LED照明設(shè)計(jì)LED電特性及簡單驅(qū)動(dòng)電路

　　LED照明作為新一代照明受到了廣泛的關(guān)注。僅僅依靠LED封裝并不能制作出好的照明燈具。本文主要從電子電路、熱分析、光學(xué)方面對如何運(yùn)用LED特性來設(shè)計(jì)進(jìn)行解說。

　　LED

　　LED是電子二極管的一種，主要構(gòu)造是PN結(jié)。如圖1，當(dāng)向LED的兩端施加電壓，電子就會(huì)吸收能量并向價(jià)電子帶轉(zhuǎn)移，然后再將吸收的能量釋放出來。這個(gè)被釋放出的能量就是光。放出的光的波長和顏色是由半導(dǎo)體的電勢差決定的。

　　圖1 LED運(yùn)作原理

　　LED應(yīng)用

　　LED具有發(fā)光效率高、壽命長、輕便、不含有害物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。高發(fā)光效率可以增加電池的使用壽命，對于隨身攜帶的產(chǎn)品來說很適合。LED的使用壽命是一般白熾燈的2～3倍 (有些資料顯示是40倍)， 因?yàn)閴勖L而使用LED的一個(gè)典型例子就是交通信號燈。另外，由于LED燈的反應(yīng)速度非?？?，所以也適合用于汽車的剎車燈。LED燈具的設(shè)計(jì)自由度非常高，不僅能調(diào)節(jié)亮度，還能調(diào)節(jié)色度。

　　LED電子特性

　　LED具有一般硅二極管的類似特性，在正負(fù)極之間施加電壓。當(dāng)外加電壓達(dá)到一個(gè)臨界值，LED中產(chǎn)生電流，開始發(fā)光。當(dāng)電壓超過這個(gè)臨界值時(shí)，電流急劇增加。白色LED的臨界電壓值約3.5V。紅色、綠色、藍(lán)色的LED臨界電壓值如表1所示。

　　　　　　　表１

　　我們用電路仿真來說明LED的電子特性以及驅(qū)動(dòng)電路。電路仿真是對LED和電阻等的電子設(shè)計(jì)進(jìn)行建模并在計(jì)算機(jī)上模擬計(jì)算電路運(yùn)行的一種簡易方法。這里使用的是Cadence公司的電路仿真PSpice A/D。同時(shí)使用了飛利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。

　　首先運(yùn)用圖2的電路來驗(yàn)證LED的電子特性。要得到電壓－電流特性，需要進(jìn)行直流解析。

　圖2 驗(yàn)證電壓－電流特性電路

　　解析結(jié)果如圖3所示

圖3 根據(jù) PSpice A/D所得到的解析結(jié)果：電壓－電流特性

　　驗(yàn)證LXM3-PM71電壓－電流特性的結(jié)果顯示：在3.0V情況下電流約354mA。

　　驅(qū)動(dòng)電路

　　白熾燈采用的是電壓驅(qū)動(dòng)型電路設(shè)計(jì)。LED是用電流驅(qū)動(dòng)型電路設(shè)計(jì)，通過控制LED中的電流調(diào)節(jié)亮度和色度。白熾燈和熒光燈等照明燈具中的電子驅(qū)動(dòng)不能直接運(yùn)用于LED照明燈具。為了最大限度的發(fā)揮LED的特長，需要進(jìn)行適合LED的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。而且即使使用了發(fā)光效率很高的LED，如果驅(qū)動(dòng)電路的效率不高，也會(huì)影響整個(gè)照明燈具的發(fā)光效率。LED照明燈具設(shè)計(jì)大致分為下面3個(gè)階段。1.光學(xué)設(shè)計(jì)，2.熱設(shè)計(jì)，3.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。在這里先介紹LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

　　- 電阻型驅(qū)動(dòng)電路

　　下面介紹LED電阻型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的方法。LED、電阻、直流電壓源如圖4所示連接起來。以直流電壓源的電壓值和壓降（正向電壓）為基礎(chǔ)，計(jì)算LED發(fā)光中相應(yīng)電流的電阻值。計(jì)算公式如下：

　　例如，在5V的電壓源中驅(qū)動(dòng)上述LXM3-PW71。該LED的正向電壓為3.0V，電流為350mA時(shí)，電阻應(yīng)為5.71。圖4、圖5表示電路仿真運(yùn)算中的電路及其解析結(jié)果。通過圖5，可以看到LED中的電壓大概為3.0V，電流約350mA。

