高效率 LED 驅(qū)動電源設(shè)計
隨著LED生產(chǎn)成本下降,越來越多應(yīng)用開始采用這類組件,包括手持裝置、汽車電子和建筑照明等。LED擁有高可靠性、良好效率和超快響應(yīng)速度,所以很適合作為照明光源。雖然白熾燈泡的成本很低,更換費用卻可能很昂貴。街燈就是很好的例子,更換一個故障燈泡往往需要出動多位人員和一輛卡車。也因為如此,盡管LED和白熾燈泡的效率大致相等,許多街燈卻采用可靠性更高且更省電的LED。
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白熾燈雖能發(fā)出連續(xù)光譜,卻常用于交通號志等只需綠光、紅光和黃光的場合。這類應(yīng)用須在白熾燈外加裝一個特定顏色的濾片,但它會造成六成的光能浪費。LED則能產(chǎn)生特定顏色的光,而且只要接通電源即可立即發(fā)亮,不像白熾燈需要200ms的反應(yīng)時間,因此汽車產(chǎn)業(yè)早就將LED用于車燈。另外,DLP視訊應(yīng)用也以LED作為光源,利用高速開關(guān)的LED取代原有機(jī)械組件。
LED的I-V特性
圖1是典型InGaAlP LED的正向電壓特性。LED電路模型可表示為一個電壓源串聯(lián)一個電阻,這個簡單模型與實際測量結(jié)果很吻合。電壓源為負(fù)溫度系數(shù),因此正向電壓會隨著接面溫度升高而下降。InGaAlP LED(黃色與琥珀紅)的溫度系數(shù)在-3.0~-5.2mV/K之間,InGaN LED(藍(lán)、綠和白色)則介于-3.6~-5.2mV/K之間。負(fù)溫度系數(shù)是造成LED很難并聯(lián)的原因之一,因為越熱的組件會汲取越多的電流,越多的電流又會讓它的溫度進(jìn)一步升高,最后就變成熱失控。
圖1 以電壓源和串聯(lián)電阻作為LED電路模型后得到的I-V特性曲線
圖2是輸出光強(qiáng)度(光通量)與操作電流的關(guān)系,可以看出輸出光強(qiáng)度與二極管電流的關(guān)系很密切,只要改變正向電流就能調(diào)整LED的亮度。另外,這條曲線在電流較小時很像是一條直線,但其斜率在電流升高時會變得較小。這表示當(dāng)電流較小時,只要二極管電流加倍就會讓輸出光強(qiáng)度加倍。電流較大時則非如此,此時電流加倍只會讓輸出光強(qiáng)度提高八成。這項特性對LED很重要,因為它是由交換式電源所驅(qū)動,所以可能會遇到很大的紋波電流。其實電源供應(yīng)的成本在某種程度上就是由所允許的電流決定:紋波電流越大,電源供應(yīng)的成本就越低,只不過LED的輸出光強(qiáng)度也會受到影響。
圖2 LED效率在電流超過1A后開始下降
圖3是把三角紋波電流加到直流輸出電流后,輸出光強(qiáng)度減少的情形。由于紋波電流的頻率在多數(shù)情形下都遠(yuǎn)超過人眼所能分辨的80Hz,再加上人眼對光強(qiáng)度的反應(yīng)又呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系,只要光強(qiáng)度減少不超過20%就不會被發(fā)現(xiàn),因此就算LED電流的紋波很大,光強(qiáng)度也不會明顯減弱。
圖3 紋波電流造成LED輸出光強(qiáng)度略為下降
紋波電流還會增加LED耗電量,造成接面溫度上升,并對LED的使用壽命產(chǎn)生很大影響。圖4顯示LED輸出光強(qiáng)度與時間及接面溫度的關(guān)系。我們設(shè)定80%的輸出光強(qiáng)度為LED的使用壽命,則從圖4中可看出,當(dāng)溫度從74℃降至63℃時,LED使用壽命會從10 000小時增加為25 000小時。
圖4 接面溫度升高會縮短LED的使用壽命
圖5是紋波電流造成LED功耗增加的情形。由于紋波頻率比LED的熱時間常數(shù)高,因此就算紋波電流很大 (以及峰值功耗很大)也不會影響峰值接面溫度——這個溫度主要是由平均功耗決定。LED的大部份電壓降就像是一個電壓源,所以電流波形不會對功耗造成影響。然而電壓降中仍會有某些電阻分量,這部份的功耗等于電阻值乘以均方根電流的平方。
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