LED及其驅(qū)動電路設(shè)計基礎(chǔ)

　　前言

　　照明伴隨著人類文明的發(fā)展已經(jīng)有幾千年的歷程。從最原始的鉆木取火到種類繁多的各種光源，如白熾燈、鹵素燈、日光燈、節(jié)能燈、LED燈等等，照明產(chǎn)品不斷向著高效、節(jié)能、環(huán)保、高科技方向發(fā)展。LED的誕生和發(fā)展為人類照明提供了高質(zhì)量、絢麗多彩的光環(huán)境。它被廣泛的應(yīng)用于民用照明、工業(yè)照明、醫(yī)療照明、汽車照明等不同領(lǐng)域。隨著LED在各個領(lǐng)域的不同應(yīng)用需求，LED驅(qū)動電路也在不斷進步和發(fā)展。本文針對LED和LED驅(qū)動電路設(shè)計作了相應(yīng)的介紹、分析和展望。

　　LED 和傳統(tǒng)光源相比較的特點

　　相對于傳統(tǒng)光源，LED具有顯著的優(yōu)勢：

　　LED發(fā)光是由電能直接轉(zhuǎn)換成光的過程。比較起傳統(tǒng)光源，如白熾燈先由電能轉(zhuǎn)化為熱能，然后再由熱能轉(zhuǎn)化成光能的發(fā)光的發(fā)光過程，LED具有高光效，節(jié)能的優(yōu)勢，此外在適當?shù)尿?qū)動條件下，LED燈具有壽命長等特點。

　　LED具有發(fā)光響應(yīng)塊，光源造型多變，色彩控制靈活的優(yōu)點。

　　LED和傳統(tǒng)光源相比具有良好的低溫特性。

　　LED和傳統(tǒng)光源相比，不存在諸如水銀、鉛等環(huán)境污染物，因此更加綠色環(huán)保。

　　盡管LED比較起傳統(tǒng)光源具有名顯優(yōu)勢，但是目前LED燈成本較高，驅(qū)動電路設(shè)計、光學(xué)系統(tǒng)、機械設(shè)計比較復(fù)雜。

　　LED 發(fā)光原理

　　LED–Light Emitting Diode發(fā)光二極管，是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。LED發(fā)光是一種注入式電致發(fā)光。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。而光的波長決定了光的顏色。

　　發(fā)光波長：

　　式中：h—普朗克常數(shù)； c—光速；—半導(dǎo)體的禁帶寬度。

　　LED 發(fā)光原理如圖1所示：

　　圖1 LED 發(fā)光原理

　　LED 結(jié)構(gòu)

　　LED基本機構(gòu)包括LED芯片、電極、焊接線，以及構(gòu)成LED整個封裝機械部件和光學(xué)部件如LED芯片支架、透鏡、硅膠、環(huán)氧樹脂、熒光粉等。

　　LED分為單芯片封裝，多芯片封裝產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展部分保護元件或部分LED驅(qū)動電路元件也和LED芯片一同封裝。

　　單芯片LED 基本結(jié)構(gòu)如圖2，圖3所示：

　　圖2 SMD封裝 LED結(jié)構(gòu)　　 圖3 插件封裝 LED結(jié)構(gòu)

　　LED 主要參數(shù)

　　電參數(shù)

　　最大正向工作電流IF：是指LED正常工作情況下，允許加在LED的最大的正向電流值。

　　最大浪涌電流IFM：允許加在LED的最大的浪涌電流值。

　　正向工作電壓VF：是在給定的正向電流下得到的二極管正向工作電壓。

　　最大反向電壓VR：LED PN結(jié)所允許的最大反向電壓。

　　額定功率PD：允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流乘積的最大值。

　　光學(xué)參數(shù)

　　峰值發(fā)射波長p：光譜輻射功率最大的值所對應(yīng)的波長。

　　光譜半波寬Δλ：峰值發(fā)射波長的輻射功率的1/2所對應(yīng)兩波長的間隔。

　　光通量Φv：通過發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時，器件光學(xué)窗口發(fā)射的光通量。

