LED的混聯(lián)陣列及驅(qū)動方式

張明軒，張 達，師少飛

(1.石家莊學(xué)院，石家莊 050035;2.河北潤達石化工程公司，石家莊 050032）

0 引言

單顆LED的功率較小，作為照明，要求在一定區(qū)域內(nèi)具有所需的光通量和照度。所以常需要將LED以陣列形式組合，增加發(fā)光強度和發(fā)光面積。LED陣列的連接方式通常有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)。不同的連接方式將直接影響光源的發(fā)光效率、可靠性、成本、壽命及顏色穩(wěn)定性，同時對驅(qū)動電路的選擇也至關(guān)重要。

單純串聯(lián)方式的特點是電路簡單，但需要電源有較高的輸出電壓。而且，當(dāng)某一只LED因品質(zhì)不良開路時，將導(dǎo)致所有LED全部熄滅，光源的可靠性差。單純并聯(lián)方式的特點是工作電壓低，但要求電源的輸出電流卻很大，這將大大增加大功率光源的驅(qū)動電路成本。單純的串、并聯(lián)方式，僅適用于要求不高的低成本小功率照明場合。一般高質(zhì)量的LED照明光源均采用混聯(lián)的方式，LED的混聯(lián)方式有多種，每種混聯(lián)方式特點各有不同。下面通過對常見的三種LED混聯(lián)方式的討論，為更好地應(yīng)用高端LED光源提供參考。

1 先串后并式混聯(lián)及驅(qū)動

先串后并的混聯(lián)方式如圖1所示。以12支LED陣列為例，它是以4支串聯(lián)的LED為一組，再將各組并聯(lián)在一起。相對單純的串、并聯(lián)電路，這種混聯(lián)方式既能在一定程度上提高電路的可靠性，又不需要較高的電源驅(qū)動電壓。電路特點是當(dāng)某一串LED開路損壞時，其余各串LED仍能正常發(fā)光，整燈仍能工作。整個電路結(jié)構(gòu)較為簡單，連接方便。

圖1 先串后并的混聯(lián)方式

常見的LED工作電壓 Vf為 3.0 V～3.2 V，工作電流If為18 mA～20 mA，如12支LED采用圖1混聯(lián)方式，電源輸出電壓和電流分別為

先串后并的混聯(lián)方式對LED的正向電壓Vf的一致性要求比較嚴(yán)格。若Vf差別比較大，電流分配不平均，將導(dǎo)致發(fā)光組件整體亮度的不均勻。我們在同一批次中隨機選擇了兩支正向?qū)妷翰煌腖ED并聯(lián)，將電源的電壓擋調(diào)至0位置，當(dāng)LED接入電源后緩慢增加電壓，并分別測量兩支路中的電流。實際測試表明，當(dāng)這兩支LED并聯(lián)時，雖然LED的端電壓相同，正向?qū)妷旱偷腖ED電流要比正向電壓高的大得多。如圖2所示，D點的電流要比C電流大一倍以上。所以，為保證混聯(lián)陣列中LED亮度均勻，需要對LED進行適當(dāng)?shù)暮Y選。

圖2 LED正向?qū)妷号c工作電流的關(guān)系

驅(qū)動電源若采用簡單的電容降壓式驅(qū)動電路，當(dāng)一路中某個LED出現(xiàn)開路時，雖然并不影響其他各組LED的發(fā)光，但其余各路的路端電壓會升高，從而導(dǎo)致LED產(chǎn)生光衰現(xiàn)象。為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，驅(qū)動電路應(yīng)采用穩(wěn)壓電路，這在一定程度上增加了電路的成本，但電路穩(wěn)定性大大提高了。整流電路可選擇LED專用整流橋芯片MB6S/HD06。

2 先并后串(交叉陣列）式混聯(lián)及驅(qū)動

先并后串混聯(lián)方式如圖3所示，以12支LED陣列為例，它是以3支并聯(lián)的LED為一組，再將各組串聯(lián)在一起。由于每組有3支LED并聯(lián)，如果一支LED失效開路時，仍有兩支在工作，光源仍能繼續(xù)發(fā)光。從而大大提高了整個LED陣列的可靠性。由于可靠性高，雖然電路復(fù)雜些，但驅(qū)動的LED個數(shù)可以更多一些。

