LED的驱动电源与连接形式

　　1、引言

　　随着LED在灯光装饰和照明中的普遍使用， LED的供电装置—LED驱动器对LED高光效、长寿命等特　点的合理发挥愈发显得重要。本文根据LED的特性，对LED驱动电路作了分类，并详细讨论了LED连接形式，为LED驱动电路设计提供有效参考。

　　2、LED的V-I、TJ-IV 特性

　　LED由于环保、寿命长、光效高、体积小等众多优点，近年来在各行业中的应用快速发展。理论上，LED的使用寿命在10万小时以上，但实际应用中，如驱动电源设计及驱动方式选择不当，LED极易受损毁坏，无法达到应有寿命。LED的生产厂家有上百成千家，LED产品规格不尽相同，设计LED驱动电源，首先要了解LED的电流、电压（I-V）特性以及LED芯片结温与发光强度的关系。图1-1为LED的典型I-V特性曲线，下式为LED正向电压的表式：
　　　（T-25℃）                         

　　（1）式中，V_turn-on 是LED的启动电压；R_S 表示伏安曲线的斜率；T 环境温度；ΔV_F/ΔT是LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言典型值为-2V/℃。

图1-2   LED结温与发光强度的关系

　　从LED的伏安曲线看，正向电压为3.0 - 3.6V左右，典型电压值为3.3V，电流值为350mA， LED两端正向电压超过3.6V后，正向电压略微增加，正向电流将迅速增涨，LED芯片温升随之增大，LED的光衰减因此加速，寿命缩短，严重时甚至烧坏。LED的光输出直接与LED电流与环境温度相关，图1-2是LED典型的T_J-I_V特性曲线。若按25℃环境温度时LED的光输出为100%计，120℃环境温度时LED的光输出下降为70%，显见在输入电压和环境温度等条件可能发生变动的情况下，LED驱动源应能控制LED的电流，否则光输出将随输入电压和温度等条件的变化而变化。一旦电流失控， LED的可靠性和寿命必然受到影响，甚至可能造成器件损伤失效。

　　3、LED驱动源的分类与特性

　　按LED供电电压的高低可将LED驱动源分成三类：第一类为电池供电驱动源，一般电压低于5V，用于便携式电子产品中驱动小及中功率LED，电路结构主要采用升压式DC/DC，升压式（或升降压式）电荷泵变换器，少数采用LDO稳压电源或电瓶供电。第二类为高电压供电驱动源，用于供电电压值始终高于LED管压降，如6V，9V，12V或24V等场合，电路结构主要采用输出功率较大的串联降压式DC/DC变换器。第三类为市电驱动源，这是LED照明应用最有价值的供电方式。市电驱动源要解决整流、降压、效率、体积、成本等问题，还应考虑安全、EMC、功率等因素，首选的电路结构是隔离反激式或单级反激式PFC电路）。

LED驱动源的电路结构大致有下述数种：

　　直流驱动源电路

图1-3  利用功率晶体管构建的直流驱动源电路

　　图1-3所示为利用功率晶体管构建的直流驱动源电路。图1-3（a）中，当输入信号为逻辑高平时，晶体管VT导通，发光二极管点燃，IF通过满足下式的电阻R限定：

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

　　式中，I_F为LED的正向工作电流，V_F为规定工作电流下LED的正向压降，V_CES为晶体管VT的饱和压降。图1-3（b）的情况与图1-3（A）相反，VT处于导通状态时，LED将被VT钳位，即V_F = V_CES，无法点燃。当晶体管基极输入逻辑低电平，VT截止时，LED点燃，电源V_CC经R供给LED电流， R可据R =（V_CC - V_F）/I_F选取。

　　TTL驱动源

　　图1-4为TTL驱动源电路：

图1-4   TTL驱动电路

　　图中，

　　R =（V_CC - V_F - 0.4）/I_F

　　式中，0.4V是TTL低电平输出电压值。

　　CMOS驱动源电路

　　图1-5为采用CMOS的驱动源电路。CMOS器件输出电流一般较小，需数块CMOS并联才能驱动LED，如图1-5（a）和（b）所示。有时，也可如图1-5（C）所示在CMOS后加功率晶体管扩展驱动电流。图1-5（D）电路中的CMOS器件一旦驱动，输出电压即钳位在LED的V_F左右。

