LED及其驅動電路設計基礎

　　前言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/368548.htm

　　照明伴隨著人類文明的發展已經有幾千年的歷程。從最原始的鑽木取火到種類繁多的各種光源，如白熾燈、滷素燈、日光燈、節能燈、LED燈等等，照明產品不斷向著高效、節能、環保、高科技方向發展。LED的誕生和發展為人類照明提供了高質量、絢麗多彩的光環境。它被廣泛的應用於民用照明、工業照明、醫療照明、汽車照明等不同領域。隨著LED在各個領域的不同應用需求，LED驅動電路也在不斷進步和發展。本文針對LED和LED驅動電路設計作了相應的介紹、分析和展望。

　　LED 和傳統光源相比較的特點

　　相對於傳統光源，LED具有顯著的優勢：

　　LED發光是由電能直接轉換成光的過程。比較起傳統光源，如白熾燈先由電能轉化為熱能，然後再由熱能轉化成光能的發光的發光過程，LED具有高光效，節能的優勢，此外在適當的驅動條件下，LED燈具有壽命長等特點。

　　LED具有發光響應塊，光源造型多變，色彩控制靈活的優點。

　　LED和傳統光源相比具有良好的低溫特性。

　　LED和傳統光源相比，不存在諸如水銀、鉛等環境汙染物，因此更加綠色環保。

　　儘管LED比較起傳統光源具有名顯優勢，但是目前LED燈成本較高，驅動電路設計、光學系統、機械設計比較複雜。

　　LED 發光原理

　　LED–Light Emitting Diode發光二極體，是一種能發光的半導體電子元件。LED發光是一種注入式電致發光。當給發光二極體加上正向電壓後，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴複合，產生自發輻射的螢光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同。當電子和空穴複合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發出的光的波長越短。而光的波長決定了光的顏色。

　　發光波長：

　　式中：h—普朗克常數； c—光速；—半導體的禁帶寬度。

　　LED 發光原理如圖1所示：

　　

　　圖1 LED 發光原理

　　LED 結構

　　LED基本機構包括LED晶片、電極、焊接線，以及構成LED整個封裝機械部件和光學部件如LED晶片支架、透鏡、矽膠、環氧樹脂、螢光粉等。

　　LED分為單晶片封裝，多晶片封裝產品。隨著科技的發展部分保護元件或部分LED驅動電路元件也和LED晶片一同封裝。

　　單晶片LED 基本結構如圖2，圖3所示：

　　

　　圖2 SMD封裝 LED結構　　 圖3 插件封裝 LED結構

　　LED 主要參數

　　電參數

　　最大正向工作電流IF：是指LED正常工作情況下，允許加在LED的最大的正向電流值。

　　最大浪湧電流IFM：允許加在LED的最大的浪湧電流值。

　　正向工作電壓VF：是在給定的正向電流下得到的二極體正向工作電壓。

　　最大反向電壓VR：LED PN結所允許的最大反向電壓。

　　額定功率PD：允許加於LED兩端正向直流電壓與流過它的電流乘積的最大值。

　　光學參數

　　峰值發射波長p：光譜輻射功率最大的值所對應的波長。

　　光譜半波寬Δλ：峰值發射波長的輻射功率的1/2所對應兩波長的間隔。

　　光通量Φv：通過發光二極體的正向電流為規定值時，器件光學窗口發射的光通量。

　　光強：點光源在給定方向上，單位立體角內發出的光通量，單位坎德拉（Cd）。

　　半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發光強度值為軸向強度值一半的方向與發光軸向（法向）的夾角。半角值二倍為視角（半功率角）。

　　色度坐標x、y、z：1931CIE-XYZ系統，就是在RGB系統的基礎上，用數學方法，選用三個理想的原色來代替實際的三原色。從而將CIE-RGB系統中的光譜三刺激值 和色度坐標r、g、b均變為正值。

　　顯色指數CRI：與標準的參考光源相比較，一個光源對物體顏色外貌所產生的效果。換句話說，CRI是一個光源與標準光源（例如日光）相比較下在顏色辨認方面的一種測量方式。

　　色溫TC（Color Temperature）：光源的光輻射所呈現的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時，稱黑體的溫度（TC）為光源的色溫度。

