大功率LED照明电路特性与驱动设计精.doc

- 20 - 收稿日期 :2008-04-01大功率 LED 照明电路特性与驱动设计王雅芳 1,2(1. 福建水电学院, 福建 永安 366000; 2. 厦门大学, 福建 厦门 362000摘要:文章从 LED 的发展现状出发,介绍了 LED 照明的特点和 LED 的光学特性参数。同时对照 明灯具典型的驱动电路进行研究并做了总结。基于实际情况,设计了一款照明灯的实用驱动电路。 从实验的角度论证了 LED 光源代替传统白炽灯光源的可行性和必要性,并对实际测量结果进行对 比,使最终的结果具有实用性。关键词:LED ;特性分析;驱动电路;照明设计中图分类号:TM910.2 文献标识码:A 文章编号:1681-1070(2009 04-0020-05High-power LED Lighting Circuits Characteristics and Driver DesignWANG Ya-fang1,2(1. Fujian college of water conservancy and electric power, Yong an 366000, China ; 2.Xiamen University,Xiamen 362000, China Abstract: From the development status of the LED, control light typical of the driver circuit on the characteris-tics of LED lighting and LED optical parameters, the lighting on a typical drive circuit and a summary.Based onthe actual, lighting design of a practical driving circuit. Experimental proof from the perspective of the LED lightsource instead of the traditional incandescent light on the feasibility and necessity.The actual measurementresults were compared, demonstrating the practicality of conclusion.Key words: LED; characteristic analysis; driving circuit; lighting design1 引言20世纪 60年代问世的 LED 在短短的 40多年间 取得了飞速发展。第一批产品出现在 1968年,工作 电流 20mA 的 LED 的光通量只有千分之几流明。 20世 纪 70年代初该技术进步很快, 发光效率达到 1lm /W , 颜色也扩大到红色、绿色和黄色 1。 LED 从诞生至今 以每 10年亮度提高 20倍、价格降低为原来的 1/100的速度在发展。伴随着新材料的发明和光效的提高, 单个 LED 光源的功率和光通量也在迅速增加。 2003年我国已把上海、大连、厦门、南昌等 4个城市设立为国家半导体照明产业示范基地。 2005年中国LED 的产量已经达到 262.1亿只,市场规模更是突破 百亿元大关,达到 114.9亿元。快速发展的 LED 技术使得 LED 在照明工程中的 应用也越来越广泛。对于大功率 LED 照明电路,无 论哪种电源,都不可能直接给 LED 供电,如要应用 LED 做照明光源,就要解决电源驱动的问题 1。本文 首先介绍了 LED 照明的特点和 LED 光学特性参数, 其 次从 LED 的驱动电路入手,详细地对现有照明驱动 电路进行了特性分析,并在理论上和实验中对 LED 驱动电路同实际测量结果进行了对比,使最终的结 果具有实用性。- 21 -第 9卷第 4期 2 LED照明特点和特性分析2.1 LED的特点LED (Light Emitting Diode发光二极管,是一 种固态半导体器件 1。目前来看, LED 毕竟是一种新 型材料和技术, 由于其本身具有的优良特性, LED 光 源在很多领域有着其他光源无法替代的优势。 LED 由 -族化合物,如 GaAs (砷化 镓 、 GaP (磷化 镓 、 GaAsP (磷砷化 镓 等半导体制成,它是利用 固态半导体芯片作为发光材料,在半导体中通过载 流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射 2, 直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色光。