LED的高效驱动电路分析

引言

　　白炽灯泡可以发出各种各样的光线，但是在具体的应用中，通常只需要绿色、红色以及黄色光线——例如交通信号灯。若要使用白炽灯泡，则需要一个滤波器，这会浪费掉 60% 的光能，而 LED 则可以直接产生所需颜色的光线，并且在上电时，LED 几乎是瞬间发光，而白炽灯则需要 200ms的响应时间。因此，在刹车灯设计中采用了 LED。另外，LED 将作为光源在 DLP 视频应用中使用，以替代机械汇编 (mechanical assembly)，其可进行高频率的切换。

　　LED的I-V 特性

　　图 1 显示了典型 InGaAlP LED(黄色和琥珀红)的正向电压特性。也可以把 LED 作为电压源与电阻串联建模，并查看模型与实际测量之间的良好关联性。电压源有一个负的温度系数，当结温上升时，电压源的正向电压会发生负的变化。InGaAlP LED的系数在-3.0mV/K~-5.2mV/K 之间，而 InGaN LED(蓝色、绿色和白色)的系数则在-3.6mV/K~-5.2mV/K 之间。这就是为什么不能直接对 LED 进行并联的原因。产生热量最多的器件需要更大的电流，更大的电流会产生更多的热量，进而引起散热失控。

　　图1 LED作为电阻与电压源串联建模

　　图2显示了作为工作电流函数的相对光输出(光通量)。很明显，光输出与二极管电流是密切相关的，因此，可以通过改变正向电流进行调光。并且，在电流较小时，曲线几乎是一条直线，但是在电流增大时，其斜率变小了。这就是说，在电流较低的时候，若将二极管电流增大一倍，则光输出也会增加一倍;但是电流较高的时候，情况就不是这样了：电流上升 100% 仅能使光输出量增加 80%。这一点很重要，因为 LED 是由开关电源驱动的，这会导致在 LED 中产生相当大的纹波电流。实际上，电源的成本在某种程度上是由所允许的电流大小决定的，纹波电流越大，电源成本就越低，但光输出会因此受到影响。

　　图2 电流超过 1A以上，LED效率就会降低

　　图3量化显示了叠加于 DC 输出电流之上的三角纹波电流所引起的光输出的减少。在绝大多数情况下，该纹波电流的频率高于肉眼可以看到的 80Hz。并且，肉眼对光线的响应是指数式的，不能察觉出小于 20% 的光线减弱。因此，即使 LED 中出现相当大的纹波电流，也不会察觉出光输出的减少。

　　图3 纹波电流对LED光输出的轻微影响

　　纹波电流也通过提高功耗而影响 LED 性能，这可能导致结温升高，并对 LED 的使用寿命产生重大影响。

　　图4 量化显示了由于纹波电流造成的LED功耗的升高。与LED的散热时间常量相比，由于纹波频率较高，因此，高纹波电流(以及高峰值功耗)不会影响峰值结温，它是由平均功耗确定的。LED的高压降如一个电压源，因此，电流波形对功耗没有影响。不过，压降有一个电阻分量，并且功耗由电阻乘以均方根 (RMS)电流的平方确定。

　　图4 纹波电流增加了LED的功耗

　　图4 也阐明了即使在纹波电流较大的时候，对功耗也没有重大影响。例如，50%的纹波电流仅增加不足5%的功率损耗。当大大超过此水平时，需要减小电源的DC电流以保持结温不变，从而维持半导体的使用寿命。经验法则显示，结温每降低10%，半导体使用寿命就会延长两倍。并且，许多设计都倾向于更小的纹波电流，这是因为电感器的限制。绝大多数电感的设计处理能力小于20%的Ipk/Iout纹波电流比率。