LED的特性及驅(qū)動電源的發(fā)展趨勢
蔣 天 堂 任杰
摘要： LED 作為一種新型光源, 具有與傳統(tǒng)光源不同的特性, LED 驅(qū)動電源則是LED產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的保障，LED 電源的品質(zhì)直接制約了LED 產(chǎn)品的可靠性，因此，在LED 產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善的今日，LED 驅(qū)動電源的成熟也至關(guān)重要，本文簡要介紹LED 的基本特性、驅(qū)動電源及相關(guān)的問題。
關(guān)鍵詞： LED; 特性; 驅(qū)動電源 理工論文,論文網(wǎng),發(fā)表論文

一、 概述
傳統(tǒng)的照明技術(shù)存在發(fā)光效率低（一般白熾燈發(fā)光效率20%左右，普通節(jié)能燈40～50%左右）、耗電量大、使用壽命短，光線中含有大量的紫外線、紅外線輻 射，照明燈具一般是交流驅(qū)動，不可避免的產(chǎn)生頻閃而損害人的視力，普通節(jié)能燈的電子鎮(zhèn)流器會產(chǎn)生電磁干擾，且熒光燈含有大量的汞和鉛等重金屬，無法全部回 收則造成環(huán)境污染等問題�，F(xiàn)代生產(chǎn)和生活的發(fā)展迫切需要一種高效節(jié)能、無污染、無公害的綠色照明技術(shù)取代傳統(tǒng)照明技術(shù)。近年來，經(jīng)過科學(xué)家的技術(shù)攻關(guān)，一 種新型光源技術(shù)—LED照明技術(shù)正在趨于成熟
LED（ Lighting Emitting Diode）即發(fā)光二極管，具有壽命長、節(jié)能、安全、綠色環(huán)保、色彩豐富等顯著優(yōu)點。是全球新興產(chǎn)業(yè)，LED照明燈具有巨大節(jié)能作用，每年以50%的速度增長，將會取代傳統(tǒng)光源，從而引發(fā)人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環(huán)境，緩解全球日益嚴峻的能源危機，。
二、LED的特性
1、LED是單向?qū)щ娖骷�，由于這個特點，就要用直流電流或者單向脈沖電流給LED供電。
2、LED是一個具有PN結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，具有勢壘電勢，這就形成了導(dǎo)通門限電壓，加在LED上的電壓值超過這個門限電壓時LED才會充分導(dǎo)通。LED的門限電壓一般在2．5V以上，正常工作時的管壓降為3～4V。
3、LED的電流一電壓特性是非線性的，流過LED的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動勢減去LED的勢壘電勢后再除以回路的總電阻(電源內(nèi)阻、引線電阻和LED體電阻之和)。因此，流過LED的電流和加在LED兩端的電壓不成正比。
4、LED的PN結(jié)的溫度系數(shù)為負，溫度升高時LED的勢壘電勢降低。由于這個特點，所以LED不能直接用電壓源供電，必須采取限流措施，否則隨著LED工作時溫度的升高，電流會越來越大，以致?lián)p壞LED。
5、流過LED的電流和LED的光通量的比值也是非線性的。LED的光通量隨著流過LED的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來光通量增加得越少。因此，應(yīng)該使LED在一個發(fā)光效率比較高的電流值下工作。
6、LED也和其他光源一樣，所能承受的電功率是有限的。如果加在LED上的電功率超過一定數(shù)值，LED可能損壞。
7、由于生產(chǎn)工藝和材料特性方面的差異，同樣型號的LED的勢壘電勢以及LED的內(nèi)阻也不完全一樣，這就導(dǎo)致LED工作時的管壓降不一致。
三、LED驅(qū)動電源的幾種配置
LED 不能象傳統(tǒng)光源那樣直接使用供電電源, 需要驅(qū)動電路將供電電源變換為直流電流才能工作。LED 驅(qū)動電路的類型、結(jié)構(gòu)與供電電源的類型有關(guān), 通常分為直流供電、交流供電兩大類。
1、直流供電：指能直接提供直流電流的各種干電池、蓄電池和太陽能電池等, 根據(jù)所提供的電源電壓又可分為以下幾種形式。
1.1、低電壓驅(qū)動
低電壓驅(qū)動就是指用低于LED正向?qū)�通壓降的電壓�?qū)動LED，如一節(jié)普通干電池或鎳鉻／鎳氫電池，其正常供電電壓為0．8～1．65V。低電壓驅(qū)動LED需要把電壓升高到足以使LED導(dǎo)通的電壓值。對于LED這樣的低功耗照明器件，這是一種常見的使用情況，如LED手電筒、LED應(yīng)急燈、節(jié)能臺燈等。由于受單節(jié)電池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比較高的變換效率。另外，考慮到有可能配合一節(jié)5號電池工作，還要有最小的體積，其最佳技術(shù)方案是電荷泵式升壓變換器。
