白光LED驅(qū)動電路分析

何建勇

摘要：發(fā)光二極管（LED）由于其發(fā)光效率高、耗電少、壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，被認(rèn)為是第4代照明光源，大有取代傳統(tǒng)光源之勢。本文主要介紹LED發(fā)光的原理、大功率白光LED驅(qū)動電路的研究現(xiàn)狀、主要形式以及功率因數(shù)校正技術(shù)。

關(guān)鍵詞：大功率；白光LED；驅(qū)動電路

目前，大功率白光LED是照明產(chǎn)業(yè)的競爭焦點(diǎn)，是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高新技術(shù)領(lǐng)域之一。大功率白光 LED 照明已經(jīng)成為人類照明史上的一次飛躍，近年來，國際上 LED 照明產(chǎn)業(yè)保持 40%的增長速度，其社會和經(jīng)濟(jì)意義巨大。

一、LED發(fā)光原理

LED的發(fā)光原理簡單來說是將電能轉(zhuǎn)化為光能的過程，根據(jù)PN結(jié)的制作材料的不同，發(fā)光效率也會有差異。在半導(dǎo)體的制作過程中會加入一些重?fù)诫s的材料，在自由狀態(tài)下，電子與空穴可以自由移動，在達(dá)到一定平衡狀態(tài)后，大多遷移率較低的空穴會在P區(qū)集中起來，數(shù)量較多的遷移率很高的電子則會在N去集中起來。在沒有外界條件的激發(fā)下，電子跟空穴二者一般不能發(fā)生自然復(fù)合，因?yàn)镻N結(jié)阻擋層會限制復(fù)合過程的發(fā)生。當(dāng)在LED的兩端加一定的正向電壓，便會激發(fā)電子和空穴活動，電子同空穴復(fù)合過程中將產(chǎn)生大量能量，大部分能量會以光子的形式散發(fā)出來，其余能量則以熱能散發(fā)出去，這便是LED的電致發(fā)光過程。工作電壓（電流）的大小會影響LED的發(fā)光亮度，因此，在一定的電流范圍內(nèi)，工作電流的大小與LED的發(fā)光亮度成線性關(guān)系。

二、大功率白光LED 驅(qū)動電路的研究現(xiàn)狀

通過對材料、工藝和封裝技術(shù)改進(jìn)，高亮度LED的發(fā)光效率和性能實(shí)現(xiàn)了顯著提升。LED不但在傳統(tǒng)的背光和顯示面板市場上大放異彩，而且室內(nèi)外照明、探照燈、交通燈、汽車照明等也有全新應(yīng)用。雖然LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一片繁榮，但LED產(chǎn)品的質(zhì)量良秀不齊，究其原因是驅(qū)動電源質(zhì)量參差不齊。隨著LED產(chǎn)品如火如荼的發(fā)展，LED驅(qū)動電源企業(yè)也迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇，但同時(shí)也面臨幾個(gè)難題。首先是驅(qū)動電源轉(zhuǎn)換效率的過低，影響了 LED節(jié)能效果的發(fā)揮，驅(qū)動大功率LED時(shí)更加需要更高的轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)槟切┪醋鳛楣廨敵龅墓β识甲鳛闊崃亢纳?，而溫度太髙又會影響LED的性能。其次是驅(qū)動電路整體壽命不高，因?yàn)槟切╆P(guān)鍵性器件如電容在髙溫下的壽命普遍不長，而耐高溫的電容又會增加整個(gè)設(shè)計(jì)成本。最后是驅(qū)動電源成本普遍過高，這無形中增加了整個(gè)燈具的成本，阻礙了 LED在照明市場的廣泛推廣。

三、大功率白光LED驅(qū)動電路的主要形式

LED在許多方面來講比傳統(tǒng)光源的優(yōu)勢大，效率高，但是LED光源卻不能像這些傳統(tǒng)光源一樣直接接入公共電網(wǎng)使用，它必須配有專用的高效的電源轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供所需額定電壓和電流，才能正常工作。所以要想使用這種光源只能設(shè)計(jì)相適應(yīng)的驅(qū)動電路。