　　光強：點光源在給定方向上，單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，單位坎德拉（Cd）。

　　半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。半角值二倍為視角（半功率角）。

　　色度坐標x、y、z：1931CIE-XYZ系統(tǒng)，就是在RGB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)方法，選用三個理想的原色來代替實際的三原色。從而將CIE-RGB系統(tǒng)中的光譜三刺激值 和色度坐標r、g、b均變?yōu)檎怠?/p>

　　顯色指數(shù)CRI：與標準的參考光源相比較，一個光源對物體顏色外貌所產(chǎn)生的效果。換句話說，CRI是一個光源與標準光源（例如日光）相比較下在顏色辨認方面的一種測量方式。

　　色溫TC（Color Temperature）：光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時，稱黑體的溫度（TC）為光源的色溫度。

　　其它參數(shù)

　　操作溫度：發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。

　　熱阻：熱流通道上的溫度差與通道上耗散功率之比，LED的熱阻定義（Rth j-s）：從PN結(jié)（j） 到焊點（s）的熱阻。

　　結(jié)溫：LED P-N 結(jié)區(qū)所能承受的溫度的額定最大值。

　　常規(guī)特性曲線

　　LED 常規(guī)特性曲線如下圖所示。以下常規(guī)特性曲線基于OSRAM LCW CRDP.PC 規(guī)格書舉例說明：

圖4相對光通量和LED驅(qū)動電流 圖5 LED 正向?qū)娏骱蚅ED正向?qū)▔航?/p>

圖6 LED溫度和LED正向?qū)▔航怠　?圖7相對光通量和LED溫度

圖8色坐標和LED溫度 　　圖9最大正向?qū)娏骱蚅ED溫度

圖10 LED抗脈沖電流沖擊曲線

　　LED在電路中的連接方式

　　LED在電路中的連接方式主要包括串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)混合連接。

　　LED 串聯(lián)

　　LED串聯(lián)連接方式的特點是總壓降等于所有LED壓降之和，每顆LED電流相等。由于各串聯(lián)LED工作電流相等，每顆LED的光通量輸出和壽命具有良好的一致性。但是在光通量要求比較高而且LED驅(qū)動電流已經(jīng)限定的情況下，需要較多顆數(shù)的LED串聯(lián)， 因此LED串連的壓降比較高，對于元件額定電壓的選擇，以及安規(guī)設(shè)計有比較高的要求。另外由于每顆LED正向?qū)▔航档牟煌ㄌ貏e是不同電壓Bin的情況下）容易造成不同批次或同一批次不同LED負載電壓公差比較大，特別是相對于同樣流明輸出的LED并聯(lián)情況下LED負載變化范圍比較寬。在恒流精度要求比較高的情況下要求驅(qū)動電路有比較好的負載調(diào)整率。

　　LED串聯(lián)使用并在恒流驅(qū)動條件下，當其中一顆或幾顆短路時，其它未短路的LED可以正常工作，但其中任何一顆或幾顆LED開路情況下，其它LED 將無法點亮。

　　LED串聯(lián)，如下圖11所示：

　　圖11 LED串聯(lián)電路

　　LED 并聯(lián)

　　并聯(lián)連接方式的特點是總電流等于各并聯(lián)LED電流之和，加載在各串LED的電壓相等。由于LED最大電流的限制，可用多個較小額定電流的LED并聯(lián)來實現(xiàn)較高的光通量輸出。由于LED并聯(lián)電壓相對比較低，因此對LED驅(qū)動電路元件的額定電壓要求比較低，額定電流要求比較高。但是如果各LED正向?qū)▔航挡煌ㄌ貏e是在LED不同電壓Bin的情況下），容易造成各LED不均流，從而導(dǎo)致LED亮度不均勻。隨著LED結(jié)溫的不斷升高，這種不均流將加劇，在不均流比較嚴重的情況下如果驅(qū)動電流大于LED最大工作電流時容易造成LED損壞。為減小此種不均流現(xiàn)象，可以通過選用同一電壓Bin的LED 進行并聯(lián)使用。