图 1 LED发光原理示意图图 2 LED结构图图 3 6个白光 LED 的正向 I -V 曲线图 4 C-Y坐标系统2.2 大功率照明 LED 特性测试作为照明光源,我们关心的大功率 LED 的性能 指标主要有亮度、光强、色坐标、色温、显色指数和 发光效率 3。虽然大功率白光 LED 是当前的研究热 点,但是关于其电学、光学特性的报道还很少,下面 主要就搜集到的大功率 LED 的相关特性进行了整理。 2.2.1 I -V 特性I -V 特性是表征 LED 芯片 PN 结性能的主要参数4。图 3显示的是不同白光 LED 之间,甚至是从同一产品批次中随机挑选的 LED 之间的正向电流电压特性的差异。可以看出,在恒定电压的驱动下,不同 LED 上流经的正向电流大小不同,导致发出的白光 亮度不同。2.2.2 LED照度特性有些光束集中于狭小的立体角内的照明器,用 极坐标难以表达清楚时,就用直角坐标表示,以纵 轴表示光强,以横轴表示光束的投射角,用这样的 方法绘制的曲线称为直角坐标配光曲线。室内和街 道照明灯具通常是在我们正常的工作位置上进行测 量的,这时,坐标系统的参考点正好取在灯具下面。 一般情况下最常用且国际照明委员会推荐的是 C-Y坐标系统 5, C 代表经度平面角度,角 Y 从最低点开 始计量。为了发展照明 LED 技术,发达国家都非常重视 LED 测试方法及标准的研究。例如美国国家标准检 测研究所(NIST 组织国际知名测试专家开展 LED 测试的研究,重点研究 LED 发光特性、温度特性和 光衰特性等测试方法,试图建立整套的 LED 测试方 法和技术标准,在 LED 测试方面已经走在了世界的王雅芳:大功率 L E D 照明电路特性与驱动设计电 子 与 封 装 第 9卷第 4期前列。在我国,半导体发光二极管测试方法目前尚无相应的国家标准,近年来,中国光协光电器件专业分会陆续组织了多次半导体发光二极管测试方法的学术研讨和交流,由于某些仪器制造的技术水平以及对 LED 测量标准的认识差距,除了上述特性分析以外,还增加了显色特性、结温等参数的测量方法,为照明 LED 产品的发展提供了极为重要的依据。3 典型驱动电路分析3.1 LED驱动电路的研究(1 LED 是单向导电器件,由于这个特点,就要用直流电流或者单向脉冲电流给 LED 供电。(2 LED 是一个具有 PN 结构的半导体器件,具有势垒电势,这就形成了导通门限电压,加在 LED上的电压值超过这个门限电压时 L E D 才会充分导通。 LED 的门限电压一般在 2. 5V以上,正常工作时的管压降为 3V4V。(3 LED 的电流 -电压特性是非线性的, 流过 LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去 LED 的 势垒电势后再除以回路的总电阻(电源内阻、引线 电阻和 LED 体电阻之和 。 因此, 流过 LED 的电流和 加在 LED 两端的电压不成正比。(4 LED 的 PN 结的温度系数为负,温度升高时 LED 的势垒电势降低。由于这个特点, LED 不能直 接用电压源供电, 必须采用限流措施, 否则随着 LED 工作时温度的升高,电流会越来越大,以至损坏 LED 。(5流过 LED 的电流和 LED 的光通量的比值也 是非线性的。 LED 的光通量随着流过 LED 的电流增 加而增加,但却不成正比,越到后来光通量增加得 越少。因此,应该使 LED 在一个发光效率比较高的 电流值下工作。3.2 常见的几种典型驱动电路根据 LED 的特性分析和背光照明应用时对光源 的要求,都需要对 LED 进行专门的电源管理。目前, 白光 LED 驱动电路的选择策略和应用介绍按照芯片 驱动类型大致分为恒流源、电荷泵和开关电源三种 类型,按照负载连接方式分为串联型、并联型和串 并混联型 3,如图 5、 6、 7所示。LED 发光强度与通过二极管的电流成正比,有 几种方法可以使多个 LE D 的发光强度达到近似匹 配,一种是将每条支路 LED 与稳压源并联配置,一图 5 串联驱动电路图 6 并联驱动电路图 7 混联型驱动电路种是将所有的二极管串联配置,但在个别情况下, 也可采用混合的并联 /串联配置方式,使通过每个 二级管的电流都相同。为保证可靠性,驱动 LED 的 电流必须低于 LED 额定值的要求,但当环境温度升 高时所允许的额定电流会降低 4。通常,当温度由 25升高至 85时,额定电流由 30mA 下降至 6mA 。 若采用恒压驱动方式, LED 正向导通后,外加正向 电压的细小变动都将引起正向电流的很大变化,从 而有可能导致其超过额定电流。基于这些原因不难 得出这样的结论:用恒压方式驱动白光 LED 方案的 可靠性较差,为使多只白光 LED 具有匹配的亮度和 色度,应选用恒流驱动方式来驱动它们。