LED 照明设计基础全解析：从原理到应用

在现代照明领域，LED 以其诸多优势逐渐成为主流照明光源。本文将从电子电路、热分析、光学等方面，详细讲解如何运用 LED 特性进行照明设计。

LED 基本原理与应用

LED（发光二极管）是电子二极管的一种，主要构造为 PN 结。当向 LED 两端施加电压，电子吸收能量并向价电子带转移，随后释放出能量，此能量即为光。放出光的波长和颜色由半导体的电势差决定。

LED 具有发光效率高、寿命长、轻便、不含有害物质等优点。其高发光效率可增加电池使用寿命，适合随身携带的产品。LED 的使用寿命是一般白炽灯的 2 - 3 倍（有些资料显示达 40 倍），如交通信号灯就是因寿命长而使用 LED 的典型例子。此外，LED 灯反应速度快，适用于汽车刹车灯，且其灯具设计自由度高，能调节亮度和色度。

LED 电子特性与驱动电路

LED 具有类似一般硅二极管的特性，在正负极间施加电压，当外加电压达到临界值，LED 产生电流并开始发光，电压超过临界值时，电流急剧增加。白色 LED 临界电压值约 3.5V，红、绿、蓝 LED 临界电压值各有不同。

为说明 LED 的电子特性及驱动电路，采用电路仿真方法。这里使用 Cadence 公司的电路仿真 PSpice A/D，同时选用飞利浦照明公司的 LUXEON 系列 LX3 - PW71。通过图 2 电路验证 LED 电子特性，进行直流解析得到电压 - 电流特性。验证 LXM3 - PM71 电压 - 电流特性结果显示，在 3.0V 情况下电流约 354mA。

白炽灯采用电压驱动型电路设计，而 LED 是电流驱动型电路设计，通过控制 LED 中的电流调节亮度和色度。因此，白炽灯和荧光灯等照明灯具的电子驱动不能直接用于 LED 照明灯具。为充分发挥 LED 特长，需进行适合 LED 的驱动电路设计。LED 照明灯具设计大致分为光学设计、热设计、LED 驱动电路设计三个阶段，下面重点介绍 LED 驱动电路设计。

电阻型驱动电路

LED 电阻型驱动设计是将 LED、电阻、直流电压源按图 4 连接，根据直流电压源的电压值和压降（正向电压），计算 LED 发光相应电流的电阻值，公式为：（直流电压源 - LED 正向电压）÷ LED 电流 = 驱动电阻值。例如，在 5V 电压源中驱动 LXM3 - PW71，该 LED 正向电压为 3.0V，电流为 350mA 时，电阻应为 5.71Ω。但此电路未考虑 LED 正向电压的偏差问题，即使同一型号的 LED，正向电压也可能有超过 15% 的偏差。大功率照明灯具使用多颗 LED 时，单纯串联或并联 LED 会出现电路不通或发光不均的情况。解决方法是对 LED 进行分级，将同一型号的 LED 按正向电压偏差次序排列，如 LXM3 - PW71 的数据库中有对应正向电压的 Bin 表。

恒流源型驱动电路

调节 LED 光度需增减电流，由于人眼对光的感光度是对数关系，电阻型驱动电路不太适合照明灯具。为恒定电流，需使用恒流源型驱动电路。图 8 是运用半导体和二极管恒定电流电路的例子，通过 2 个二极管（D1、D2）保持半导体基极电位恒定（约 1.2V），LED 电流连接发射极上的电阻。计算可知，半导体集电极和发射极电流基本相同。为使 LED 电流维持在 350mA，需用到 1.48 欧姆的电阻。即使输入电压改变，二极管 D1、D2 电压稳定，半导体基极电位稳定，保证 LED 电流恒定。通过电路检验，输入电压在 5V - 24V 之间变化时，二极管电压有微小变化，但 LED 电流基本稳定。

PWM 控制技术

PWM（脉冲宽度调制）是调节脉冲波占空比的方式，占空比 = On - time（脉冲的 High 时间）÷ 脉冲的一个周期（On - time + Off - time）。在运用 PWM 的驱动电路中，可通过增减占空比控制脉冲一个周期的平均值，从而调节 LED 电流效率。

以降压电路为例，在图 2 的降压电路中采用 PWM 控制电路，MOSFEL 作为开关设计。当 PWM 信号转换频率为 20kHz 时，转换周期为 50μs。PWM 信号为 High 时，开关 On，电流流经负载；PWM 信号为 Low 时，开关 Off，电流断掉。将 PWM 信号占空比固定在 50% 施加到开关，开关开时电流和电压施加到负载，关时负载供给电压为零。在负载前端插入平滑电路，可得到稳定的直流电压供给负载。若想得到不同输出电压，只需改变 PWM 信号的占空比即可。