LED的驅動電源與連接形式

　　1、引言

　　隨著LED在燈光裝飾和照明中的普遍使用， LED的供電裝置—LED驅動器對LED高光效、長壽命等特　點的合理發揮愈發顯得重要。本文根據LED的特性，對LED驅動電路作了分類，并詳細討論了LED連接形式，為LED驅動電路設計提供有效參考。

　　2、LED的V-I、TJ-IV 特性

　　LED由于環保、壽命長、光效高、體積小等眾多優點，近年來在各行業中的應用快速發展。理論上，LED的使用壽命在10萬小時以上，但實際應用中，如驅動電源設計及驅動方式選擇不當，LED極易受損毀壞，無法達到應有壽命。LED的生產廠家有上百成千家，LED產品規格不盡相同，設計LED驅動電源，首先要了解LED的電流、電壓（I-V）特性以及LED芯片結溫與發光強度的關系。圖1-1為LED的典型I-V特性曲線，下式為LED正向電壓的表式：
　　　（T-25℃）

　　（1）式中，V_turn-on 是LED的啟動電壓；R_S 表示伏安曲線的斜率；T 環境溫度；ΔV_F/ΔT是LED正向電壓的溫度系數，對于多數LED而言典型值為-2V/℃。

圖1-2 LED結溫與發光強度的關系

　　從LED的伏安曲線看，正向電壓為3.0 - 3.6V左右，典型電壓值為3.3V，電流值為350mA， LED兩端正向電壓超過3.6V后，正向電壓略微增加，正向電流將迅速增漲，LED芯片溫升隨之增大，LED的光衰減因此加速，壽命縮短，嚴重時甚至燒壞。LED的光輸出直接與LED電流與環境溫度相關，圖1-2是LED典型的T_J-I_V特性曲線。若按25℃環境溫度時LED的光輸出為100%計，120℃環境溫度時LED的光輸出下降為70%，顯見在輸入電壓和環境溫度等條件可能發生變動的情況下，LED驅動源應能控制LED的電流，否則光輸出將隨輸入電壓和溫度等條件的變化而變化。一旦電流失控， LED的可靠性和壽命必然受到影響，甚至可能造成器件損傷失效。

　　3、LED驅動源的分類與特性

　　按LED供電電壓的高低可將LED驅動源分成三類：第一類為電池供電驅動源，一般電壓低于5V，用于便攜式電子產品中驅動小及中功率LED，電路結構主要采用升壓式DC/DC，升壓式（或升降壓式）電荷泵變換器，少數采用LDO穩壓電源或電瓶供電。第二類為高電壓供電驅動源，用于供電電壓值始終高于LED管壓降，如6V，9V，12V或24V等場合，電路結構主要采用輸出功率較大的串聯降壓式DC/DC變換器。第三類為市電驅動源，這是LED照明應用最有價值的供電方式。市電驅動源要解決整流、降壓、效率、體積、成本等問題，還應考慮安全、EMC、功率等因素，首選的電路結構是隔離反激式或單級反激式PFC電路）。

LED驅動源的電路結構大致有下述數種：

　　直流驅動源電路

圖1-3 利用功率晶體管構建的直流驅動源電路

　　圖1-3所示為利用功率晶體管構建的直流驅動源電路。圖1-3（a）中，當輸入信號為邏輯高平時，晶體管VT導通，發光二極管點燃，IF通過滿足下式的電阻R限定：

　　R =（V_CC - V_F - V_CES）/ I_F　　　　　（2）

　　式中，I_F為LED的正向工作電流，V_F為規定工作電流下LED的正向壓降，V_CES為晶體管VT的飽和壓降。圖1-3（b）的情況與圖1-3（A）相反，VT處于導通狀態時，LED將被VT鉗位，即V_F = V_CES，無法點燃。當晶體管基極輸入邏輯低電平，VT截止時，LED點燃，電源V_CC經R供給LED電流， R可據R =（V_CC - V_F）/I_F選取。

