大功率LED照明驅(qū)動(dòng)匹配方式研究

文章分析了大功率LED 的原理和工作特性，LED 的特性也決定了驅(qū)動(dòng)電源的性能要求，LED 照明適合恒流源驅(qū)動(dòng)。然后具體分析了LED 驅(qū)動(dòng)的幾種匹配方式，包括全部串聯(lián)、全部并聯(lián)、混聯(lián)、交叉陣列和分布式恒流架構(gòu)。最后指出，對(duì)于大功率LED 照明來(lái)說(shuō)，分布式恒流是未來(lái)驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展方向。

引言

自從出現(xiàn)發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)以來(lái)，人們一直在努力追求實(shí)現(xiàn)固體光源。隨著科技的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體材料應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，白光LED 固體光源的性能得到不斷完善并進(jìn)入實(shí)用階段。白光LED 是一種新興產(chǎn)品，在照明市場(chǎng)備受矚目。它與白熾鎢絲燈和熒光燈相比，主要優(yōu)點(diǎn)為體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、耐振動(dòng)和沖擊以及無(wú)污染。LED 固體照明是人類(lèi)照明史上繼白熾燈、熒光燈之后新的照明革命。

從第一批LED 進(jìn)入市場(chǎng)的幾十年間，LED 的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，包括：大屏幕彩色顯示、照明燈具、激光器、液晶顯示屏背光源、探測(cè)器、交通信號(hào)燈等。在全球能源緊缺、環(huán)保要求不斷提高的情況下，LED越來(lái)越多地進(jìn)入到各種照明領(lǐng)域中，且LED 作為新一代照明光源在照明市場(chǎng)中所占的比重也呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢(shì)。專(zhuān)家預(yù)計(jì)，LED 產(chǎn)品將在十年內(nèi)大范圍替代常規(guī)照明產(chǎn)品，屆時(shí)，LED 將能成為家喻戶(hù)曉的產(chǎn)品，帶來(lái)可觀的節(jié)能效果，LED 進(jìn)入通用照明市場(chǎng)已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。

LED 雖然在節(jié)能方面比普通光源的效率高，但是LED 光源卻不像一般的光源一樣可以直接使用電網(wǎng)電壓，它必須配有專(zhuān)用的電壓電流轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)LED 的額定電壓和電流，才能使LED正常工作。不同的LED 照明燈具，不同的照明用途和功率大小，LED 驅(qū)動(dòng)電源的規(guī)格也不同。所以，選擇合適、高效的LED 電源，選擇正確的驅(qū)動(dòng)方式，才能真正展現(xiàn)LED 光源高效能的特性。

1 大功率LED 的工作特性

LED 的發(fā)光原理就是將電能轉(zhuǎn)換為光的過(guò)程，將電流通過(guò)化合物半導(dǎo)體，通過(guò)電子與空穴的結(jié)合，過(guò)剩的能量將以光的形式釋出，達(dá)到發(fā)光的效果。圖1 所示為正向?qū)▔航?VF)和正向電流(IF)的關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出，當(dāng)正向電壓超過(guò)某個(gè)閾值后，IF 隨著VF 的上升而快速上升，較小的電壓變化都會(huì)引起電流的較大變化。大功率LED 的光特性通常被描述為電流IF 的函數(shù)，圖2 所示為光通量和正向電流的關(guān)系曲線圖。LED 的光通量由流過(guò)LED 的電流決定，LED 光通量隨著流過(guò)LED 的電流的增加而增加，但卻不成正比，越到后面光通量增加得越少。電流過(guò)強(qiáng)會(huì)引起LED 的衰減，電流過(guò)弱會(huì)影響LED 的發(fā)光強(qiáng)度，因此應(yīng)使LED 在一個(gè)發(fā)光效率最高的電流值下工作。采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED 的可靠性和壽命。這也決定著LED 照明適合恒流驅(qū)動(dòng)而不是恒壓驅(qū)動(dòng)，以保證大功率LED 使用的安全性，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。

另外，LED 的光通量和溫度也成反比關(guān)系，高溫會(huì)導(dǎo)致LED 的光輸出降低，LED 的光波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移，發(fā)光顏色發(fā)生變化。且溫度的升高會(huì)使LED 的正向電壓降低，從而大大縮短LED 的壽命，加速光衰。圖3 所示為不同熱阻的的1W LED 的允許順向電流和環(huán)境溫度的關(guān)系曲線圖，從圖中可知，當(dāng)溫度達(dá)到70～100℃時(shí)，LED 的恒流需要線性地減少，直到120℃這一點(diǎn)達(dá)到零，恒流下降點(diǎn)和減少斜率取決于散熱設(shè)計(jì)。因而，大功率LED 燈具必須要有良好的散熱性，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源而言，必須在溫度過(guò)高時(shí)能夠關(guān)斷輸出，起到保護(hù)作用。

2 大功率LED 與驅(qū)動(dòng)電源的匹配方式

大功率LED 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于照明、裝飾類(lèi)等產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)LED 照明系統(tǒng)時(shí)，需要考慮用什么樣的LED 驅(qū)動(dòng)器，以及LED 作為負(fù)載采用的串并聯(lián)方式，合理的配合設(shè)計(jì)才能保證LED 正常工作。用LED 作為大功率照明燈具，通常都是由多顆LED 組成，少則十幾二十顆，多則上百顆。如此多的單獨(dú)的LED 組合在一起來(lái)組成發(fā)光組件構(gòu)成照明燈具，已逐步應(yīng)用于路燈、隧道燈、工礦燈、商用照明等場(chǎng)合。LED 的連接方式直接關(guān)系到其可靠性和使用壽命。

2.1 LED 采用全部串聯(lián)方式

如圖4 所示，LED 采用全部串聯(lián)方式，即將多個(gè)LED 的正極對(duì)負(fù)極連接成串，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)每個(gè)LED 的工作電流一樣，一般應(yīng)串入限流電阻R。串聯(lián)方式要求LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓，當(dāng)LED 的一致性差別較大時(shí)，分配在不同LED 兩端的電壓不同，通過(guò)每只LED 的電流相同，LED 的亮度一致性較好。

當(dāng)有一顆LED 發(fā)生短路時(shí)，如果是采用恒壓電源驅(qū)動(dòng)，由于輸出電壓不變，這樣分配到每顆LED 上的電壓都有升高，驅(qū)動(dòng)器輸出電流將增大，如果超過(guò)LED 額定電流太多的話，容易造成余下的LED 光通量超過(guò)正常值而縮短壽命甚至燒毀。如果是采用恒流電源驅(qū)動(dòng)，當(dāng)一顆發(fā)生短路時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)電流不變，將不會(huì)影響余下所有LED 的正常工作。

當(dāng)有一顆LED 斷路后，串聯(lián)在一起的LED 將全部不亮。這時(shí)只要在每個(gè)LED 兩端并聯(lián)一個(gè)齊納管即可，如圖5 所示，所選齊納管的導(dǎo)通電壓要高于與其并聯(lián)的LED 的導(dǎo)通壓降，否則該LED 也不會(huì)亮。

應(yīng)用此串聯(lián)方式，當(dāng)LED 數(shù)目較少時(shí)，電源兩端的輸出電壓不會(huì)太高。但是當(dāng)LED 數(shù)目較多時(shí)，特別是大功率LED 路燈等，通常數(shù)目至少都有幾十顆，這樣為了使LED 正常工作，其驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓必然會(huì)非常高。比如100 顆這樣的大功率LED 來(lái)組成照明燈具，必須要有超過(guò)300V的輸出電壓，而這樣高的電壓會(huì)對(duì)人身安全造成影響。