圖4 電阻型驅(qū)動(dòng)電路 圖5 瞬態(tài)分析結(jié)果

　　- LED正向電壓的偏差

　　該電路中不考慮作為LED電路的一個(gè)重要設(shè)計(jì)要素－正向電壓的偏差。LED電子設(shè)計(jì)特性中必定會(huì)有偏差，即使是同一型號的設(shè)計(jì)，分別進(jìn)行測量的話也不能得到相同的特性。偏差根據(jù)LED不同而有區(qū)別，正向電壓中有偏差超過15％的情況。LXM3－PW71的正向電壓大概在4～2.5V之間波動(dòng)。這樣，如果運(yùn)用之前的電阻型驅(qū)動(dòng)電路，LED的正向電壓不同，電流也會(huì)有很大的變化。

　　大功率照明燈具通常情況下需要使用多顆LED。只是單純的串聯(lián)這些LED，進(jìn)行電阻驅(qū)動(dòng)的話會(huì)出現(xiàn)電路不通的情況。例如，串聯(lián)3個(gè)LXM3-PW71，用12V做驅(qū)動(dòng)，如果3顆LED同時(shí)擁有最大的正向電壓，由于總電壓是12V，就會(huì)因電壓不足而不能運(yùn)行。而且即使電流相同，也并不是說所有的LED都一樣發(fā)光。并聯(lián)LED也是如此。

　　那么有沒有解決LED正向電壓偏差問題的方法呢？

　　答案只有一個(gè)，對LED進(jìn)行分級。在設(shè)計(jì)制造過程中，各個(gè)不同的特性會(huì)引起偏差。在同一條件（同一條生產(chǎn)線，同一天）下批量生產(chǎn)，同一批量制造的產(chǎn)品之間的誤差通常比與其他批量制造的產(chǎn)品誤差小很多。LED分級是將同一型號的LED按照正向電壓的偏差次序排列。在LXM3-PW71的數(shù)據(jù)庫中記錄了對應(yīng)正向電壓的Bin表（圖6）。例如，使用Bin Code C的LED時(shí)，正向電壓在2.79～3.03V之間。

　　圖6 正向電壓相應(yīng)的Bin表

　　- 恒流源型驅(qū)動(dòng)電路

　　調(diào)節(jié)LED的光度需要增減LED的電流。由于人眼對光的感光度是對數(shù)關(guān)系，在調(diào)節(jié)電流時(shí)，電流的增減率與LED亮度呈指數(shù)函數(shù)變化。因此電阻型驅(qū)動(dòng)電路并不最適合于照明燈具。即使電壓有偏差，為了恒定電流也需要使用恒流源型驅(qū)動(dòng)電路。

圖7 恒流源型驅(qū)動(dòng)電路

　　圖8是運(yùn)用半導(dǎo)體和二極管恒定電流電路的例子。供給電壓值改變，為了保持半導(dǎo)體的基極的電位恒定（約1.2V），需要使用2個(gè)二極管（D1、D2）。LED的電流連接發(fā)射極上的電阻。計(jì)算可知，半導(dǎo)體的集電極和發(fā)射極電流基本相同。本例中，為了使LED的電流維持在350mA，需要用到1.48歐姆的電阻。

圖8 簡單的恒電流源型驅(qū)動(dòng)電路

　　即使輸入電壓改變，二極管D1、D2的電壓穩(wěn)定，半導(dǎo)體的基極電位穩(wěn)定，保證LED的電流為350mA。通過電路檢驗(yàn)使實(shí)際的輸入電壓在5V到24V之間變化。檢驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 恒電流源驅(qū)動(dòng)電路的電壓變化驗(yàn)證結(jié)果

　　當(dāng)輸入電壓在5V～24V之間變化時(shí)，二極管D1、D2的電壓也會(huì)發(fā)生微小的變化。從圖9的中央波形可以看到，這個(gè)微小的變化出現(xiàn)在二極管的基極。從最上面的波形讀取LED中的電流及變化情況。

　　為了最大限度的發(fā)揮LED的優(yōu)勢，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中應(yīng)采用PWM型驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法。下一章節(jié)的『 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(4)脈沖調(diào)制PWM電路詳解 』,我們將主要圍繞PWM型驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行講解。