引言

　　近幾年來隨著白光LED,特別是大功率白光LED的出現(xiàn)，LED作為一種新型綠色照明光源具有體積小、機(jī)械強(qiáng)度大、功耗低、壽命長，便于調(diào)節(jié)和控制以及無污染等特征，目前被應(yīng)用到了汽車燈、交通燈、背光和照明等領(lǐng)域。由于LED具有工作電壓低，電流隨電壓指數(shù)增加等特點(diǎn)，傳統(tǒng)電源一般都不能直接給LED供電。LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有直流控制、高效率、調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、小型及簡易使用等特點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)大功率LED驅(qū)動(dòng)電路是基于2THL系列恒流二極管的恒電流驅(qū)動(dòng)方式。通過引入高頻控制信號縮短單位時(shí)間內(nèi)的通電時(shí)間以減小LED芯片發(fā)熱量，提高LED發(fā)光效率。

　　1 LED工作特性

　　目前市面上的大功率LED單顆功率從1W到幾百瓦不等，由于1W以上大功率LED大多是以1WLED管芯為基礎(chǔ)封裝成的，在此主要介紹一下1WLED的工作特性。

　　圖1（a）為1W高亮度LED正向壓降（VF）和正向電流（IF）的關(guān)系曲線。由曲線可知當(dāng)正向電壓超過某個(gè)閾值（約2V）時(shí)即LED導(dǎo)通后，在一定電壓范圍內(nèi)LED的電流是成指數(shù)上升的。VF的微小變化會(huì)引IF有較大的變化，從而引起亮度的較大變化。另外LED的PN結(jié)是負(fù)溫度系數(shù)的，隨著溫度升高LED的勢壘電勢降低。若采用恒壓驅(qū)動(dòng)方式就不能保證LED亮度一致性，同時(shí)還會(huì)影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此目前絕大部分LED驅(qū)動(dòng)都采用恒流的方式。

　　從圖1（b）（c）可以看出LED亮度L與正向電流IF成正比：L=KImF（K為比例系數(shù)）。LED具有亮度飽合特性，所以LED正向驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)小于其標(biāo)稱電流。

　　另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高PN結(jié)復(fù)合率c下降，亮度降低。隨著LED持續(xù)點(diǎn)亮PN溫度會(huì)迅速升高，導(dǎo)致LED發(fā)光強(qiáng)度迅速降低產(chǎn)生光衰，當(dāng)溫度上升到一定高度后LED的PN結(jié)會(huì)很快燒壞。因此在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)源時(shí)除了要保證LED恒流驅(qū)動(dòng)外，還要考慮減小LED發(fā)熱量。

　　2 恒流二極管

　　恒電流二極管是一種硅材料制造的基礎(chǔ)電子器件。正向恒電流導(dǎo)通，反向截止，輸出恒電流。器件按極性接入電路回路中，回路即可達(dá)到恒流的效果，應(yīng)用簡單，實(shí)現(xiàn)了電路理論和電路設(shè)計(jì)中的二端恒流源。本驅(qū)動(dòng)電路中使用的為博越公司的2THL系列恒流二極管，具有如下特性：

　　1）輸出恒定電流1~300mA;

　　2）恒定電流的啟始電壓低（3~3.5V）；

　　3）恒流電壓范圍大（25~100V）；

　　4）在恒流電壓范圍內(nèi)，電流相對變化10%;

　　5）動(dòng)態(tài)電阻4k ~160k ;

　　6）響應(yīng)時(shí)間快（tr<50ns,tf<70ns）；

　　7）極限使用電壓20~100V。

　　2THL系列恒流二極管帶有一個(gè)控制端，可以用來調(diào)節(jié)輸出電流。圖2為2THL系列恒流二極管輸出特性曲線。

　　3 高頻LED驅(qū)動(dòng)電路

　　基于半導(dǎo)體恒流二極管的高頻大功率LED驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中Q1為2THLXXX系列恒流二極管，LD1為LED,D1為普通二極管（鍺管）。VCC為直流電源，D1負(fù)極輸入為高頻脈沖。電路工作原理是當(dāng)普通二極管D1反向端為低電平時(shí)，2THL恒流二極管關(guān)斷，LED熄滅；當(dāng)普通二極管反向端為高電平時(shí)，恒流二極管導(dǎo)通輸出一個(gè)大電流，LED點(diǎn)亮。由于人眼視覺障礙，感覺不到LED亮度變化。通過調(diào)整脈沖的占空比即可調(diào)節(jié)LED亮度。驅(qū)動(dòng)1W以上LED時(shí)一般采用2THL300恒流二極管，輸出電流為300~350mA,使用電壓為20~40V,為了提供更大電流可以將多個(gè)恒流二極管并聯(lián)使用，并聯(lián)以后輸出電流為各個(gè)恒流二極管標(biāo)稱電流之和。2THL系列恒流二極管不同型號之間可以并聯(lián)使用（如一個(gè)2THL050和一個(gè)2THL300并聯(lián)輸出電流為350~400mA），值得注意的是不同型號恒流二極管并聯(lián)以后，使用電壓由標(biāo)稱的恒流二極管決定。圖4為恒流二極管并聯(lián)連接方式。由于2THL系列恒流二極管控制端與負(fù)極端存在一個(gè)PN結(jié)正向壓降約為0.7V,為了使輸入高頻脈沖為0電平時(shí)恒流二極管完全關(guān)斷，D1應(yīng)使用管壓降0.2V的鍺材料二極管。