　　LED并聯(lián)使用，當其中某一顆或幾顆LED開路時，其它LED在未過流的情況下可以工作。但其中任何一顆LED短路情況下，其它并聯(lián)LED燈將無法點亮。

　　LED并聯(lián)，如下圖12所示：

　　圖12 LED 并聯(lián)電路

　　LED 串并聯(lián)混合連接方式

　　LED串并聯(lián)或LED矩陣的連接方式隨著光通量要求的不斷提高和光學(xué)設(shè)計的多樣化需求在LED燈中廣泛應(yīng)用。在同樣流明輸出的情況下（特別是對于較高流明輸出的LED燈的電路設(shè)計），這種串并聯(lián)混合的連接方式既避免了多顆LED串聯(lián)導(dǎo)通壓降比較高的問題，又可以兼具LED并聯(lián)連接方式的優(yōu)點，即可以用多個較低功率的LED和較低LED驅(qū)動電壓的方式來實現(xiàn)更高的光通量輸出。但是由于LED正向?qū)▔航档牟煌ㄌ貏e是在LED不同電壓Bin的情況下），串并聯(lián)混合連接電路中不均流問題仍然存在。

　　LED 串并聯(lián)混合連接方式，當某顆或某串LED損壞，在其它LED未過流驅(qū)動的情況下，未損壞的LED仍然可以點亮工作。

　　LED串并聯(lián)混合連接如下圖13所示：

　　圖13 LED串并聯(lián)電路

　　LED矩陣如下圖14所示：

　　圖14 LED矩陣

　　LED 驅(qū)動器的主要實現(xiàn)方式

　　恒流驅(qū)動

　　恒流驅(qū)動電路輸出的電流是基本恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化的驅(qū)動電路。恒流驅(qū)動是比較理想的LED驅(qū)動方式。

　　常用的恒流驅(qū)動電路可分為線性LED恒流驅(qū)動電路和開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動電路。

　　對于線性恒流LED恒流驅(qū)動電路，其具備電路簡單，成本較低的特點。由于不需要電感，高頻變壓器，電解電容等元件，大大降低了電路成本和提高了EMI特性，延長了LED驅(qū)動器的使用壽命。

　　基于BCR420U的線性恒流LED驅(qū)動電路如下圖15所示：

　　圖15 基于BCR420U的線性恒流LED驅(qū)動電路

　　開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動電路，比較起線性恒流驅(qū)動電路，具有高效率，高恒流精度的特點。根據(jù)不同輸入輸出條件可靈活選擇升壓，降壓，升降壓等拓樸結(jié)構(gòu)。開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動電路應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。但開關(guān)模式的LED恒流驅(qū)動電路相對復(fù)雜，成本較高。

　　基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驅(qū)動電路如下圖16所示：

　　圖16 基于ILD4001的DC/DC Buck LED恒流驅(qū)動電路

　　恒壓驅(qū)動

　　恒壓LED驅(qū)動電路，是輸出電壓基本恒定的。常用的恒壓驅(qū)動電路可分為線性LED恒壓驅(qū)動電路和開關(guān)模式LED恒流驅(qū)動電路。線性恒壓LED驅(qū)動電路比較簡單，成本低，適合驅(qū)動低功率LED，但電路效率比較低；開關(guān)模式恒壓LED電路，比較起線性恒壓電路效率比較高，可靠性好。由于LED伏安特性的非線性，很小的電壓變化就會引起很大的電流變化，如果用恒壓源直接驅(qū)動，LED電流會隨著LED負載電壓的微小變化而發(fā)生急劇變化，甚至?xí)龤ED。因此在實際應(yīng)用中， 恒壓驅(qū)動電源一般會在LED負載前接入電阻限流或恒流LED驅(qū)動電路。圖17所示為基于TDA4863-2G的恒壓電路+BCR450線性恒流電路的LED驅(qū)動解決方案。

