LED照明设计LED电特性及简单驱动电路

　　LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。本文主要从电子电路、热分析、光学方面对如何运用LED特性来设计进行解说。

　　LED

　　LED是电子二极管的一种，主要构造是PN结。如图1，当向LED的两端施加电压，电子就会吸收能量并向价电子带转移，然后再将吸收的能量释放出来。这个被释放出的能量就是光。放出的光的波长和颜色是由半导体的电势差决定的。

 
　　图1 LED运作原理

　　LED应用

　　LED具有发光效率高、寿命长、轻便、不含有害物质等优点。高发光效率可以增加电池的使用寿命，对于随身携带的产品来说很适合。LED的使用寿命是一般白炽灯的2～3倍 (有些资料显示是40倍)， 因为寿命长而使用LED的一个典型例子就是交通信号灯。另外，由于LED灯的反应速度非常快，所以也适合用于汽车的刹车灯。LED灯具的设计自由度非常高，不仅能调节亮度，还能调节色度。

　　LED电子特性

　　LED具有一般硅二极管的类似特性，在正负极之间施加电压。当外加电压达到一个临界值，LED中产生电流，开始发光。当电压超过这个临界值时，电流急剧增加。白色LED的临界电压值约3.5V。红色、绿色、蓝色的LED临界电压值如表1所示。

　　　　　　　表１

　　我们用电路仿真来说明LED的电子特性以及驱动电路。电路仿真是对LED和电阻等的电子设计进行建模并在计算机上模拟计算电路运行的一种简易方法。这里使用的是Cadence公司的电路仿真PSpice A/D。同时使用了飞利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。

　　首先运用图2的电路来验证LED的电子特性。要得到电压－电流特性，需要进行直流解析。

 
　图2 验证电压－电流特性电路

　　解析结果如图3所示

 
图3 根据 PSpice A/D所得到的解析结果：电压－电流特性

　　验证LXM3-PM71电压－电流特性的结果显示：在3.0V情况下电流约354mA。

　　驱动电路

　　白炽灯采用的是电压驱动型电路设计。LED是用电流驱动型电路设计，通过控制LED中的电流调节亮度和色度。白炽灯和荧光灯等照明灯具中的电子驱动不能直接运用于LED照明灯具。为了最大限度的发挥LED的特长，需要进行适合LED的驱动电路设计。而且即使使用了发光效率很高的LED，如果驱动电路的效率不高，也会影响整个照明灯具的发光效率。LED照明灯具设计大致分为下面3个阶段。1.光学设计，2.热设计，3.LED驱动电路设计。在这里先介绍LED驱动电路设计。

　　- 电阻型驱动电路

　　下面介绍LED电阻型驱动设计的方法。LED、电阻、直流电压源如图4所示连接起来。以直流电压源的电压值和压降（正向电压）为基础，计算LED发光中相应电流的电阻值。计算公式如下：

　　例如，在5V的电压源中驱动上述LXM3-PW71。该LED的正向电压为3.0V，电流为350mA时，电阻应为5.71。图4、图5表示电路仿真运算中的电路及其解析结果。通过图5，可以看到LED中的电压大概为3.0V，电流约350mA。

 
图4 电阻型驱动电路        图5 瞬态分析结果

　　- LED正向电压的偏差

　　该电路中不考虑作为LED电路的一个重要设计要素－正向电压的偏差。LED电子设计特性中必定会有偏差，即使是同一型号的设计，分别进行测量的话也不能得到相同的特性。偏差根据LED不同而有区别，正向电压中有偏差超过15％的情况。LXM3－PW71的正向电压大概在4～2.5V之间波动。这样，如果运用之前的电阻型驱动电路，LED的正向电压不同，电流也会有很大的变化。

　　大功率照明灯具通常情况下需要使用多颗LED。只是单纯的串联这些LED，进行电阻驱动的话会出现电路不通的情况。例如，串联3个LXM3-PW71，用12V做驱动，如果3颗LED同时拥有最大的正向电压，由于总电压是12V，就会因电压不足而不能运行。而且即使电流相同，也并不是说所有的LED都一样发光。并联LED也是如此。

　　那么有没有解决LED正向电压偏差问题的方法呢？

　　答案只有一个，对LED进行分级。在设计制造过程中，各个不同的特性会引起偏差。在同一条件（同一条生产线，同一天）下批量生产，同一批量制造的产品之间的误差通常比与其他批量制造的产品误差小很多。LED分级是将同一型号的LED按照正向电压的偏差次序排列。在LXM3-PW71的数据库中记录了对应正向电压的Bin表（图6）。例如，使用Bin Code C的LED时，正向电压在2.79～3.03V之间。

 
　　图6 正向电压相应的Bin表

　　- 恒流源型驱动电路

　　调节LED的光度需要增减LED的电流。由于人眼对光的感光度是对数关系，在调节电流时，电流的增减率与LED亮度呈指数函数变化。因此电阻型驱动电路并不最适合于照明灯具。即使电压有偏差，为了恒定电流也需要使用恒流源型驱动电路。

 
图7 恒流源型驱动电路

　　图8是运用半导体和二极管恒定电流电路的例子。供给电压值改变，为了保持半导体的基极的电位恒定（约1.2V），需要使用2个二极管（D1、D2）。LED的电流连接发射极上的电阻。计算可知，半导体的集电极和发射极电流基本相同。本例中，为了使LED的电流维持在350mA，需要用到1.48欧姆的电阻。

 
图8 简单的恒电流源型驱动电路

　　即使输入电压改变，二极管D1、D2的电压稳定，半导体的基极电位稳定，保证LED的电流为350mA。通过电路检验使实际的输入电压在5V到24V之间变化。检验结果如图9所示。

 
图9 恒电流源驱动电路的电压变化验证结果

　　当输入电压在5V～24V之间变化时，二极管D1、D2的电压也会发生微小的变化。从图9的中央波形可以看到，这个微小的变化出现在二极管的基极。从最上面的波形读取LED中的电流及变化情况。

　　为了最大限度的发挥LED的优势，驱动电路设计中应采用PWM型驱动电路设计方法。下一章节的『 LED驱动电路设计(4)脉冲调制PWM电路详解 』,我们将主要围绕PWM型驱动电路进行讲解。