大功率LED照明驱动匹配方式研究

文章分析了大功率LED 的原理和工作特性，LED 的特性也决定了驱动电源的性能要求，LED 照明适合恒流源驱动。然后具体分析了LED 驱动的几种匹配方式，包括全部串联、全部并联、混联、交叉阵列和分布式恒流架构。最后指出，对于大功率LED 照明来说，分布式恒流是未来驱动电源的发展方向。

引言

自从出现发光二极管(light emitting diode，LED)以来，人们一直在努力追求实现固体光源。随着科技的不断进步，半导体材料应用技术的高速发展，白光LED 固体光源的性能得到不断完善并进入实用阶段。白光LED 是一种新兴产品，在照明市场备受瞩目。它与白炽钨丝灯和荧光灯相比，主要优点为体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、响应速度快、耐振动和冲击以及无污染。LED 固体照明是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后新的照明革命。

从第一批LED 进入市场的几十年间，LED 的应用领域不断扩展，包括：大屏幕彩色显示、照明灯具、激光器、液晶显示屏背光源、探测器、交通信号灯等。在全球能源紧缺、环保要求不断提高的情况下，LED越来越多地进入到各种照明领域中，且LED 作为新一代照明光源在照明市场中所占的比重也呈现出逐年递增的趋势。专家预计，LED 产品将在十年内大范围替代常规照明产品，届时，LED 将能成为家喻户晓的产品，带来可观的节能效果，LED 进入通用照明市场已经不再遥远。

LED 虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是LED 光源却不像一般的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。

1 大功率LED 的工作特性

LED 的发光原理就是将电能转换为光的过程，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 所示为正向导通压降(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 所示为光通量和正向电流的关系曲线图。LED 的光通量由流过LED 的电流决定，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。

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。图3 所示为不同热阻的的1W LED 的允许顺向电流和环境温度的关系曲线图，从图中可知，当温度达到70～100℃时，LED 的恒流需要线性地减少，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 灯具必须要有良好的散热性，对驱动电源而言，必须在温度过高时能够关断输出，起到保护作用。

2 大功率LED 与驱动电源的匹配方式

大功率LED 已经广泛应用于照明、装饰类等产品，在设计LED 照明系统时，需要考虑用什么样的LED 驱动器，以及LED 作为负载采用的串并联方式，合理的配合设计才能保证LED 正常工作。用LED 作为大功率照明灯具，通常都是由多颗LED 组成，少则十几二十颗，多则上百颗。如此多的单独的LED 组合在一起来组成发光组件构成照明灯具，已逐步应用于路灯、隧道灯、工矿灯、商用照明等场合。LED 的连接方式直接关系到其可靠性和使用寿命。

2.1 LED 采用全部串联方式

如图4 所示，LED 采用全部串联方式，即将多个LED 的正极对负极连接成串，其优点是通过每个LED 的工作电流一样，一般应串入限流电阻R。串联方式要求LED 驱动器输出较高的电压，当LED 的一致性差别较大时，分配在不同LED 两端的电压不同，通过每只LED 的电流相同，LED 的亮度一致性较好。

当有一颗LED 发生短路时，如果是采用恒压电源驱动，由于输出电压不变，这样分配到每颗LED 上的电压都有升高，驱动器输出电流将增大，如果超过LED 额定电流太多的话，容易造成余下的LED 光通量超过正常值而缩短寿命甚至烧毁。如果是采用恒流电源驱动，当一颗发生短路时，由于驱动电流不变，将不会影响余下所有LED 的正常工作。

当有一颗LED 断路后，串联在一起的LED 将全部不亮。这时只要在每个LED 两端并联一个齐纳管即可，如图5 所示，所选齐纳管的导通电压要高于与其并联的LED 的导通压降，否则该LED 也不会亮。

应用此串联方式，当LED 数目较少时，电源两端的输出电压不会太高。但是当LED 数目较多时，特别是大功率LED 路灯等，通常数目至少都有几十颗，这样为了使LED 正常工作，其驱动电源的输出电压必然会非常高。比如100 颗这样的大功率LED 来组成照明灯具，必须要有超过300V的输出电压，而这样高的电压会对人身安全造成影响。