　　圖17基于TDA4863-2G的恒壓+BCR450線性恒流的LED驅(qū)動解決方案

　　恒功率驅(qū)動

　　恒功率驅(qū)動電路輸出功率基本恒定。比較起恒壓驅(qū)動，在同樣的LED負載電壓變化情況下，恒功率LED驅(qū)動有較好的恒流精度。

　　恒功率驅(qū)動電路主要以開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，應(yīng)用于LED驅(qū)動電路中，其優(yōu)點是可以減小由于LED結(jié)溫升高造成的光衰。如圖7所示，在LED燈點亮后結(jié)溫升高，特別是在LED結(jié)溫比較高的情況下，如果采用恒流驅(qū)動光通量輸出將隨著結(jié)溫的升高而下降，也就是光衰現(xiàn)象。在恒功率驅(qū)動的情況下，隨著LED結(jié)溫的升高，負載LED的壓降會降低，LED的驅(qū)動電流會有所增加，如圖4所示，由于驅(qū)動電流的增加LED光通量輸出將增加，因此彌補了由于LED結(jié)溫升高造成的光通量減少現(xiàn)象，從而減小了LED 燈的光衰現(xiàn)象。

　　交流驅(qū)動

　　隨著LED材料技術(shù)，封裝技術(shù)的不斷進步，AC LED已經(jīng)問世并不斷改進和發(fā)展。AC LED是指交流電直接驅(qū)動LED。一般來講， AC LED為了得到高電壓而使用多個LED芯片串聯(lián)，并將兩路LED反向并聯(lián)，或者連同一些整流橋，電阻等其它電子元件封裝在一起的模組。這種AC LED雖然操作簡便（可直接交流電驅(qū)動）但頻閃、總諧波失真以及LED燈珠的使用率等方面有待提高。

　　脈沖驅(qū)動

　　脈沖驅(qū)動是以高速開關(guān)的脈寬調(diào)制的方式來直接驅(qū)動LED，通過改變脈沖寬度或者開關(guān)頻率的方式來改變LED驅(qū)動電流的有效值，從而改變LED的亮度。LED具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)特，當開關(guān)頻率大于人眼的視覺閃爍頻率，人眼觀察的LED為連續(xù)發(fā)光。脈沖驅(qū)動適用于可調(diào)光LED電路，RGB混光LED電路，或者LED矩陣顯示屏等電路中。

　　相對于恒流驅(qū)動，由圖4和圖7所示，LED亮度和驅(qū)動電流以及溫度的關(guān)系是非線性的，通過調(diào)整驅(qū)動脈沖占比的方式可實現(xiàn)更好的線性調(diào)光功能。色坐標和色溫會隨著LED隨著結(jié)溫的變化而偏移，在RGB混光電路的應(yīng)用中，可同調(diào)整脈沖頻率和占空比來補償由于溫度變化造成的色坐標和色溫漂移。但是在脈沖驅(qū)動有效電流值和恒流驅(qū)動電流值相等的情況下，采用恒流驅(qū)動電路的效率會高于脈沖驅(qū)動電路。

　　基于BCR321U的脈沖驅(qū)動RGB調(diào)光電路如下圖所示：

　　圖18 基于BCR321U的脈沖驅(qū)動RGB調(diào)光電路

　　不同光環(huán)境對LED和LED驅(qū)動器的設(shè)計需求

　　隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED在民用，工業(yè)，汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。因此，在不同的應(yīng)用場合對LED和LED驅(qū)動器的要求也有所不同。

　　室內(nèi)照明

　　對于室內(nèi)照明產(chǎn)品，通常以替換傳統(tǒng)燈為主的標準化接口的LED燈為主，其輸出功率比較小。

　　因此LED和LED驅(qū)動器要求：一，高效節(jié)能，壽命長，性價比高。二，高質(zhì)量的光學(xué)特性，比如說高顯色指數(shù)和寬光譜的LED光源，并且光源需要具有良好的穩(wěn)定性（其中包括無頻閃和良好的線性調(diào)光等）。三，造型新穎的個性化的燈具。

　　室外照明

　　對于室外照明產(chǎn)品，具有操作溫度，濕度環(huán)境比較惡劣，功率比較大，系統(tǒng)比較復(fù)雜的特點。

　　因此LED和LED 驅(qū)動器要求：一，高效率，可靠性好，壽命長。二，除了對LED驅(qū)動電路要求比較高以外，整個系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計和散熱，防水設(shè)計也尤為重要。三，對于比較復(fù)雜的系統(tǒng)進行標準化，模塊化設(shè)計。四，智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計更加廣泛應(yīng)用。

