LED照明燈存在的問題和解決辦法

有關(guān)此類曲線，參見圖1。

圖1 LED降頻曲線

　　利用無溫度依賴性的電源運(yùn)行LED存在弊端：在高溫區(qū)域內(nèi)，LED則超出規(guī)格范圍運(yùn)行。此外，當(dāng)處于低溫區(qū)域時(shí)，照明源就由明顯低于最大容許電流(參見圖1紅色曲線)的電流供電。如圖1的綠色曲線所示，通過LED驅(qū)動(dòng)電路中的正溫度系數(shù)熱敏電阻(簡稱PTC熱敏電阻)來控制LED電流是一個(gè)重大改進(jìn)。這至少可以帶來下列好處：
　　*在室溫下增加正向電流，從而增加光輸出
　　*因?yàn)榭梢詼p少LED使用量，所以可以使用價(jià)格較低的驅(qū)動(dòng)集成電路(簡稱IC)乃至一個(gè)不帶溫度管理的驅(qū)動(dòng)電路來節(jié)約成本
　　*實(shí)現(xiàn)無需IC控制的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，此電路亦可使LED電流隨溫度改變
　　*能夠使用較便宜減額值較高安全裕量較小的LED
　　*過熱保護(hù)功能提高了可靠性
　　*帶散熱片的熱機(jī)械設(shè)計(jì)更為簡單
　　大多數(shù)LED用驅(qū)動(dòng)電路形式具有一個(gè)共同點(diǎn)：即流經(jīng)LED的正向電流是通過固定電阻進(jìn)行設(shè)置(參見圖　

　　　2)。一般說來，流經(jīng)LED ILED的電流取決于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不隨溫度而變，因此LED電流也不受溫度影響。
將固定電阻換成隨溫度變化的電路，即可實(shí)現(xiàn)對LED電流的溫度管理。下列圖表闡明了如何使用PTC熱敏電阻來改善標(biāo)準(zhǔn)電路。
　　示例1：有反饋回路的恒流源
　　圖2中電路1為常用的驅(qū)動(dòng)電路。其恒流源包括一條反饋回路。當(dāng)調(diào)節(jié)電阻兩端的反饋電壓達(dá)到因IC而異的VFB時(shí)，LED電流就不變了。LED電流因而被穩(wěn)定在ILED=VFB/Rout。

圖2 LED的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式

　　圖3所示為上一電路改良型：此電路借由PTC熱敏電阻，生成隨溫度變化的LED電流。通過正確選擇PTC熱敏電阻、Rseries以及Rparallel，此電路與專用驅(qū)動(dòng)IC和LED組合相匹配。其中，LED電流可經(jīng)由下列方程式計(jì)算得出：
　　圖3所示電路闡明了LED電流(參見圖3)的溫度依賴性。與針對最高運(yùn)行溫度為60度的恒流源相比較，使用PTC熱敏電阻后LED電流可在0度和40度之間提升達(dá)40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。

　　圖3 采用PTC熱敏電阻的溫度監(jiān)測和電流降頻
　　示例2：調(diào)節(jié)電阻與LED無串聯(lián)的恒流源
　　圖2所示電路2為另一常見的恒流源電路：電流通過連接驅(qū)動(dòng)IC的電阻得以確定。然而在這種情況下，調(diào)節(jié)電阻并未與LED串聯(lián)。Rset和ILED之間的比率由IC規(guī)格明確。因此，運(yùn)用20kW的串聯(lián)電阻和TLE4241G型驅(qū)動(dòng)IC，最終產(chǎn)生的LED電流為30mA。圖4所示為標(biāo)準(zhǔn)電路改良型，其中也含有一個(gè)PTC熱敏電阻，盡管此處采用WHPTC熱敏電阻。在感測溫度，元件電阻可達(dá)4.7kW，且容許誤差值為±5℃(標(biāo)準(zhǔn)系列)或±3℃(容許誤差值精確系列)。
　　圖4所示為隨外界溫度而變化的LED電流。固定電阻Rseries容許誤差范圍小，在低溫時(shí)支配總電阻。只有在低于PTC熱敏電阻的感測溫度大約15 K時(shí)，由于PTC熱敏電阻的阻值開始增加，電流才會(huì)開始下降。在感測溫度(總電阻=Rseries+RPTC=19.5kW+4.7kW=24.2kW)時(shí)的電流大約為23mA。PTC電阻在溫度更高時(shí)急劇上升，迅速引發(fā)斷路，從而避免因溫度過高出現(xiàn)故障。