圖3 先并后串的混聯(lián)方式

這種混聯(lián)方式采用恒流式驅(qū)動電路更為合理。因為對這種混聯(lián)方式，即使電路中某個LED短路或開路，僅使并聯(lián)在同一行中的LED電流略有增加，不會對整個電路的電流產(chǎn)生較大影響。如果LED的Vf相對接近，電路工作會更加穩(wěn)定。

3 分組恒流式混聯(lián)及驅(qū)動

分組恒流的混聯(lián)方式如圖4所示，以12支LED陣列為例，它是以4支串聯(lián)的LED為一組，各組由恒流驅(qū)動芯片IC單獨提供驅(qū)動電流。目前，許多高端LED照明光源都采用這種連接方式。雖然電路成本增加了一些，但所帶來的好處是顯而易見的。

(1）陣列中的LED采用單路恒流供電，所以單個LED的亮度與Vf沒有多大的關(guān)系，整個光源的亮度均勻。

(2）對電源的要求降低了，在保證功率的前提下采用一般穩(wěn)壓源就可以了。

(3）電路工作穩(wěn)定，整燈熄滅的現(xiàn)象幾乎杜絕。

圖4 分組恒流的混聯(lián)方式

電源驅(qū)動電路采用分路恒流模式，恒流驅(qū)動芯片IC可以采用PAM2861CBR等型號。該芯片輸入電壓6～40 V，輸出電壓4.5～38.5 V，支持1～10串 LED。若有單顆LED擊穿損壞，不會影響其他LED的正常工作，若有單顆LED開路，此串不亮，不影響其他各串LED的正常工作。電路的功能擴展也比較方便，恒流模塊的附加功能可以進行二次開發(fā)，可增加各種保護功能如溫控、時控、調(diào)光等。但電路相對復(fù)雜，成本也會略有增加。

4 小結(jié)

綜上所述，第一、二種方案的電路相對簡單，成本較低。當(dāng)光源的LED數(shù)量不多時，在LED的參數(shù)經(jīng)過有條件篩選的前提下，也可以較好地使用。理論上應(yīng)使每個LED的Vf相同，同時盡量讓每個LED的Vf－I曲線基本一致，才能保證每個LED的工作電流相近。然而由于LED參數(shù)的離散性，Vf的一致性通常都很難保證，更不要說每顆LED的Vf－I曲線相同了。但這并不是很大的問題，如果將不同Vf－I曲線的LED在使用中混合得合理，散熱功能再做得好些，發(fā)生嚴(yán)重光衰的概率會降低很多。第三種方案應(yīng)該是最好的，該方式為單路分組恒流控制，整個電路工作穩(wěn)定，溫升低，故障少，解決了LED光衰減的問題。但它的成本相對較高，一般用于LED光源的高端市場。

［1］陳傳虞.LED低壓驅(qū)動電源——DC/DC降壓-升壓變換器［J］.中國照明電器，2011(10）

［2］劉 彥.一種新型LED日光燈的設(shè)計［J］.裝備制造技術(shù)，2010(03）

［3］王明清.LED照明日光燈驅(qū)動電源與連接結(jié)構(gòu)方案分析［J］.信息與電腦(理論版），2010(08）

［4］祝青，王曉晨.光伏LED照明驅(qū)動電路普適性控制器的研究［J］.中國照明電器，2011(10）

［5］胡山，段海龍，任淑艷，等.基于ARM的LED自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2010(06）

［6］史國光，崔凱.半導(dǎo)體發(fā)光二極管及固體照明［M］.北京:科學(xué)出版社，2007

［7］楊清德，康婭.《LED及其工程應(yīng)用》［M］.北京:人民郵電出版社，2007

［8］祝大衛(wèi).一種驅(qū)動發(fā)光二極管的新方案［J］.光源與照明，2010(01）

［9］陳傳虞，劉明，陳家楨.LED驅(qū)動芯片工作原理與電路設(shè)計［M］.北京:人民郵電出版社，2011