（一）電阻限流電路

這種控制方式是根據(jù)發(fā)光二極管的 I-V 特性來控制所需要的電流。這種控制方式很容易實(shí)現(xiàn)，但整個(gè)系統(tǒng)效率不高，因?yàn)橄蘖麟娮枭蠒拇罅康墓β剩逸斎腚妷旱奈⑿∽兓紩?dǎo)致電流有較大的變化，要調(diào)節(jié)白光 LED的亮度時(shí)，可以通過改變 R 的阻值，但是 R 的變化會導(dǎo)致流過 LED 的電流發(fā)生了變化，這會使 LED 的顏色發(fā)生偏移。所以這種應(yīng)用方案適合于低成本、低要求的場合。

（二）線性控制電路

線性控制電路是把功率管等效為一個(gè)動態(tài)電阻，通過控制該動態(tài)電阻的阻值來控制負(fù)載電流，這種動態(tài)電阻可自動調(diào)節(jié)，相對與電阻限流法在精度上有了較大的提高。即使外部電壓有變化仍能維持LED的電流恒定。這種控制方式與電阻限流電路相比，由于少了串聯(lián)的線性電阻，使得系統(tǒng)的效率較高。但是這種電路的整體電壓調(diào)節(jié)范圍有限。

（三）電荷泵升壓電路

電荷泵升壓電路的工作原理是通過一定的控制手段控制電容能量存儲和釋放，使電容向輸出端釋放儲存的能量以滿足所需要的輸出電壓。整個(gè)過程中電容的能量充滿和釋放都是由振蕩控制電路等來實(shí)現(xiàn)。它的優(yōu)點(diǎn)是在電路設(shè)計(jì)中只需要少量電容，成本低、體積小，大體積的電感不需使用，設(shè)計(jì)相對簡單。但是由于升壓后電壓增加不多，一般的電荷泵升壓電路的輸出電壓不會超過輸入電壓的兩倍，所以只適合驅(qū)動并聯(lián)的LED，由于燈組的導(dǎo)通電壓具有一定的離散性，各個(gè)支路都需匹配限流電阻，使得驅(qū)動電路的效率一般不到80%或更低。

（四）開關(guān)電源電路

開關(guān)調(diào)節(jié)方式使能量轉(zhuǎn)換效率最高，特別適用于 LED 的驅(qū)動。最主要的開關(guān)調(diào)節(jié)器是 Buck、Boost 型開關(guān)調(diào)節(jié)器，用于 LED 的 Buck、Boost 型開關(guān)調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的電壓型 Buck，Boost 變換器相比，開關(guān)調(diào)節(jié)器的反饋量是采集流過 LED的電流信號，而不是調(diào)節(jié)器的輸出電壓信號，以此來滿足 LED 的恒流驅(qū)動要求。

四、功率因數(shù)校正技術(shù)

電路中的輸出功率我們稱之為有功功率，而整個(gè)電路總共消耗的功率稱這為總功率，也稱為視在功率。這種有功功率和總功率的比值就是功率因素。在功率因數(shù)校正技術(shù)的分類中，根據(jù)驅(qū)動電路所選元器件的不同，功率因數(shù)校正電路可分為無源功率因數(shù)校正電路和有源功率因數(shù)校正電路。若釆用電感和電容等無源器件組成功率因數(shù)校正電路可以稱為無源功率因數(shù)校正技術(shù)，若采用開關(guān)管和控制器等有源器件組成功率因數(shù)校正電路被稱為有源功率因數(shù)校正技術(shù)。

五、結(jié)語

在世界能源日趨緊張的今天，“綠色照明”成為大家研究的熱點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大功率白光LED以其高效節(jié)能、壽命長、環(huán)保無污染、安全可靠的優(yōu)勢逐步進(jìn)入通用照明領(lǐng)域。

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