4 串联饱和恒流驱动电路结构和工作原理 串联饱和型恒流驱动电路旨在实现当电源电 压或环境温度发生变化时,均可为标准工作电压为 3.5V 、 工作电流为 350mA 的单个大功率照明 LED 提- 22 - 23 -第 9卷第 4期 供恒定的驱动电流 5。串联饱和型恒流驱动电路的 结构框图如图 8所示。该串联饱和型恒流驱动电路的工作原理如下:基准电压源产生 3.3 V和 1.5V 两个基准电压,其中 1.5V 的基准电压经输出缓冲电路后送入误差运算放 大器的反相端,该误差运算放大器的输出控制功率 MOSFET 和传感 MOSFET 的栅压, 使其恒定在 1.8V , 并由此获得相应的驱动电流。传感电流在取样电阻 R 上产生取样电压, 3.3V 基准电压与该取样电压的 差值作为反馈电压反馈回误差运算放大器的同相输 入端,并与反相输入端的电压即由基准电压源产生 的 1.5V 基准电压比较,对输出电压进行调整,进而 对传感 MOSFET 的传感电流进行调整,使整个闭环 反馈系统处于动态的平衡中,以达到稳定功率管的 驱动电流的目的。5 驱动电路结果分析实验用的大功率照明 LED ,采用 1W 白光 LED , 对这种大功率 LED 灯进行了正向电流电压特性测试 以及脉冲电流和直流供电时 LED 照度特性的测试。正向电流电压特性测试可以在照明 LED 两端加 正向电压,记录下不同正向压降下的正向电流,用 描点法得到 LED 灯的正向电流电压特性曲线,由此 方法我们可以测出照明 LED 的开启电压约为 3V ,当 正向电压为 3.25V 时,电流为 350mA 6。下面针对环 境温度和驱动电流的变化进行分析,实验室测量光 学量的仪器只有照度计,所以唯一可以得到的光学 方面的测试数据只有照明 LED 的照度。由图 9可以看出,当温度由 0上升至 90时, 电流由 349.94mA 下降至 349.70mA , 仅变化 0.24mA , 达到恒流控制精度指标要求。对脉冲供电状态下照明 LED 的照度进行测试,图 8 串联饱和型恒流驱动电路结构框图图 9 环境温度和驱动电流变化图表 1 直流供电方式下照明 LED 的照度表 2 周期 500Hz 、占空比 50%的脉冲电流供电方式下 LED 的照度并与直流供电状态下的照度进行对比。表 1、 2中示出了直流和脉冲两种供电方式下照 明 LED 的照度。 可以看出, 以平均电流为 20mA 、 40mA、 60mA 的脉冲电流驱动照明 LED 时, 距离 LED 灯 1cm 处的照度与用恒定的 20mA 、 40mA、 60mA 直流电流 驱动时几乎完全一致,充分说明脉冲电流的平均值 是决定脉冲供电状态下照明 LED 照度的唯一因素。6 小结从实验中可以看出, 1W 大功率 LED 的驱动电 流恒定在 350mA ,该恒流驱动电路可实现在 5V 电源 电压有 10%跳变的情况下,驱动电流的变化被控制王雅芳:大功率 L E D 照明电路特性与驱动设计- 24 -电 子 与 封 装第 9卷第 4期在 1.7%以内的可能。在环境温度由 25升高至 90 时,驱动电流仅减小 1.1%。 LED 照明目前还只能用 于一些特殊场合,广泛适用的照明光源应该是白光 LED ,而目前国内外已研制出的白光 LED 光效还不 够高,功率也不够大,价格较贵 7。如果要求全面 取代目前普遍适用的白炽灯或荧光灯等,尚有一些 技术上的难题需要研究解决,如 LED 光通量有待进 一步提高,发出的光与自然光仍有一定的差距等等。 通过合理的光学设计, LED 照明有望应用到更多的 领域,比如在家用照明、背景光源、指示照明以及 在汽车尾灯上的应用等。参考文献:1李军伟 .LED 的驱动电路研究 J. 大连理工大学学报,2007.2王声学, 吴广宁, 蒋伟, 等 . LED原理及其照明应用 J.灯与照明, 2006,30(4:32-33.3沈慧 . 大功率照明 LED 恒流驱动芯片的设计 J. 浙江大学学报, 2006.4郑代顺,钱可元, 罗毅 . 大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析 J.半导体光电, 2005,26(2:88-90.5J. R.柯顿著, 陈大华, 刘九昌, 徐庆辉, 等译 . 光源与照明 M.上海:复旦大学出版社, 2000.6张赫 . 白光 LED 驱动电路的 IC 芯片设计 J. 大连理工大学学报, 2006.7王乐 . 关于 LED 应用于照明的研究和设计 J. 浙江大学学报, 2005.作者简介:王雅芳 (1978- , 女, 福建泉州人, 厦门大学控制工程专业工程硕士,主 要研究方向为电子信息技术研究和教 学、电气工业控制与智能决策支持系 统。图 8 正常工艺生产的环氧模塑料经 MSL3后的结果图 9 二次挤出生产的环氧模塑料经 MSL3后的结果图 10 经方法 (2 处理后生产的环氧模塑料经 MSL3后的结果(上接第 3 页