　　大功率白光LED主要應(yīng)用在裝飾照明、建筑照明、景觀照明及大屏幕顯示背光源等許多場合。在這些場合下，宜采用工頻市電供電。白光LED的正向工作電壓范圍通常為3.2~4V,若采用交流市電供電，必須先進(jìn)行AC/DC和DC/DC兩步轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)20W以下的LED,VCC可以采用簡易的開關(guān)電源。開關(guān)電源具有效率高、功耗小、輸出電壓穩(wěn)定、體積小等特點(diǎn)。由于20W以上的開關(guān)電源一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、制造成本較高，因此驅(qū)動(dòng)20W以上LED時(shí)VCC宜采用工頻變壓器式線性直流電源。由于2THL恒流二極管的工作電壓范圍比較寬（3~40V），耐瞬間沖擊電壓100V,因此在設(shè)計(jì)工頻變壓器線性直流電源時(shí)可以簡化穩(wěn)壓電路。鍺管D1負(fù)極端輸入除了高頻脈沖方波外，還可以是其他類型的高頻信號。在實(shí)際應(yīng)用中為了便于調(diào)光一般使用高頻方波脈沖信號。

　　實(shí)驗(yàn)表明大功率LED在高頻驅(qū)動(dòng)下發(fā)光亮度與持續(xù)恒流驅(qū)動(dòng)相比變化不大，但發(fā)熱量卻有明顯的下降。LED在一個(gè)脈沖周期內(nèi)只有高電平時(shí)才導(dǎo)通發(fā)光產(chǎn)生，而在低電平時(shí)LED熄滅，此時(shí)LED熱量迅速輻射出去。頻率越高單位時(shí)間內(nèi)LED與空氣熱交換次數(shù)越多，LED芯片溫度越低。為了散熱大功率LED芯片大多數(shù)是貼裝在鋁基板上的，鋁基板與空氣之間主要是通過對流的方式進(jìn)行熱傳遞的。LED持續(xù)點(diǎn)亮?xí)r，LED芯片溫度變化緩慢，鋁基板附近一個(gè)區(qū)域內(nèi)有一個(gè)溫度梯度，形成層流區(qū)域。LED在高頻驅(qū)動(dòng)下芯片溫度會(huì)不斷地變化，溫度梯度被打破，鋁基板附近就形成了湍流區(qū)域。由熱力學(xué)知識(shí)可知湍流的對流換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流的對流換熱系數(shù)，那么在單位時(shí)間內(nèi)鋁基板向湍流區(qū)域發(fā)散的熱量就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流區(qū)域。由此可知LED在高頻驅(qū)動(dòng)下發(fā)熱量比持續(xù)導(dǎo)通時(shí)低。這樣采用高頻驅(qū)動(dòng)方式LED可以有效地降低芯片的溫度，從而減小LED光衰，延長LED使用壽命，另外也有助于簡化LED燈具的散熱設(shè)計(jì)。由于受到LED和驅(qū)動(dòng)器件的響應(yīng)時(shí)間的限制，以及高頻本身會(huì)引起器件發(fā)熱，采用基于恒流二極管高頻驅(qū)動(dòng)源的頻率應(yīng)小于2MHz。

　　LED調(diào)光主要有模擬調(diào)光和PWM調(diào)制調(diào)光兩種方式。由于LED在低電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生色衰，因此模擬調(diào)光一般不常用。PWM調(diào)制通過改變脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)二極管D1負(fù)極輸入高頻脈沖的占空比，即可實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光。

　　圖5為基于恒流二極管的5W白光LED高頻驅(qū)動(dòng)電路。高頻自激式開關(guān)電路將交流市電轉(zhuǎn)換為20V直流電，經(jīng)恒流二極管2THL300后輸出電流恒定為300mA。在開關(guān)電路中高頻變壓器磁芯為EE16,原邊N1繞制12圈，N2繞制210圈，副邊繞制40圈。

　　D5為6.2V穩(wěn)壓二極管，用以穩(wěn)定輸出電壓，Q1為功率型開關(guān)管MJE13003,D16為鍺管。由NE555構(gòu)成頻率為200kHz占空比1/6~5/6可調(diào)的高頻脈沖發(fā)生電路，用來控制恒流二極管通斷。5顆1W白光LED串聯(lián)，每顆LED電流相同，發(fā)光亮度一致。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R9實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。

　　4 小結(jié)

　　本文介紹的高頻LED驅(qū)動(dòng)電路使用恒流二極管實(shí)現(xiàn)了LED的高效恒流驅(qū)動(dòng)。由于恒流二極管的工作電壓范圍比較寬，在輸入直流電壓大范圍波動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路仍然能夠保證恒定電流輸出，且不會(huì)因負(fù)載短路而燒毀。通過調(diào)節(jié)高頻脈沖信號的占空比很容易實(shí)現(xiàn)調(diào)光，并且不會(huì)出現(xiàn)LED色度偏移現(xiàn)象。采用高頻方式驅(qū)動(dòng)減小LED的發(fā)熱量，從而簡化了LED燈具的散熱設(shè)計(jì)。另外采用高頻恒流驅(qū)動(dòng)方式相比持續(xù)恒流驅(qū)動(dòng)可以節(jié)省40%左右的電能，達(dá)到了高效節(jié)能的目的。

　　主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是通過在驅(qū)動(dòng)回路中串入大電流恒流二極管，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)源恒電流輸出。高頻脈沖信號控制恒流二極管通斷，瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)大功率LED,有效地降低了LED芯片發(fā)熱，節(jié)能40%左右。