　　特殊照明

　　對于特殊照明種產(chǎn)品類繁多，設(shè)計需求多樣化，行業(yè)標準不完善等特點。隨著特殊照明產(chǎn)品的發(fā)展使LED的應(yīng)用具有無限種可能性。

　　例如低溫照明產(chǎn)品要求LED和LED 驅(qū)動器低溫下可以正常工作，并且高效節(jié)能，可靠性好，光衰小。

　　例如醫(yī)療照明產(chǎn)品，對LED光學(xué)特性有特殊要求，例如：LED?光手術(shù)燈， ?需要過濾紅外線以避免造成紅外線灼傷問題，高顯色性，特定的光學(xué)設(shè)計，如無影燈。另外醫(yī)療照明產(chǎn)品對于LED 驅(qū)動器具有較高的可靠性和壽命要求。

　　例如汽車照明產(chǎn)品，要求LED和LED 驅(qū)動器具有良好的高低溫特性，較高的可靠性和壽命。同時滿足特定的光學(xué)設(shè)計和行業(yè)法規(guī)要求等。

　　LED 驅(qū)動電路的發(fā)展展望

　　一，小型化方向發(fā)展

　　隨著LED燈性能，裝配，低成本的要求不斷提高，LED驅(qū)動電路電路趨向于高效率，精簡，高密度裝配發(fā)展方向。特別是消費類照明產(chǎn)品，電路拓撲結(jié)構(gòu)由相對比較復(fù)雜的隔離方案趨向于比較簡單的非隔離方案。高壓線性驅(qū)動模式的LED驅(qū)動方案也不斷的發(fā)展和應(yīng)用于LED產(chǎn)品中。

　　二，主要元件高集成度方向發(fā)展

　　隨著LED 驅(qū)動電路的簡單化要求，驅(qū)動電路集成度不斷提高，特別是LED驅(qū)動IC集成度不斷提高，外圍元件不斷精簡，功能更加強大。另外作為光源重要組成部分的LED也衍生出具有高集成度的新產(chǎn)品，不僅實現(xiàn)多芯片封裝，部分電路元件也被集成在LED中，比如AC LED，COB，OLED等。

　　三，大功率驅(qū)動電源產(chǎn)品逐步向模塊化，標準化發(fā)方向發(fā)展

　　部分大功率LED 驅(qū)動電源產(chǎn)品尚處于恒壓源配備恒流模塊使用階段，隨著客戶對產(chǎn)品性能、外觀等方面要求的提高，配備恒流模塊的恒壓源產(chǎn)品將逐步被恒壓恒流一體化的模塊化產(chǎn)品所取代。

　　四，智能化方向發(fā)展

　　參數(shù)設(shè)定，運行監(jiān)控，遠程控制，系統(tǒng)可擴展性為LED智能化的主要方面。

　　基于智能開發(fā)平臺，通過更改軟件設(shè)計，設(shè)定不同參數(shù)，對產(chǎn)品進行系列設(shè)計，功能擴展，有效縮短研發(fā)周。RGB 混光技術(shù)的智能控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用實現(xiàn)LED的亮度，顏色和色溫進行任意調(diào)節(jié)，來營造更加豐富高質(zhì)量的光環(huán)境。遙控技術(shù)，通訊技術(shù)在LED領(lǐng)域的應(yīng)用使產(chǎn)品應(yīng)用更加便捷。

　　結(jié)束語

　　本文討論了LED的基本參數(shù)和特性以及LED驅(qū)動電路的設(shè)計基礎(chǔ)知識，并基于LED行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀展望了LED驅(qū)動電路的發(fā)展方向。隨著半導(dǎo)體元件技術(shù)的發(fā)展和電子技術(shù)的不斷提高，經(jīng)濟可靠的LED驅(qū)動IC及品類繁多的半導(dǎo)體開關(guān)器件，可用于設(shè)計安全高效的LED驅(qū)動電路。