解决LED路灯驱动电源的探讨

孟繁春

(抚顺市工程质量监督站，辽宁抚顺 113000)

1 引言

随着半导体材料应用技术的高速发展，白光LED的性能不断完善，在照明市场备受瞩目，它的主要优点是:体积小，发热量低，耗电量小，寿命长，响应速度快，耐振动，无污染。LED照明是人类照明史上的革命，专家预计，LED照明将在十年内大范围代替常规照明，它的可观节能效果，必然将主导整个照明市场［1～3］。

LED光源虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是LED光源却不像普通光源一样可以直接使用电网电压，它必须配有专用的电压电流转换设备，提供能够满足驱动LED的额定电压和电流，才能使LED正常工作。不同的LED照明灯具，不同的照明用途和功率大小，LED驱动电源的规格也不同。所以，选择合适、高效的LED电源，选择正确的驱动方式，才能真正展现LED光源高效能的特性。

2 LED的工作特性

LED的发光原理就是将电能换为光的过程，将电流通过化合物半导体，通过电子与空穴的结合，过剩的能量将以光的形式释出，达到发光的效果。图1为正向导通压降 (VF)和正向电流 (IF)的关系曲线图，从图中可以看出，当正向电压超过某个阈值后，IF随着VF的上升而快速上升，较小的电压变化都会引起电流的较大变化。大功率LED的光特性通常被描述为电流IF的函数，图2为光通量和正向电流的关系曲线图。LED的光通量由流过的LED电流决定，LED光通量随着流过LED的电流的增加而增加，但却不成正比，越到后面光通量增加得越少。电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此应使LED在一个发光效率最高的电流值下工作。采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性和寿命。这也决定着LED照明适合恒流驱动而不是恒压驱动，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。

图1 正向导通压降和正向电流的关系曲线图

图2 光通量和正向电流的关系曲线图

3 LED的恒流控制

根据LED发光的特性，可以看出LED的法线发光强度Iv与其正向电流If之间存在着对应关系，如图3所示。从 Iv与If的关系曲线中可以看出，GaAsP(N)材料的黄色LED发光灯和GaP(N)材料的绿色LED发光灯在对数坐标下，发光强度与正向电流之间呈线性关系，GaP(Zn-O)材料的红色LED发光灯虽然不呈线性关系，但也是正变关系。因此，对发光灯亮度的控制，就可以转换成对LED的正向电流的控制。

从LED器件的正向伏安特性上可以找到控制正向电流的方法。如果采用简单的恒压源串联电阻来驱动LED的话，在LED器件正向伏安特性上，以恒压源电压Vcc和串联的负载电阻RL作出负载线(Vcc，Vcc/RL)(见图4)，可以得到负载线与正向伏安特性的交点A，A点对应的电流值就是LED的正向电流。改变电源电压或者改变负载电阻，都可以调节LED的正向电流，从而对其亮度进行控制。

图3 LED发光强度与正向电流的关系

图4 正向电流的恒压源驱动控制方法

电压源驱动方式，由于LED器件的特性分散性，采用相同的电源电压和相同的负载电阻，可能得不到相同的正向电流，达不到正确控制亮度的要求，见图4。所以，LED器件的电流控制常常采用恒流源驱动方式，晶体管就是一种近似的恒流源，其LED驱动电路如图5所示。晶体管与LED串联，所以晶体管的集电极电流就等于LED的正向电流。而晶体管的集电极电流又受基极电流控制，因此有:

如果把β和Vbt看成常数，那么If就只受Vin控制了。

图5 恒流源控制

另外，LED的光通量和温度也成反比关系，高温会导致LED的光输出降低，LED的光波长向长波漂移，发光颜色发生变化。且温度的升高会使LED的正向电压降低，从而大大缩短LED的寿命，加速光衰。如图6所示，当温度达到70℃ ～100℃时，LED的恒流线性地减少，直到120℃这一点达到零，恒流下降点和减少斜率取决于散热设计。因而，大功率LED必须要有良好的散热性。

图6 1W LED的允许正向电流和环境温度的关系曲线图

4 解决LED路灯驱动电源的探讨

解决LED照明驱动电源寿命匹配的根本问题，即整流电源发热造成LED光源环境温度升高的问题，所以将LED整流电源散热降温的唯一途径。

在实际应用中，应将LED整流电源安装在灯杆底部接线箱内，鉴于目前我国路灯灯杆无接线箱，建议使用部门和路灯制造部门共同研制新型灯杆，具体做法见图7。

图7 新型灯杆具体做法

配电箱内可做电缆、接续端子排、系统接地、LED整流电源模块，都可以放在箱内，既解决了原路灯灯杆内电缆接续不便，放电间隙不够，检修困难的问题，又可把整个杆体做为散热器使用，使LED模块温升得到控制。

［1］汪建平，邓云塘，钱公权编著．道路照明，复旦大学出版社．

［2］周太明等编著．光源原理与设计，复旦大学出版社．

［3］刘跃群，王强．现代道路照明的发展趋势．照明工程学报，2003，14(1):33～34．