交流驱动源电路

　　图1-6所示为两只反向并联的LED使用交流驱动的电路。这种电路，即使输入电压极性未知，正负半周均有一只二极管显示发光。交流源驱动时，限流电阻R的取值为：

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

　　式中，E_RMS为交流电压的有效值。

　　脉冲驱动源电路

　　图1-7为用NUD4001组成的脉冲驱动源电路，调整R_ext1值可控制恒流电流的大小。

　　由图1-7电流波形可知，脉冲驱动电流的峰值约为平均值的4倍，频率为100Hz，占空比为10%，表明一个周期中，LED大部分时间停止工作，因此几乎可不必考虑LED的发热量。LED因发热量减少，光衰随之减小，从而使用寿命延长，故对LED来说，脉冲驱动方式是最有实用价值的方式。考虑到脉冲驱动方式利用了人视觉的暂留原理，因此PWM的工作频率设定不能低于100 Hz，否则会有光线闪烁的感觉。脉冲驱动源电路的缺点是线路复杂，成本较高。

　　4、LED的连接形式

　　作为驱动源电路的负载，LED通常需几十甚至上百个组合构成发光组件，通过下述刑事与驱动源电路连接。

　　串联连接

　　多个LED的正极对负极连接成串和限流电阻R再与驱动源电路连接，如图1-8(左)，图中Vcc代表驱动源电路的输出端电压。串联连接电路的优点是每个LED的工作电流相同， I_f=(V_cc - nV_f)/R，n为串联的LED数目。假定为n = 8，正向电流I_f = 20mA，单个LED正向电压V_f = 2.0V，则V_D ＝ 8 × V_f = 16.0V ，V_R ＝ I_f × R ＝ 20mA×200Ω = 4.0V，驱动源电路的输出端电压应为V_cc = V_D + V_R = 20.0V。

　　一般由于V_f离散性造成单个LED光强的变化量在10％以内，发光组件亮度基本上可保持均匀。出现LED器件短路，I_f将上升，考虑到单个LED器件的V_f会随I_f增加而增加，工作电流不会大于30mA，具体电流值与所采用不同的LED单管有关，实验中测量为28mA左右。出现单个LED开路，将导致整串LED熄灭，不过LED开路的可能性极小。

　　并联连接

　　图1-8（中）即将多个LED的正极与正极、负极与负极组成的并联连接，其特点是每个LED的工作电压一样，总电流为nI_f（近似值），为实现每个LED的工作电流I_f一致，要求每个LED的正向电压也一致。但由于器件参数存在差别，散热条件不同都能引发工作电流的差别，故一般不采用直接并联方式。

　　混联连接

　　图1-8（右）所示为将多组LED的先串联后并联构成发光组件的混合连接。混联兼具串联和并联的优点也补偿了各自的弱点，因此发光组件的可靠性高，发光组件的亮度也相对均匀，对LED器件的要求较宽松，适用范围大，目前的大量照明实例证实多数采用该连接方式。通常采用多颗LED组成发光面时，应尽量用选发光亮度相同的LED，无法保证相同发光亮度时，实践证明采取中间用发光亮度稍小的LED器件，周围用发光亮度较大的配置原则能使整个发光面发出的光斑较匀称柔和。

　　交叉阵列连接

　　为提高LED照明电路的可靠性，降低灭灯几率，先后出现了许多新的连接方式，图1-9所示交叉阵列连接形式是其中比较新颖的一种。交叉阵列以每串3只LED为一组，其共同电流输入来源于a、b、c串，输出也同样分别连接到a、b、c串，构成交叉阵列形式。这种交叉连接方式的目的是，即使个别LED开路或短路，不至于造成发光组件整体失效。

　　譬如图1-9中当某一颗LED因品质不良短路时，与短路器件并联的LED最初将全部不亮。由于驱动源输出电流不变，短路LED将因大电流通过烧断变成断路，断开的这颗LED对陈列电流的分配影响极小，交叉连接阵列中只有一颗LED不亮，整体依然可以正常工作。

　　通过以上分析可知驱动源与负载LED串并联方式搭配选择是非常重要的。

　　5、结言

　　本文根据LED电流-电压特性讨论LED驱动源电路的分类及与LED组件的连接形式，但愿能为LED驱动源电路的设计提供有效参考。

　　随着LED技术的发展，LED亮度进一步提高，价格进一步下降，LED必将向照明领域不断进军和民用市场大量普及，新型照明电源， LED驱动源的设计理念也将随之得到推动和革新，大功率LED取代传统照明将很快成为现实。