　　其它參數

　　操作溫度：發光二極體可正常工作的環境溫度範圍。

　　熱阻：熱流通道上的溫度差與通道上耗散功率之比，LED的熱阻定義（Rth j-s）：從PN結（j） 到焊點（s）的熱阻。

　　結溫：LED P-N 結區所能承受的溫度的額定最大值。

　　常規特性曲線

　　LED 常規特性曲線如下圖所示。以下常規特性曲線基於OSRAM LCW CRDP.PC 規格書舉例說明：

　　

圖4相對光通量和LED驅動電流 圖5 LED 正嚮導通電流和LED正嚮導通壓降

　　

圖6 LED溫度和LED正嚮導通壓降　　 圖7相對光通量和LED溫度

　　

圖8色坐標和LED溫度 　　圖9最大正嚮導通電流和LED溫度

　　

圖10 LED抗脈衝電流衝擊曲線

　　LED在電路中的連接方式

　　LED在電路中的連接方式主要包括串聯、並聯、串並聯混合連接。

　　LED 串聯

　　LED串聯連接方式的特點是總壓降等於所有LED壓降之和，每顆LED電流相等。由於各串聯LED工作電流相等，每顆LED的光通量輸出和壽命具有良好的一致性。但是在光通量要求比較高而且LED驅動電流已經限定的情況下，需要較多顆數的LED串聯， 因此LED串連的壓降比較高，對於元件額定電壓的選擇，以及安規設計有比較高的要求。另外由於每顆LED正嚮導通壓降的不同（特別是不同電壓Bin的情況下）容易造成不同批次或同一批次不同LED負載電壓公差比較大，特別是相對於同樣流明輸出的LED並聯情況下LED負載變化範圍比較寬。在恆流精度要求比較高的情況下要求驅動電路有比較好的負載調整率。

　　LED串聯使用並在恆流驅動條件下，當其中一顆或幾顆短路時，其它未短路的LED可以正常工作，但其中任何一顆或幾顆LED開路情況下，其它LED 將無法點亮。

　　LED串聯，如下圖11所示：

　　

　　圖11 LED串聯電路

　　LED 並聯

　　並聯連接方式的特點是總電流等於各並聯LED電流之和，加載在各串LED的電壓相等。由於LED最大電流的限制，可用多個較小額定電流的LED並聯來實現較高的光通量輸出。由於LED並聯電壓相對比較低，因此對LED驅動電路元件的額定電壓要求比較低，額定電流要求比較高。但是如果各LED正嚮導通壓降不同（特別是在LED不同電壓Bin的情況下），容易造成各LED不均流，從而導致LED亮度不均勻。隨著LED結溫的不斷升高，這種不均流將加劇，在不均流比較嚴重的情況下如果驅動電流大於LED最大工作電流時容易造成LED損壞。為減小此種不均流現象，可以通過選用同一電壓Bin的LED 進行並聯使用。

　　LED並聯使用，當其中某一顆或幾顆LED開路時，其它LED在未過流的情況下可以工作。但其中任何一顆LED短路情況下，其它並聯LED燈將無法點亮。

　　LED並聯，如下圖12所示：

　　

　　圖12 LED 並聯電路

　　LED 串並聯混合連接方式

　　LED串並聯或LED矩陣的連接方式隨著光通量要求的不斷提高和光學設計的多樣化需求在LED燈中廣泛應用。在同樣流明輸出的情況下（特別是對於較高流明輸出的LED燈的電路設計），這種串並聯混合的連接方式既避免了多顆LED串聯導通壓降比較高的問題，又可以兼具LED並聯連接方式的優點，即可以用多個較低功率的LED和較低LED驅動電壓的方式來實現更高的光通量輸出。但是由於LED正嚮導通壓降的不同（特別是在LED不同電壓Bin的情況下），串並聯混合連接電路中不均流問題仍然存在。

　　LED 串並聯混合連接方式，當某顆或某串LED損壞，在其它LED未過流驅動的情況下，未損壞的LED仍然可以點亮工作。

　　LED串並聯混合連接如下圖13所示：

　　

　　圖13 LED串並聯電路

　　LED矩陣如下圖14所示：

　　

　　圖14 LED矩陣

　　LED 驅動器的主要實現方式

　　恆流驅動

　　恆流驅動電路輸出的電流是基本恆定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定範圍內變化的驅動電路。恆流驅動是比較理想的LED驅動方式。