1.2、過渡電壓驅(qū)動
過渡電壓驅(qū)動是指給LED供電的電源電壓值在LED管壓降附近變動，這個電壓有時可能略高于LED管壓降，有時可能略低于LED管壓降。如一節(jié)鋰電池或者兩節(jié)串聯(lián)的鉛酸電池，滿電時電壓在4V以上，電快用完時電壓在3V以下。用這類電源供電的典型應(yīng)用有LED礦燈等。 過渡電壓驅(qū)動LED的電源變換電路既要解決升壓問題又要解決降壓問題，為了配合一節(jié)鋰電池工作，也需要有盡可能小的體積和盡量低的成本。一般情況下功率也不大，其最高性價比的電路結(jié)構(gòu)是反極性電荷泵式變換器。
1.3、高電壓驅(qū)動
高電壓驅(qū)動是指給LED供電的電壓值始終高于LED管壓降，如6V、12V、24V蓄電池，典型應(yīng)用有太陽能草坪燈、太陽能庭院燈、機動車的燈光系統(tǒng)等。高電壓驅(qū)動LED要解決降壓問題，由于高電壓驅(qū)動一般是由普通蓄電池供電，會用到比較大的功率(如機動車照明和信號燈光)，應(yīng)該有盡量低的成本。變換器的最佳電路結(jié)構(gòu)是串聯(lián)開關(guān)降壓電路。
2、交流供電（市電驅(qū)動 ）： 這是一種對LED照明應(yīng)用最有價值的供電方式，是半導(dǎo)體照明普及應(yīng)用必須要解決好的問題，交流供電(市電驅(qū)動)應(yīng)用于LED 驅(qū)動,一般要經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓(或穩(wěn)流)等環(huán)節(jié), 使交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源, 然后通過適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路為LED 提供合適的工作電流，還要有比較高的變換效率、有較小的體積和較低的成本。另外，還應(yīng)該解決安全隔離問題�？紤]到對電網(wǎng)的影響，還要解決好電磁干擾和功率因數(shù)問題。對中小功率的LED，其最佳電路結(jié)構(gòu)是隔離式單端反激變換器。對于大功率的應(yīng)用，應(yīng)該使用橋式變換電路。
四、LED 驅(qū)動電源面臨的問題
LED照明燈具有巨大節(jié)能作用，每年以50%的速度增長，將會取代傳統(tǒng)光源，從而引發(fā)人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環(huán)境，緩解全球日益嚴峻的能源危機，在LED 大放異彩的同時，LED 驅(qū)動電源則是L E D 產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的保障，LED 電源的品質(zhì)直接制約了LED 產(chǎn)品應(yīng)用的可靠性，因此，在LED 產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善的今日，LED 驅(qū)動電源的發(fā)展和成熟也至關(guān)重要。
由于LED 是特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負溫度特性，因而在應(yīng)用過程中需要對其進行穩(wěn)定工作狀態(tài)和保護，從而產(chǎn)生了驅(qū)動的概念。LED 器件對驅(qū)動電源的要求近乎于苛刻，LED 不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220V 的交流市電。LED是2～3伏的低電壓驅(qū)動，必須要設(shè)計復(fù)雜的變換電路，不同用途的LED 燈，要配備不同的電源適配器。國際市場上國外客戶對LED驅(qū)動電源的效率轉(zhuǎn)換、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容的要求都非常高，設(shè)計一款好的電源必須要綜合考慮這些因數(shù)，因為電源在整個燈具中的作用就好比像人的心臟一樣重要。2009年，雖然金融危機對世界經(jīng)濟的影響很大，但是歐美等國際市場對大功率LED 電源的需求量還是很大，相應(yīng)的高端LED 產(chǎn)品的出口量受金融危機影響較小。2008 年中國LED 應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)值已超過450億元RMB，LED 示范應(yīng)用路燈、LED 全彩顯示屏顯示器件、太陽能LED 、景觀照明、消費類電子背光、信號、指示等應(yīng)用仍然是主要應(yīng)用領(lǐng)域。