LED的驱动电源与连接形式

　　1、引言

　　随着LED在灯光装饰和照明中的普遍使用， LED的供电装置—LED驱动器对LED高光效、长寿命等特　点的合理发挥愈发显得重要。本文根据LED的特性，对LED驱动电路作了分类，并详细讨论了LED连接形式，为LED驱动电路设计提供有效参考。

　　2、LED的V-I、TJ-IV 特性

　　LED由于环保、寿命长、光效高、体积小等众多优点，近年来在各行业中的应用快速发展。理论上，LED的使用寿命在10万小时以上，但实际应用中，如驱动电源设计及驱动方式选择不当，LED极易受损毁坏，无法达到应有寿命。LED的生产厂家有上百成千家，LED产品规格不尽相同，设计LED驱动电源，首先要了解LED的电流、电压（I-V）特性以及LED芯片结温与发光强度的关系。图1-1为LED的典型I-V特性曲线，下式为LED正向电压的表式：
　　　（T-25℃）

　　（1）式中，V_turn-on 是LED的启动电压；R_S 表示伏安曲线的斜率；T 环境温度；ΔV_F/ΔT是LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言典型值为-2V/℃。

图1-2 LED结温与发光强度的关系

　　从LED的伏安曲线看，正向电压为3.0 - 3.6V左右，典型电压值为3.3V，电流值为350mA， LED两端正向电压超过3.6V后，正向电压略微增加，正向电流将迅速增涨，LED芯片温升随之增大，LED的光衰减因此加速，寿命缩短，严重时甚至烧坏。LED的光输出直接与LED电流与环境温度相关，图1-2是LED典型的T_J-I_V特性曲线。若按25℃环境温度时LED的光输出为100%计，120℃环境温度时LED的光输出下降为70%，显见在输入电压和环境温度等条件可能发生变动的情况下，LED驱动源应能控制LED的电流，否则光输出将随输入电压和温度等条件的变化而变化。一旦电流失控， LED的可靠性和寿命必然受到影响，甚至可能造成器件损伤失效。

　　3、LED驱动源的分类与特性

　　按LED供电电压的高低可将LED驱动源分成三类：第一类为电池供电驱动源，一般电压低于5V，用于便携式电子产品中驱动小及中功率LED，电路结构主要采用升压式DC/DC，升压式（或升降压式）电荷泵变换器，少数采用LDO稳压电源或电瓶供电。第二类为高电压供电驱动源，用于供电电压值始终高于LED管压降，如6V，9V，12V或24V等场合，电路结构主要采用输出功率较大的串联降压式DC/DC变换器。第三类为市电驱动源，这是LED照明应用最有价值的供电方式。市电驱动源要解决整流、降压、效率、体积、成本等问题，还应考虑安全、EMC、功率等因素，首选的电路结构是隔离反激式或单级反激式PFC电路）。

LED驱动源的电路结构大致有下述数种：

　　直流驱动源电路

图1-3 利用功率晶体管构建的直流驱动源电路

　　图1-3所示为利用功率晶体管构建的直流驱动源电路。图1-3（a）中，当输入信号为逻辑高平时，晶体管VT导通，发光二极管点燃，IF通过满足下式的电阻R限定：

　　R =（V_CC - V_F - V_CES）/ I_F　　　　　（2）

　　式中，I_F为LED的正向工作电流，V_F为规定工作电流下LED的正向压降，V_CES为晶体管VT的饱和压降。图1-3（b）的情况与图1-3（A）相反，VT处于导通状态时，LED将被VT钳位，即V_F = V_CES，无法点燃。当晶体管基极输入逻辑低电平，VT截止时，LED点燃，电源V_CC经R供给LED电流， R可据R =（V_CC - V_F）/I_F选取。

　　TTL驱动源

　　图1-4为TTL驱动源电路：

图1-4 TTL驱动电路

　　图中，

　　R =（V_CC - V_F - 0.4）/I_F

　　式中，0.4V是TTL低电平输出电压值。

　　CMOS驱动源电路

　　图1-5为采用CMOS的驱动源电路。CMOS器件输出电流一般较小，需数块CMOS并联才能驱动LED，如图1-5（a）和（b）所示。有时，也可如图1-5（C）所示在CMOS后加功率晶体管扩展驱动电流。图1-5（D）电路中的CMOS器件一旦驱动，输出电压即钳位在LED的V_F左右。

交流驱动源电路

　　图1-6所示为两只反向并联的LED使用交流驱动的电路。这种电路，即使输入电压极性未知，正负半周均有一只二极管显示发光。交流源驱动时，限流电阻R的取值为：

　　R=（E_RMS - V_F）/ 2I_F　　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

　　式中，E_RMS为交流电压的有效值。

　　脉冲驱动源电路

　　图1-7为用NUD4001组成的脉冲驱动源电路，调整R_ext1值可控制恒流电流的大小。

由图1-7电流波形可知，脉冲驱动电流的峰值约为平均值的4倍，频率为100Hz，占空比为10%，表明一个周期中，LED大部分时间停止工作，因此几乎可不必考虑LED的发热量。LED因发热量减少，光衰随之减小，从而使用寿命延长，故对LED来说，脉冲驱动方式是最有实用价值的方式。考虑到脉冲驱动方式利用了人视觉的暂留原理，因此PWM的工作频率设定不