　　常用的恆流驅動電路可分為線性LED恆流驅動電路和開關模式LED恆流驅動電路。

　　對於線性恆流LED恆流驅動電路，其具備電路簡單，成本較低的特點。由於不需要電感，高頻變壓器，電解電容等元件，大大降低了電路成本和提高了EMI特性，延長了LED驅動器的使用壽命。

　　基於BCR420U的線性恆流LED驅動電路如下圖15所示：

　　

　　圖15 基於BCR420U的線性恆流LED驅動電路

　　開關模式LED恆流驅動電路，比較起線性恆流驅動電路，具有高效率，高恆流精度的特點。根據不同輸入輸出條件可靈活選擇升壓，降壓，升降壓等拓樸結構。開關模式LED恆流驅動電路應用領域廣泛。但開關模式的LED恆流驅動電路相對複雜，成本較高。

　　基於ILD4001的DC/DC Buck LED恆流驅動電路如下圖16所示：

　　

　　圖16 基於ILD4001的DC/DC Buck LED恆流驅動電路

　　恆壓驅動

　　恆壓LED驅動電路，是輸出電壓基本恆定的。常用的恆壓驅動電路可分為線性LED恆壓驅動電路和開關模式LED恆流驅動電路。線性恆壓LED驅動電路比較簡單，成本低，適合驅動低功率LED，但電路效率比較低；開關模式恆壓LED電路，比較起線性恆壓電路效率比較高，可靠性好。由於LED伏安特性的非線性，很小的電壓變化就會引起很大的電流變化，如果用恆壓源直接驅動，LED電流會隨著LED負載電壓的微小變化而發生急劇變化，甚至會燒毀LED。因此在實際應用中， 恆壓驅動電源一般會在LED負載前接入電阻限流或恆流LED驅動電路。圖17所示為基於TDA4863-2G的恆壓電路+BCR450線性恆流電路的LED驅動解決方案。

　　

　　圖17基於TDA4863-2G的恆壓+BCR450線性恆流的LED驅動解決方案

　　恆功率驅動

　　恆功率驅動電路輸出功率基本恆定。比較起恆壓驅動，在同樣的LED負載電壓變化情況下，恆功率LED驅動有較好的恆流精度。

　　恆功率驅動電路主要以開關電源的拓撲結構為基礎，應用於LED驅動電路中，其優點是可以減小由於LED結溫升高造成的光衰。如圖7所示，在LED燈點亮後結溫升高，特別是在LED結溫比較高的情況下，如果採用恆流驅動光通量輸出將隨著結溫的升高而下降，也就是光衰現象。在恆功率驅動的情況下，隨著LED結溫的升高，負載LED的壓降會降低，LED的驅動電流會有所增加，如圖4所示，由於驅動電流的增加LED光通量輸出將增加，因此彌補了由於LED結溫升高造成的光通量減少現象，從而減小了LED 燈的光衰現象。

　　交流驅動

　　隨著LED材料技術，封裝技術的不斷進步，AC LED已經問世並不斷改進和發展。AC LED是指交流電直接驅動LED。一般來講， AC LED為了得到高電壓而使用多個LED晶片串聯，並將兩路LED反向並聯，或者連同一些整流橋，電阻等其它電子元件封裝在一起的模組。這種AC LED雖然操作簡便（可直接交流電驅動）但頻閃、總諧波失真以及LED燈珠的使用率等方面有待提高。

　　脈衝驅動

　　脈衝驅動是以高速開關的脈寬調製的方式來直接驅動LED，通過改變脈衝寬度或者開關頻率的方式來改變LED驅動電流的有效值，從而改變LED的亮度。LED具有快速的瞬態響應特，當開關頻率大於人眼的視覺閃爍頻率，人眼觀察的LED為連續發光。脈衝驅動適用於可調光LED電路，RGB混光LED電路，或者LED矩陣顯示屏等電路中。

　　相對於恆流驅動，由圖4和圖7所示，LED亮度和驅動電流以及溫度的關係是非線性的，通過調整驅動脈衝佔比的方式可實現更好的線性調光功能。色坐標和色溫會隨著LED隨著結溫的變化而偏移，在RGB混光電路的應用中，可同調整脈衝頻率和佔空比來補償由於溫度變化造成的色坐標和色溫漂移。但是在脈衝驅動有效電流值和恆流驅動電流值相等的情況下，採用恆流驅動電路的效率會高於脈衝驅動電路。

