高效率 LED 驅(qū)動電源設(shè)計

隨著LED生產(chǎn)成本下降，越來越多應(yīng)用開始采用這類組件，包括手持裝置、汽車電子和建筑照明等。LED擁有高可靠性、良好效率和超快響應(yīng)速度，所以很適合作為照明光源。雖然白熾燈泡的成本很低，更換費用卻可能很昂貴。街燈就是很好的例子，更換一個故障燈泡往往需要出動多位人員和一輛卡車。也因為如此，盡管LED和白熾燈泡的效率大致相等，許多街燈卻采用可靠性更高且更省電的LED。

白熾燈雖能發(fā)出連續(xù)光譜，卻常用于交通號志等只需綠光、紅光和黃光的場合。這類應(yīng)用須在白熾燈外加裝一個特定顏色的濾片，但它會造成六成的光能浪費。LED則能產(chǎn)生特定顏色的光，而且只要接通電源即可立即發(fā)亮，不像白熾燈需要200ms的反應(yīng)時間，因此汽車產(chǎn)業(yè)早就將LED用于車燈。另外，DLP視訊應(yīng)用也以LED作為光源，利用高速開關(guān)的LED取代原有機(jī)械組件。

LED的I-V特性
圖1是典型InGaAlP LED的正向電壓特性。LED電路模型可表示為一個電壓源串聯(lián)一個電阻，這個簡單模型與實際測量結(jié)果很吻合。電壓源為負(fù)溫度系數(shù)，因此正向電壓會隨著接面溫度升高而下降。InGaAlP LED(黃色與琥珀紅)的溫度系數(shù)在-3.0～-5.2mV/K之間，InGaN LED(藍(lán)、綠和白色)則介于-3.6～-5.2mV/K之間。負(fù)溫度系數(shù)是造成LED很難并聯(lián)的原因之一，因為越熱的組件會汲取越多的電流，越多的電流又會讓它的溫度進(jìn)一步升高，最后就變成熱失控。

圖1 以電壓源和串聯(lián)電阻作為LED電路模型后得到的I-V特性曲線

圖2是輸出光強(qiáng)度(光通量)與操作電流的關(guān)系，可以看出輸出光強(qiáng)度與二極管電流的關(guān)系很密切，只要改變正向電流就能調(diào)整LED的亮度。另外，這條曲線在電流較小時很像是一條直線，但其斜率在電流升高時會變得較小。這表示當(dāng)電流較小時，只要二極管電流加倍就會讓輸出光強(qiáng)度加倍。電流較大時則非如此，此時電流加倍只會讓輸出光強(qiáng)度提高八成。這項特性對LED很重要，因為它是由交換式電源所驅(qū)動，所以可能會遇到很大的紋波電流。其實電源供應(yīng)的成本在某種程度上就是由所允許的電流決定：紋波電流越大，電源供應(yīng)的成本就越低，只不過LED的輸出光強(qiáng)度也會受到影響。

圖2 LED效率在電流超過1A后開始下降

圖3是把三角紋波電流加到直流輸出電流后，輸出光強(qiáng)度減少的情形。由于紋波電流的頻率在多數(shù)情形下都遠(yuǎn)超過人眼所能分辨的80Hz，再加上人眼對光強(qiáng)度的反應(yīng)又呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，只要光強(qiáng)度減少不超過20%就不會被發(fā)現(xiàn)，因此就算LED電流的紋波很大，光強(qiáng)度也不會明顯減弱。

圖3 紋波電流造成LED輸出光強(qiáng)度略為下降

紋波電流還會增加LED耗電量，造成接面溫度上升，并對LED的使用壽命產(chǎn)生很大影響。圖4顯示LED輸出光強(qiáng)度與時間及接面溫度的關(guān)系。我們設(shè)定80%的輸出光強(qiáng)度為LED的使用壽命，則從圖4中可看出，當(dāng)溫度從74℃降至63℃時，LED使用壽命會從10 000小時增加為25 000小時。

圖4 接面溫度升高會縮短LED的使用壽命

圖5是紋波電流造成LED功耗增加的情形。由于紋波頻率比LED的熱時間常數(shù)高，因此就算紋波電流很大 (以及峰值功耗很大)也不會影響峰值接面溫度——這個溫度主要是由平均功耗決定。LED的大部份電壓降就像是一個電壓源，所以電流波形不會對功耗造成影響。然而電壓降中仍會有某些電阻分量，這部份的功耗等于電阻值乘以均方根電流的平方。