但是在市場一片繁榮的背景下，LED產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，對驅(qū)動電源的要求混亂，市場上LED 產(chǎn)品如火如荼的發(fā)展態(tài)勢下，就LED 驅(qū)動電源企業(yè)而言，目前面臨幾個挑戰(zhàn)。首先是驅(qū)動電路整體壽命，尤其是關(guān)鍵器件如電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命。其次是LED 驅(qū)動器應(yīng)挑戰(zhàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，尤其是在驅(qū)動大功率LED 時更是如此，因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散，電源轉(zhuǎn)換效率的過低，影響了LED 節(jié)能效果的發(fā)揮。第三，以大調(diào)光比高效率地對LED 調(diào)光，同時能夠保證在高和低亮度時顏色特性恒定。同時要降低成本，目前在功率較小(1～5W)的應(yīng)用場合，恒流驅(qū)動電源成本所占的比重已經(jīng)接近1/3，已經(jīng)接近了光源的成本，一定程度上影響了市場推廣。

五、LED驅(qū)動電源發(fā)展的趨勢
LED由于環(huán)保、壽命長、光電效率高等眾多優(yōu)點，近年來在各行業(yè)應(yīng)用得以快速發(fā)展，LED的驅(qū)動電源成了關(guān)注熱點，理論上，LED的使用壽命在10萬小時以上，但在實際應(yīng)用過程中，由于驅(qū)動電源的設(shè)計及驅(qū)動方式選擇不當(dāng)，使LED極易損壞。 當(dāng)前很多廠家生產(chǎn)的LED燈類產(chǎn)品（比如護欄、燈杯、投射燈），采用阻、容降壓，然后加上一個穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，向LED供電，這樣驅(qū)動LED的方式存在極大缺陷，首先是效率低，在降壓電阻上消耗大量電能，甚至有可能超過LED所消耗的電能，且無法提供大電流驅(qū)動，因為電流越大，消耗在降壓電阻上的電能就越大，所以很多產(chǎn)品的LED不敢采用并聯(lián)方式，均采用串聯(lián)方式降低電流。其次是穩(wěn)定電壓的能力極差，無法保證通過LED電流不超過其正常工作要求，設(shè)計產(chǎn)品時都會采用降低LED兩端電壓來供電驅(qū)動，這樣是以降低LED亮度為代價的。采用阻、容降壓方式驅(qū)動LED，LED的亮度不能穩(wěn)定，當(dāng)供電電源電壓低時，LED的亮度變暗，供電電源電壓高時，LED的亮度變亮些。
未來的方式是，先恒壓，再線性恒流整合方式。電壓保證在一定范圍內(nèi)適應(yīng)負載需要，按LED 有不同的Vf 值3～3.6V之間，可按LED 實際數(shù)量乘于3V 計算出最低值，再按3.6V電壓乘于數(shù)量計算出最大可能電壓值，最終確定電源部分需要調(diào)整的電壓范圍。再線性恒流源后端恒流，可以多路恒流源并聯(lián)使用，也可以單路多個恒流源增加電流使用。前端電壓源部分采樣檢測恒流源壓差，調(diào)整合適負載需求電壓，從而達到高效、靈活的驅(qū)動線路需求。恒流源需要低壓差線性恒流器件，線性恒流源有著很好的電流誤差，也會有很好的灰度表現(xiàn)。在小電流時可以有1～3V 的壓差，在大電流方面必須要200～300mV低壓差，才會有較高的效率，那樣線性恒流源需要另外供電。其實每種驅(qū)動方式均有優(yōu)、缺點，根據(jù)LED產(chǎn)品的要求、應(yīng)用場合，合理選用LED驅(qū)動方式，精確設(shè)計驅(qū)動電源成為關(guān)鍵。

[參考文獻]
[1] 周志敏. LED驅(qū)動電路設(shè)計與應(yīng)用[M] ．北京：人民郵電出版社，2006.
[2] 鄭久云. 白光LED的應(yīng)用與驅(qū)動[J] ．現(xiàn)代顯示雜志, 2009,(08)：43-46
[3] 顏重光. 發(fā)展迅速的AC直接驅(qū)動LED光源技術(shù)[J] ．電子產(chǎn)品世界雜志, 2009,(02)： 64-66．
[4] 范俊杰. LED驅(qū)動電源的現(xiàn)狀與展望[J] ．中國科技信息雜志, 2009, (15)： 137-139.
[5] 馮勇. 白光LED可控恒流源驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計[J] ．電氣開關(guān) , 2008, (02)：29-31.

轉(zhuǎn)載請注明來自：http://www.jinnzone.com/zhinengkexuejishulw/8483.html