隨著大功率白光LED芯片的研發及運用逐漸成型，LED光源已開始逐步替代高壓鈉燈成為新興的綠色照明光源。但在實際運用當中，驅動電路不完善使整體燈具的壽命達不到5萬小時，與10萬小時的理論值存在較大的差距。經我市近二年來對LED路燈的示范應用的實踐經驗，結合常見的電壓源、電流源驅動方式以及LED光源電路的連接結構進行簡析，以求在實際使用中能夠合理運用。
一、LED的特性
LED是一種固態的半導體器件，與其他半導體器件類似，其結構也是由PN結構成。當LED兩端施加一定電壓后，在N區的電子獲得足夠的能量通過導電帶而躍遷到P區，在PN節附近稍偏于P區的地方，處于高能態的電子與P區的空穴相遇發生復合，復合后電子失去能量重新回到低能級價帶并輻射光子。在這一過程中電子的躍遷產生了電流，而能級的高低差影響了電子和空穴復合后光子的能量，所以不同的構成材料可以發出不同波長的光。而當這一電流增大時，可使其亮度也同樣得到增強。但電流的增大同樣會使溫度同步升高，溫度升高時使PN結區的電子更容易越過能量勢壘，從而造成電壓降的差異，電壓降以每度兩毫伏的比例隨著溫度的上升而減少。另外，溫度的上升會降低電子的輻射復合效率，使LED器件的發光效率降低，并且所發出的波長也會向長波長漂移，從而造成白光LED的熒光得不到匹配的激發，進一步降低發光效率。因此，在LED光源的驅動上應充分考慮電流、電壓以及溫度所帶來的不同影響，使其控制在合理的變化范圍，延長使用壽命的同時，降低LED光源的光衰損耗。在LED的實際使用中，其極限參數主要有以下4點：
1.允許功耗PM允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發熱甚至損壞。
2.最大正向直流電流IFm允許通過LED的正向直流電流的極限值，超過此值可損壞LED。
3.最大反相電壓VRm LED所允許加的最大反向電壓，超過此值，LED可能被擊穿損壞。
4.工作環境溫度topm LED可正常工作的環境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，LED將不能正常工作，效率大大降低。
LED光源的發光亮度與其工作電流成正比，同種光源在不同的電流驅動下的亮度是不同的，要得到較好的發光均勻度需采用等同的電流進行驅動。因此，一個理想的LED驅動電路不但要考慮極限參數的限制，發揮光源本身壽命長的優勢；另外，還要考慮到整體驅動的效果，使其具備一定的發光勻度以及較低的運行功耗，而這與選用電路連接方式密不可分。在常見的驅動方式上以電壓源驅動和電流源驅動為主。
二、電壓源的驅動效果分析
LED在等效電路上等同于理想的穩壓二極管串聯了一個等效電阻（ESR），其恒定電壓降則取決于內部光子發射所需越過的能量勢壘，這與發射的波長存在一定聯系。所以在LED的壓降有兩個特性：
1、由于生產過程中每一個led的波長有所偏差，所以其導通壓降（Vf）并非定值。例如，單顆1W的Luxeon Star型白光LED的正向導通壓降典型值為3.42V，但實際值中最小的僅2.79V，最大的達3.99V，偏差高達±15%以上。
2、內部存的串聯電阻（ESR）,會使導通后的壓降隨流經的電流值增大而上升。而且功率越大的LED光源，其ESR的阻值越小。舉例來說，通常20mA電流等級LED的ESR約為20Ω，而單顆1W、350mA電流等級LED的ESR則為1～2Ω，ESR與LED的電流等級大致成反比。