　　基於BCR321U的脈衝驅動RGB調光電路如下圖所示：

　　

　　圖18 基於BCR321U的脈衝驅動RGB調光電路

　　不同光環境對LED和LED驅動器的設計需求

　　隨著LED技術的發展，LED在民用，工業，汽車等領域的應用更加廣泛。因此，在不同的應用場合對LED和LED驅動器的要求也有所不同。

　　室內照明

　　對於室內照明產品，通常以替換傳統燈為主的標準化接口的LED燈為主，其輸出功率比較小。

　　因此LED和LED驅動器要求：一，高效節能，壽命長，性價比高。二，高質量的光學特性，比如說高顯色指數和寬光譜的LED光源，並且光源需要具有良好的穩定性（其中包括無頻閃和良好的線性調光等）。三，造型新穎的個性化的燈具。

　　室外照明

　　對於室外照明產品，具有操作溫度，溼度環境比較惡劣，功率比較大，系統比較複雜的特點。

　　因此LED和LED 驅動器要求：一，高效率，可靠性好，壽命長。二，除了對LED驅動電路要求比較高以外，整個系統的光學設計和散熱，防水設計也尤為重要。三，對於比較複雜的系統進行標準化，模塊化設計。四，智能燈光控制系統設計更加廣泛應用。

　　特殊照明

　　對於特殊照明種產品類繁多，設計需求多樣化，行業標準不完善等特點。隨著特殊照明產品的發展使LED的應用具有無限種可能性。

　　例如低溫照明產品要求LED和LED 驅動器低溫下可以正常工作，並且高效節能，可靠性好，光衰小。

　　例如醫療照明產品，對LED光學特性有特殊要求，例如：LED?光手術燈， ?需要過濾紅外線以避免造成紅外線灼傷問題，高顯色性，特定的光學設計，如無影燈。另外醫療照明產品對於LED 驅動器具有較高的可靠性和壽命要求。

　　例如汽車照明產品，要求LED和LED 驅動器具有良好的高低溫特性，較高的可靠性和壽命。同時滿足特定的光學設計和行業法規要求等。

　　LED 驅動電路的發展展望

　　一，小型化方向發展

　　隨著LED燈性能，裝配，低成本的要求不斷提高，LED驅動電路電路趨向於高效率，精簡，高密度裝配發展方向。特別是消費類照明產品，電路拓撲結構由相對比較複雜的隔離方案趨向於比較簡單的非隔離方案。高壓線性驅動模式的LED驅動方案也不斷的發展和應用於LED產品中。

　　二，主要元件高集成度方向發展

　　隨著LED 驅動電路的簡單化要求，驅動電路集成度不斷提高，特別是LED驅動IC集成度不斷提高，外圍元件不斷精簡，功能更加強大。另外作為光源重要組成部分的LED也衍生出具有高集成度的新產品，不僅實現多晶片封裝，部分電路元件也被集成在LED中，比如AC LED，COB，OLED等。

　　三，大功率驅動電源產品逐步向模塊化，標準化發方向發展

　　部分大功率LED 驅動電源產品尚處於恆壓源配備恆流模塊使用階段，隨著客戶對產品性能、外觀等方面要求的提高，配備恆流模塊的恆壓源產品將逐步被恆壓恆流一體化的模塊化產品所取代。

　　四，智能化方向發展

　　參數設定，運行監控，遠程控制，系統可擴展性為LED智能化的主要方面。

　　基於智能開發平臺，通過更改軟體設計，設定不同參數，對產品進行系列設計，功能擴展，有效縮短研發周。RGB 混光技術的智能控制技術的廣泛應用實現LED的亮度，顏色和色溫進行任意調節，來營造更加豐富高質量的光環境。遙控技術，通訊技術在LED領域的應用使產品應用更加便捷。

　　結束語

　　本文討論了LED的基本參數和特性以及LED驅動電路的設計基礎知識，並基於LED行業發展現狀展望了LED驅動電路的發展方向。隨著半導體元件技術的發展和電子技術的不斷提高，經濟可靠的LED驅動IC及品類繁多的半導體開關器件，可用於設計安全高效的LED驅動電路。