LED的特性及驱动电源的发展趋势

蒋天堂

(昆明学院自动控制与机械工程系，昆明650118)

1 概述

传统的照明光源存在发光效能低(一般白炽灯发光效能20 lm/W，普通节能灯40～50lm/W)、耗电量大、使用寿命短，光线中含有大量的紫外线、红外线辐射，照明灯具一般是交流驱动，不可避免的产生频闪而损害人的视力，普通节能灯的电子镇流器会产生电磁干扰，且荧光灯含有大量的汞和铅等重金属，无法全部回收则造成环境污染等问题。现代生产和生活的发展迫切需要一种高效节能、无污染、无公害的绿色照明技术取代传统照明技术。近年来，经过科学家的技术攻关，一种新型光源技术——LED照明技术正在趋于成熟。

LED具有寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富等显著优点。是全球新兴产业，LED有巨大节能作用，将会取代传统光源，从而引发人类照明史上的第四次革命，极大地改善人类的生存环境，缓解全球日益严峻的能源危机。

2 LED的特性

(1) LED是单向导电器件，由于这个特点，就要用直流电流或者单向脉冲电流给LED供电。

(2) LED是一个具有PN结结构的半导体器件，具有势垒电势，这就形成了导通门限电压，加在LED上的电压值超过这个门限电压时LED才会充分导通。LED的门限电压一般在2.5V以上，正常工作时的管压降为3～4V。

(3) LED的电流一电压特性是非线性的，流过LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势后再除以回路的总电阻(电源内阻、引线电阻和LED体电阻之和)。因此，流过LED的电流和加在LED两端的电压不成正比。

(4) LED的PN结的温度系数为负，温度升高时LED的势垒电势降低。由于这个特点，所以LED不能直接用电压源供电，必须采取限流措施，否则随着LED工作时温度的升高，电流会越来越大，以致损坏LED。

(5) 流过LED的电流和LED的光通量的比值也是非线性的。LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加，但却不成正比，越到后来光通量增加得越少。因此，应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。

(6) LED也和其他光源一样，所能承受的电功率是有限的。如果加在LED上的电功率超过一定数值，LED可能损坏。

(7) 由于生产工艺和材料特性方面的差异，同样型号的LED的势垒电势以及LED的内阻也不完全一样，这就导致LED工作时的管压降不一致。

3 LED驱动电源的几种配置

LED不能象传统光源那样直接使用供电电源，需要驱动电路将供电电源变换为直流电流才能工作。LED驱动电路的类型、结构与供电电源的类型有关，通常分为直流供电、交流供电两大类。

3.1 直流供电

指能直接提供直流电流的各种干电池、蓄电池和太阳能电池等，根据所提供的电源电压又可分为以下几种形式。

3.1.1 低电压驱动

低电压驱动就是指用低于LED正向导通压降的电压驱动LED，如一节普通干电池或镍铬/镍氢电池，其正常供电电压为0.8～1.65V。低电压驱动LED需要把电压升高到足以使LED导通的电压值。对于LED这样的低功耗照明器件，这是一种常见的使用情况，如LED手电筒、LED应急灯、节能台灯等。由于受单节电池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比较高的变换效率。另外，考虑到有可能配合一节5号电池工作，还要有最小的体积，其最佳技术方案是电荷泵式升压变换器。

3.1.2 过渡电压驱动

过渡电压驱动是指给LED供电的电源电压值在LED管压降附近变动，这个电压有时可能略高于LED管压降，有时可能略低于LED管压降。如一节锂电池或者两节串联的铅酸电池，满电时电压在4V以上，电快用完时电压在3V以下。用这类电源供电的典型应用有LED矿灯等。过渡电压驱动LED的电源变换电路既要解决升压问题又要解决降压问题，为了配合一节锂电池工作，也需要有尽可能小的体积和尽量低的成本。一般情况下功率也不大，其最高性价比的电路结构是反极性电荷泵式变换器。

3.1.3 高电压驱动

高电压驱动是指给LED供电的电压值始终高于LED管压降，如6V、12V、24V蓄电池，典型应用有太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统等。高电压驱动LED要解决降压问题，由于高电压驱动一般是由普通蓄电池供电，会用到比较大的功率(如机动车照明和信号灯光)，应该有尽量低的成本。变换器的最佳电路结构是串联开关降压电路。

3.2 交流供电(市电驱动)