　　圖4 無分流測量之溫度記錄
　　示例3：無IC簡單驅(qū)動(dòng)電路
　　如圖2所示電路3，LED也可在無驅(qū)動(dòng)IC的情況下工作。圖示電路是通過車用電池驅(qū)動(dòng)單一200mA LED。穩(wěn)壓器生成5 V的穩(wěn)定電源電壓Vstab，以避免電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)。LED在Vstab處運(yùn)作，電流則通過與LED串聯(lián)的電阻元件Rout決定。在這類電路中，通過下一則等式可算出獨(dú)立于溫度的正向電流，在此等式中，VDiode是一個(gè)LED的正向電壓：
　　另一做法是將WHPTC的徑向引線式PTC熱敏電阻以及兩個(gè)固定電阻相組合后，替代上述固定電阻，如圖所示。
　　由于LED電流的絕大部分流經(jīng)PTC熱敏電阻本身，因此需要選擇一個(gè)較大的徑向引線式元件。PTC將因?yàn)榱鹘?jīng)電阻本身的電流而導(dǎo)致發(fā)熱，因此會(huì)一直減少電流，無論環(huán)境溫度為何(如圖5所示)。并聯(lián)兩個(gè)或更多片式PTC熱敏電阻會(huì)將電流分流，但此方案仍存在局限性。

圖5 無需IC的溫度補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)電路

　　電流值主要是通過適當(dāng)選擇兩個(gè)固定電阻來設(shè)置的。這兩個(gè)電阻也在改進(jìn)電路方面也起到重要作用，因?yàn)樗鼈儗a(chǎn)生的LED正向電流的允差保持在較低水平。這在正常工作溫度范圍內(nèi)尤其重要，因?yàn)榇藭r(shí)PTC熱敏電阻本身的阻值允差仍較高。第二個(gè)并聯(lián)固定電阻也能確保PTC不會(huì)在極端高溫情況下徹底關(guān)閉LED，因此，電流不會(huì)降至低于下列等式計(jì)算的所得值：

這項(xiàng)性能在例如汽車電子這樣的應(yīng)用中極其重要，因?yàn)榘踩蟛辉试S照明燈徹底關(guān)閉。
背景資料：LED的溫度依賴性

　　像所有半導(dǎo)體一樣，LED的最高容許結(jié)點(diǎn)溫度不能超過，以免導(dǎo)致過早老化或者完全失效。如果結(jié)點(diǎn)溫度要保持在臨界值以下，那么外界溫度升高時(shí)，最高容許正向電流則必須下降。不過，如果運(yùn)用散熱器，在特定的外界溫度時(shí)正向電流可以增加。LED的光輸出隨著芯片結(jié)點(diǎn)溫度的升高而下降。上述情況主要發(fā)生在紅色和黃色LED，白色LED則與溫度關(guān)系較小。光照效率和正向電流保持同步增長，不過，安裝在結(jié)層和環(huán)境之間的LED所具備的高熱阻率可以降低乃至逆轉(zhuǎn)這種作用，這是因?yàn)殡S著結(jié)點(diǎn)溫度的上升，發(fā)射光會(huì)降低。

　　此外，當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度上升且LED正向電壓與溫度保持同步增長時(shí)，發(fā)射光的主波長會(huì)以+0.1 nm / K的典型速率增長。 各種白光LED驅(qū)動(dòng)電路特性評(píng)比 1996年，日亞化學(xué)的中村氏發(fā)現(xiàn)藍(lán)光LED之后，白光LED就被視為照明光源最具發(fā)展?jié)摿Φ慕M件，因此，有關(guān)白光LED性能的改善與商品化應(yīng)用，立即成為各國研究的焦點(diǎn)。目前,白光LED已經(jīng)分別應(yīng)用于公共場所的步道燈、汽車照明、交通號(hào)志、可攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率的特性，一般認(rèn)為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源，因此，各廠商陸續(xù)推出白光LED專用驅(qū)動(dòng)電路與相關(guān)組件。鑒于此，本文就LED專用驅(qū)動(dòng)電路的特性與今后的發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行簡單闡述。 1 定電流驅(qū)動(dòng)的理由
　　1.1 白光LED的光度以順向電流規(guī)范
白光LED的順向電壓通常被規(guī)范成20mA時(shí)，最小為3.0V，最大為4.0V，也就是若單純施加一定的順向電壓時(shí)，順向電流會(huì)作大范圍的變化。

　　圖1是從A、B兩家LED企業(yè)的產(chǎn)品中隨機(jī)取三種白光LED樣品進(jìn)行順向電壓與順向電流特性檢測的結(jié)果。根據(jù)檢測結(jié)果顯示，若利用3.4V順向電壓驅(qū)動(dòng)上述六種白光LED時(shí)，順向電流會(huì)在10~44mA范圍內(nèi)大幅變動(dòng)。表1為白光LED的電氣與光學(xué)特性。

　　由于白光LED的光度與色度是以定電流方式量測的，所以，為獲得預(yù)期的亮度與色度，通常是用定電流驅(qū)動(dòng)。

　　表2為光學(xué)坐標(biāo)的等級(jí)（rank）（IF=25mA，Ta=250C）。
　　1.2 避免順向電流超越容許電流值
為確保白光LED的可靠性，基本上就是需要設(shè)法避免順向電流超過白光LED的絕對最大設(shè)計(jì)值（定格值）。

　　圖2中，白光LED的定格最大順向電流為30mA，隨著周圍溫度的上升，容許順向電流則持續(xù)衰減，如果周圍溫度為50℃，通常順向電流就不能超過20mA。此外，利用定電壓的驅(qū)動(dòng)方式不易控制流入LED的電流值，因此就無法維持LED的可靠性。
2 白光LED的驅(qū)動(dòng)方法