　　TTL驅動源

　　圖1-4為TTL驅動源電路：

圖1-4 TTL驅動電路

　　圖中，

　　R =（V_CC - V_F - 0.4）/I_F

　　式中，0.4V是TTL低電平輸出電壓值。

　　CMOS驅動源電路

　　圖1-5為采用CMOS的驅動源電路。CMOS器件輸出電流一般較小，需數塊CMOS并聯才能驅動LED，如圖1-5（a）和（b）所示。有時，也可如圖1-5（C）所示在CMOS后加功率晶體管擴展驅動電流。圖1-5（D）電路中的CMOS器件一旦驅動，輸出電壓即鉗位在LED的V_F左右。

交流驅動源電路

　　圖1-6所示為兩只反向并聯的LED使用交流驅動的電路。這種電路，即使輸入電壓極性未知，正負半周均有一只二極管顯示發光。交流源驅動時，限流電阻R的取值為：

　　R=（E_RMS - V_F）/ 2I_F　　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

　　式中，E_RMS為交流電壓的有效值。

　　脈沖驅動源電路

　　圖1-7為用NUD4001組成的脈沖驅動源電路，調整R_ext1值可控制恒流電流的大小。

　　由圖1-7電流波形可知，脈沖驅動電流的峰值約為平均值的4倍，頻率為100Hz，占空比為10%，表明一個周期中，LED大部分時間停止工作，因此幾乎可不必考慮LED的發熱量。LED因發熱量減少，光衰隨之減小，從而使用壽命延長，故對LED來說，脈沖驅動方式是最有實用價值的方式。考慮到脈沖驅動方式利用了人視覺的暫留原理，因此PWM的工作頻率設定不能低于100 Hz，否則會有光線閃爍的感覺。脈沖驅動源電路的缺點是線路復雜，成本較高。

　　4、LED的連接形式

　　作為驅動源電路的負載，LED通常需幾十甚至上百個組合構成發光組件，通過下述刑事與驅動源電路連接。

　　串聯連接

　　多個LED的正極對負極連接成串和限流電阻R再與驅動源電路連接，如圖1-8(左)，圖中Vcc代表驅動源電路的輸出端電壓。串聯連接電路的優點是每個LED的工作電流相同， I_f=(V_cc - nV_f)/R，n為串聯的LED數目。假定為n = 8，正向電流I_f = 20mA，單個LED正向電壓V_f = 2.0V，則V_D ＝ 8 × V_f = 16.0V ，V_R ＝ I_f × R ＝ 20mA×200Ω = 4.0V，驅動源電路的輸出端電壓應為V_cc = V_D + V_R = 20.0V。

　　一般由于V_f離散性造成單個LED光強的變化量在10％以內，發光組件亮度基本上可保持均勻。出現LED器件短路，I_f將上升，考慮到單個LED器件的V_f會隨I_f增加而增加，工作電流不會大于30mA，具體電流值與所采用不同的LED單管有關，實驗中測量為28mA左右。出現單個LED開路，將導致整串LED熄滅，不過LED開路的可能性極小。

　　并聯連接

　　圖1-8（中）即將多個LED的正極與正極、負極與負極組成的并聯連接，其特點是每個LED的工作電壓一樣，總電流為nI_f（近似值），為實現每個LED的工作電流I_f一致，要求每個LED的正向電壓也一致。但由于器件參數存在差別，散熱條件不同都能引發工作電流的差別，故一般不采用直接并聯方式。

　　混聯連接

　　圖1-8（右）所示為將多組LED的先串聯后并聯構成發光組件的混合連接。混聯兼具串聯和并聯的優點也補償了各自的弱點，因此發光組件的可靠性高，發光組件的亮度也相對均勻，對LED器件的要求較寬松，適用范圍大，目前的大量照明實例證實多數采用該連接方式。通常采用多顆LED組成發光面時，應盡量用選發光亮度相同的LED，無法保證相同發光亮度時，實踐證明采取中間用發光亮度稍小的LED器件，周圍用發光亮度較大的配置原則能使整個發光面發出的光斑較勻稱柔和。

　　交叉陣列連接

　　為提高LED照明電路的可靠性，降低滅燈幾率，先后出現了許多新的連