这是一种对LED照明应用最有价值的供电方式，是半导体照明普及应用必须要解决好的问题，交流供电(市电驱动)应用于LED驱动，一般要经过降压、整流、滤波、稳压(或稳流)等环节，使交流电源转换为直流电源，然后通过适当的驱动电路为LED提供合适的工作电流，还要有比较高的变换效率、有较小的体积和较低的成本。另外，还应该解决安全隔离问题。考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因数问题。对中小功率的LED，其最佳电路结构是隔离式单端反激变换器。对于大功率的应用，应该使用桥式变换电路。

4 LED驱动电源面临的问题

LED照明灯具有巨大节能作用，将会取代传统光源，从而引发人类照明史上的第四次革命，极大地改善人类的生存环境，缓解全球日益严峻的能源危机，在LED大放异彩的同时，LED驱动电源则是LED产业链发展的保障，LED电源的品质直接制约了LED产品应用的可靠性，因此，在LED产业链逐步完善的今日，LED驱动电源的发展和成熟也至关重要。

由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是2～3伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高，设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数，因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。2009年，虽然金融危机对世界经济的影响很大，但是欧美等国际市场对大功率LED电源的需求量还是很大，相应的高端LED产品的出口量受金融危机影响较小。2008年中国LED应用产品产值已超过450亿元RMB，LED示范应用路灯、LED全彩显示屏显示器件、太阳能LED、景观照明、消费类电子背光、信号、指示等应用仍然是主要应用领域。但是在市场一片繁荣的背景下，LED产品质量良莠不齐，对驱动电源的要求混乱，市场上LED产品如火如荼的发展态势下，就LED驱动电源企业而言，目前面临几个挑战。首先是驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命。其次是LED驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥。第三，以大调光比高效率地对LED调光，同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定。同时要降低成本，目前在功率较小(1～5W)的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。

5 LED驱动电源发展的趋势

LED由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点，近年来在各行业应用得以快速发展，LED的驱动电源成了关注热点，理论上，LED的使用寿命在10万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当，使LED极易损坏。当前很多厂家生产的LED灯类产品(比如护栏、灯杯、投射灯)，采用阻、容降压，然后加上一个稳压二极管稳压，向LED供电，这样驱动LED的方式存在极大缺陷，首先是效率低，在降压电阻上消耗大量电能，甚至有可能超过LED所消耗的电能，且无法提供大电流驱动，因为电流越大，消耗在降压电阻上的电能就越大，所以很多产品的LED不敢采用并联方式，均采用串联方式降低电流。其次是稳定电压的能力极差，无法保证通过LED电流不超过其正常工作要求，设计产品时都会采用降低LED两端电压来供电驱动，这样是以降低LED亮度为代价的。采用阻、容降压方式驱动LED，LED的亮度不能稳定，当供电电源电压低时，LED的亮度变暗，供电电源电压高时，LED的亮度变亮些。

未来的方式是，先恒压，再线性恒流整合方式。电压保证在一定范围内适应负载需要，按LED有不同的Vf值3～3.6V之间，可按LED实际数量乘于3V计算出最低值，再按3.6V电压乘于数量计算出最大可能电压值，最终确定电源部分需要调整的电压范围。再线性恒流源后端恒流，可以多路恒流源并联使用，也可以单路多个恒流源增加电流使用。前端电压源部分采样检测恒流源压差，调整合适负载需求电压，从而达到高效、灵活的驱动线路需求。恒流源需要低压差线性恒流器件，线性恒流源有着很好的电流误差，也会有很好的灰度表现。在小电流时可以有1～3V的压差，在大电流方面必须要200～300mV低压差，才会有较高的效率，那样线性恒流源需要另外供电。其实每种驱动方式均有优、缺点，根据LED产品的要求、应用场合，合理选用LED驱动方式，精确设计驱动电源成为关键。

［1］周志敏．LED驱动电路设计与应用［M］．北京:人民邮电出版社，2006

［2］郑久云．白光LED的应用与驱动［J］．现代显示杂志，2009，(08):43～46

［3］颜重光．发展迅速的AC直接驱动LED光源技术［J］．电子产品世界杂志，2009，(02):64～66

［4］范俊杰．LED驱动电源的现状与展望［J］．中国科技信息杂志，2009，(15):137～139

［5］冯勇．白光LED可控恒流源驱动系统设计［J］．电气开关，2008，(02):29～31