出電壓是恒定不變的。因?yàn)檩敵鲭妷翰蛔儯琇ED的內(nèi)阻因某種原因變小時，回路電流會變大；LED的內(nèi)阻因某種原因變大時，回路電流會變小。

從圖1可以看出，LED正向伏安特性的工作區(qū)域具有“恒壓”特性，即正常工作時在很大的電流變化范圍內(nèi)，電壓變化很小；電源很小的電壓變化，會產(chǎn)生很大的電流變化，造成LED失控或損壞。故恒壓驅(qū)動電源不宜在大功率LED燈具中使用，即使小功率LED也要加限流電阻等保護(hù)措施。

恒壓驅(qū)動電源“最怕”回路短路。為了避免回路短路造成元器件損壞，使用的恒壓驅(qū)動電源都應(yīng)有過電流保護(hù)功能。

（2）恒流驅(qū)動

恒流驅(qū)動就是輸出電流恒定的驅(qū)動電源。因輸出電流不變，故當(dāng)LED的內(nèi)阻變小時，其電壓會變小；反之，當(dāng)LED的內(nèi)阻變大時，其電壓也會變大。

應(yīng)該說，恒流驅(qū)動比恒壓驅(qū)動更合理，因?yàn)長ED的發(fā)光效率取決于流過它的電流。當(dāng)然，恒流驅(qū)動也有弱點(diǎn)，它“最怕”開路（斷開電路）。為了避免回路開路造成元器件損壞，大功率驅(qū)動電源都有過電壓保護(hù)功能。

3.2 按電路結(jié)構(gòu)分類

按電路結(jié)構(gòu)可分為電阻降壓式、電阻電容降壓式、變壓器降壓式、PWM（脈寬調(diào)制）控制式等。影視、舞臺行業(yè)照明最常用的方式就是PWM控制式。

4 驅(qū)動電源的主要技術(shù)要求

對大功率LED驅(qū)動電源的主要技術(shù)要求有：

（1）驅(qū)動電源的輸出電壓要大于LED的工作電壓，如果是多個LED串聯(lián)，驅(qū)動電源的輸出電壓要大于多個LED串聯(lián)電壓之和；驅(qū)動電源的輸出電流要大于LED的工作電流，如果是多個LED并聯(lián)，驅(qū)動電源的輸出電流要大于各個支路的電流之和。也就是說，驅(qū)動電源的輸出功率要大于LED的總使用功率，通常驅(qū)動電源的輸出功率要留有一定的余量。

（2）在滿足LED正常工作的前提下，驅(qū)動電源自身的功率消耗要盡可能小，靜態(tài)電流也要小，即驅(qū)動電源自身的效率要高。

（3）要求有過電壓及過電流保護(hù)措施。

（4）為便于小尺寸封裝，外圍組件要少而小，所占印刷電路板面積小。

（5）安裝及維護(hù)使用方便。

（6）驅(qū)動電源工作時對其他設(shè)備的電磁干擾要符合相關(guān)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。

（7）對于有調(diào)光要求的LED光源或燈具，驅(qū)動電源的輸出電流要可調(diào)，并可設(shè)定電流的大小。

（8）盡可能高的使用壽命。目前，驅(qū)動電源是LED燈具使用壽命的瓶頸之一，它的壽命往往決定著燈具的使用壽命。驅(qū)動電源的壽命又主要取決于電解電容的壽命。目前正在進(jìn)行無電解電容LED驅(qū)動電源的研制，以期從根本上消除制約LED驅(qū)動電源的瓶頸。

5 幾種LED接線方式

（1）LED全串聯(lián)電路

驅(qū)動電源驅(qū)動全串聯(lián)方式的LED，如圖2所示，其優(yōu)點(diǎn)是流經(jīng)所有LED的驅(qū)動電流是一樣的，這樣可以保證LED的亮度、顏色和色溫最接近。

在多個LED串聯(lián)的情況下，如果有一個LED發(fā)生短路，就會變成圖3那樣。如果采用恒壓驅(qū)動方式，因少了3號LED，其他4個LED兩端的電壓會升高，驅(qū)動電流會加大，容易造成剩余LED的損壞。如果是恒流驅(qū)動，因驅(qū)動電流不變，一只LED短路，不會影響其他LED的正常工作。

如果3號LED不是短路，而是燒毀斷開——這也是一種常見的故障——其他LED因無電流而全部不亮。為避免這種情況的發(fā)生，可以在每只LED上并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管（也稱齊納二極管），如圖4所示。如果3號LED開路，就會變成圖5那樣。3號LED斷開后，驅(qū)動電源的電壓會全部加到穩(wěn)壓二極管C上，致使穩(wěn)壓二極管C擊穿導(dǎo)通。回路導(dǎo)通，剩余的4個LED發(fā)光。值得注意的是，穩(wěn)壓二極管的導(dǎo)通電壓要略高于LED的導(dǎo)通電壓，否則在正常情況下會造成穩(wěn)壓二極管導(dǎo)通而與其并聯(lián)的LED不發(fā)光。

