超高亮LED的驱动电路设计方案

引言
　　发光二极管(Light Emitting Diode，LED)发明于20世纪60年代，它是利用半导体材料中的电子和空穴相互结合并释放出能量，使得能量带(Energy Gat，)位阶改变，以发光显示其所释放出的能量。LED具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速率快、耐震性佳等优点，被广泛应用于信号指示、数码显示等领域。随着技术的不断进步，超高亮LED的研制得到了成功，尤其是白光LED的研制成功，使得它越来越多地用在彩灯装饰、甚至照明领域。

1 超高亮LED的特点
　　与传统的照明灯相比，超高亮LED具有如下优点：
　　1)寿命长，可靠耐用，维护费用极为低廉LED可连续使用105h，比普通白炽灯泡长100倍；
　　2)高效率现在已经可以达到201m／w．预计到2005年将达到501m／W[1]，LED)的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80％～90％，LED比节能灯还要节能1／4；
　　3) 色彩鲜艳，光色单纯以12英寸的红色交通信号灯为例，它采用低光效的140W白炽灯作为光源，所产生的2000lm的白光经红色滤光片后，光损失90％，只剩下2001m的红光，而在Lumileds Lighting公司采用18个红色LED光源设计的灯中，包括电路损失在内，仅耗电14W，即可产生同样的光效；
　　4)点亮速度快 汽车信号灯是LED光源应用的一个重要领域，由于LED响应速度快(ns级)，在汽车上安装高位LED刹车灯，可以减少汽车追尾事故的发生。
　　近年来高亮LED已经在汽车的近光灯中得到了应用，例如德国奥迪公司的奥迪A86.O，意大利Fioravanti公司在2003年日内瓦车展上推出的概念车Yak，美国福特公司不久前在底特律车展上推出的Model U都开始将高亮LED用于前照灯的设计中。
　　尽管超高亮LED具有许多优点，但目前仍存在下述缺点：
　　1)功率低市面上的单体LED功率一般在5W以下，还没有出现更大功率的LED，这是目前LED难以成为照明首选的最大瓶颈；
　　2)需要严格控制温度 LED是一种半导体材料，与普通二极管一样具有PN结，由于高亮二极管的功率相对比较大，所以与功率半导体器件相同，需要考虑散热问题，结温过高会直接影响LED的寿命，并且会增大LED的光衰，情况严重的会将LED烧坏；
　　3) 价格高除了功率低，价格是LED难以成为照明的主要因素，虽然LED目前已被大多数人认识，也被多数人看好，但其高昂的价格难以被消费者接受，目前单体黄色LED大约O．6元／个，绿色与蓝色单体LED在1．8元／个左右，白色LED的价格达到了2.2～5.5元／个左右；如果将几十个单体LED组合，其成本将大大增加,如把一个LED安装在草坪灯里，其单价就相当于一般草坪灯的几倍，LED要成为未来照明的主流光源，就一定要朝着大流明方向发展，成本才有可能降低，市场才有可能突破。

2 超高亮LED的特性
　　HPWA-xH00是Lumileds Lighting公司的一种超高亮LED，本文以它为例分析超高亮LED的特性。图1为正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值(约2V)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比。表1是当前主要超高亮LED的电气特性。由表1可知，当前超高亮LED的最高IF可达1A，而VF通常为3～4V。

　　由于LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量(φV)与IF的关系曲线如图2所示，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，由表1可知LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1V以上)，而由图1中的VF-IF曲线可知，VF的微小变化会引起较大的，IF 变化，从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动。

　　图3是HPWA-xH00 LED的温度与光通量(φV)关系曲线，由图3可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的一半，而一40℃时光输出是25℃时的1．8倍。温度的变化对LFD的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。

 

3 超高亮LED的驱动电路
　　由于受到LED功率水平的限制，通常需同时驱动多个LED以满足亮度需求，因此，需要专门的驱动电路来点亮LED。下面简要介绍LED驱动的主要电路。
 

3．1 电阻限流电路

　　如图4所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按式(1)计算。
 
 

式中：Vin为电路的输入电压：
VF为IED的正向电流；
VF为LED在正向电流为，IF时的压降；
VD为防反二极管的压降(可选)；
y为每串LED的数目；
x为并联LED的串数。
由图1可得LED的线性化数学模型为
 
式中：Vo为单个LED的开通压降；
Rs为单个LED的线性化等效串联电阻。
则式(1)限流电阻的计算可写为

当电阻选定后，电阻限流电路的IF与VF的关系为

　　由式(4)可知电阻限流电路简单，但是，在输入电压波动时，通过LED的电流也会跟随变化，因此调节性能差。另外，由于电阻R的接人损失的功率为xRIF，因此效率低。