假設ESR為恒定，LED的工作電流值就取決于電源輸出電壓和LED的正向壓降Vf，以1W白光LED的參數為例，如果因導通壓降（Vf）的差異引起0.5V的偏差，由于ESR的阻值非常小僅為1～2Ω，那么電流的變化值就會產生0.5～0.25A的變化，這將會突破LED光源的最大正向直流電流IFm，直接造成光源的損壞。如果使用電壓源控制，因電壓源本身存在一定的公差（一般為5%），那么電流的變化值實際上更大。所以，一般在電路中會考慮串聯一個阻值相對高的分流電阻REXT，以降低電壓與電流變化曲線的斜率。
下面以一個24V的電壓源供電為例，在此例中，將電壓限定在22.8～25.2V之間，仍舊以1W白光性LED作為負載，正向電流350mA時典型壓降為3.42V壓降偏差為2.79～3.99V。當3個LED光源和分流電阻REXT串聯，其正向壓降的典型值為10.26V，在350mA的工作電流下，所需的總電阻為39.26Ω，ESR的總電阻值為3Ω，當外接電阻選用為40Ω時電流結合電源及正向壓降的差異，電流變化量的比率為1.55:1，并且最大電流超出標準電流11.7%，最小電流僅為標準電流的72%，正常運行時在外接電阻上的功耗達到了14W，占總功耗的82%�？梢钥闯鲈谟秒妷涸醋鳛轵寗訒r，因為要增加阻值相對較大的限流電阻，所以在電路不可避免的存在效率低、熱損耗大，而且要求電壓源的輸出精度較高。而且在一般的電路連接中通常采用串并聯的結構，由于LED本身導通壓降的差異會導致各并聯回路中產生不同的工作電流，致使發光的均勻度降低。而若采用電流源進行驅動，由于輸出的電流值恒定，則不存在限流電阻，相對來說電路的效率會大大提高。
三、兩種電源驅動模式在連接電路中的比較
以使用最多的LED混聯結構為例，LED的混聯結構兼具了串聯和并聯的優點，也補償了各自的弱點。在運用中如果對使用電壓源和電流源進行比較，可以看出在電壓恒定與電流恒定的狀態下，對于單個器件的效果是截然不同的。
假設LED光源的內部串聯電阻（ESR）阻值為R，采用3*3的混聯模式，在不考慮導通壓降的情況下，單個LED光源的電流值為U/3R。
采用電壓源控制，回路中某個LED光源發生故障而短路時，其他回路不受影響，但故障回路的電流為U/2R，較之前增加了1.5倍。所以在使用電壓源進行驅動時必須在每個串聯支路內采用一定的限流電阻避免引起電流的大幅度變化。而當故障LED因短路徹底燒斷形成開路時，因為電壓恒定，所以其他回路的電流影響不大。
采用電流源控制時，當單個LED發生故障短路時，由于總電流的恒定，經過計算在故障回路的較之前增加了1.29倍。但是當形成開路時，整個LED串被斷開，致使電壓與之前相比升高了1.5倍，其他LED光源的電流也提高了1.5倍。
因LED器件的故障以短路居多，開路的情況較少，所以在實際運用中采用電流源進行驅動與電壓源相比在對于器件的保護、以及整體功耗的控制上更具優勢，而當故障回路開路時，電流源驅動則需要一定的檢測反饋回路來進行限制，避免故障回路的斷開提高整體的電流值。
而采用均流電路則可以有效的避免因為電路開路造成的電壓增大，如下圖所示：
各支路的電流平均分配依靠晶體管參數的完全匹配，依靠偏置總線實現電流分配，當LED串發生開路故障，均流電路能把總電流在其余串中平均分配，以這種方式保持輸出亮度。
四、結論
采用電壓源對LED光源進行驅動，因LED光源本身存在較小的ESR，細微的電壓變化會引起較大的電流變化，所以回路中必須增加一定的限流電阻，避免一旦發生短路故障造成電流的大幅上升。而采用電流源進行控制，在回路開路的情況下容易引起并聯電路電壓及電流的升高，可以采用均流電路并增加反饋來實現合理的保護。
LED光源的驅動技術
2016-05-14