（2）LED全部采用并聯(lián)方式

這種連接方式如圖6所示，其驅(qū)動電源要求電壓低，電流是各個LED的電流之和，因此電流大。驅(qū)動電源不管是恒壓驅(qū)動還是恒流驅(qū)動，每個LED管兩端的電壓相同，若各個LED的內(nèi)阻不同，就會造成各個LED發(fā)光亮度、顏色和色溫等參數(shù)的較大差別。因此，這種電路要求各個LED的參數(shù)盡可能一致。采用這種連接方式，當(dāng)其中一個LED燒毀開路，如果是恒壓驅(qū)動，不會影響其他4個LED的正常工作；如果是恒流驅(qū)動，少了一個LED，其他4個LED的驅(qū)動電流會加大，容易造成其他LED的燒毀。如果并聯(lián)的LED數(shù)量越大，這種影響越小。

圖2 全串聯(lián)方式LED電路

圖3 一個LED短路的情況

圖4 并聯(lián)穩(wěn)壓管的LED串聯(lián)電路（A）

圖5 并聯(lián)穩(wěn)壓管的LED串聯(lián)電路（B）

圖6 LED全部并聯(lián)電路

圖7 先串聯(lián)后并聯(lián)的LED混聯(lián)電路

圖8 先并聯(lián)后串聯(lián)的LED混聯(lián)電路

（3）混聯(lián)電路

先串聯(lián)后并聯(lián)的混聯(lián)方式，如圖7所示，保證了電路的可靠性（每一個串聯(lián)支路的故障不會影響其他支路的正常發(fā)光），比單純的串聯(lián)形式可靠性高得多。如果是恒壓驅(qū)動，一個支路斷路，除整個燈具的亮度有所降低外，其他沒有影響。若是恒流驅(qū)動，在并聯(lián)LED支路數(shù)量較多的情況下，斷開一個支路對其他支路的影響不大。這種電路由于通過每個支路的電流相近，所以LED的亮度基本一致。

另一種故障形式是，某一串聯(lián)支路中的一個LED品質(zhì)不良而短路時，不管是恒壓驅(qū)動還是恒流驅(qū)動，由于該支路的總電阻減小，電流增大，會造成該支路其他LED的的損壞，最終會表現(xiàn)為該支路斷路。

先串聯(lián)后并聯(lián)線路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單、亮度穩(wěn)定、可靠性高，并對器件的要求相對較低，即使個別LED單管失效，對整個發(fā)光組件的影響較小。在工作環(huán)境因素變化較大的情況下，這種連接方式的發(fā)光組件效果較為理想。

先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式，如圖8所示，要求每個并聯(lián)LED的參數(shù)盡可能一致。如果參數(shù)差別較大，除亮度、色溫不一致外，還容易造成個別LED的損壞。當(dāng)有一個LED因品質(zhì)不良而短路時，不管采用恒壓驅(qū)動電源還是恒流驅(qū)動電源，并聯(lián)在這一支路的LED將全部不亮（LED兩端電壓為零）。如果采用恒流驅(qū)動，除短路的一組LED不亮外，其余LED可正常工作。若并聯(lián)的LED數(shù)量較多，流過短路的LED的電流較大，容易把其燒成斷路。斷開一個LED后，在并聯(lián)LED較多的情況下，其余LED的電流增加不多，依然可正常工作。

在一臺燈具中，如果有數(shù)十個甚至上百個LED，適宜采用圖8的先并聯(lián)后串聯(lián)電路。這種連接方式實(shí)際上是一種交叉陣列式的連接方式，在LED眾多的情況下，不管哪一個LED斷路或短路，都可保證大多數(shù)LED的正常工作，因而提高了整個LED電路的可靠性。

舞臺用LED燈具與民用LED燈具可能有較大區(qū)別。民用LED沒有很高的調(diào)光要求，電源部分成本可省則省，電路相對簡單。舞臺LED燈具電源部分相對要復(fù)雜得多，一般由兩部分組成：前級是一個穩(wěn)壓電源，將高壓交流電變成低壓直流電，后級是PWM的可調(diào)穩(wěn)流驅(qū)動電路，業(yè)內(nèi)常稱為電源和驅(qū)動兩部分。

目前，各大公司及研究機(jī)構(gòu)對LED光源及其驅(qū)動電源的研究方興未艾，已有各種形式的驅(qū)動電源可以選購。LED驅(qū)動電源的核心是LED驅(qū)動芯片，也稱LED驅(qū)動器IC。近年來，國內(nèi)外LED驅(qū)動芯片的廠家采用新技術(shù)、新工藝，相繼開發(fā)出一大批性能先進(jìn)、各具特色的專用集成電路。在影視、舞臺燈具中，除驅(qū)動LED正常工作外，還有一些特殊的要求，例如累計(jì)LED燈具的總工作時間，以統(tǒng)計(jì)燈具的使用壽命；在燈具側(cè)面用一塊液晶屏顯示（可控制輪換顯示多個參數(shù)）光源的色溫、電壓、電流、溫度等參數(shù)，以加強(qiáng)對燈光系統(tǒng)的數(shù)字化管理。

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