近幾年來隨著白光LED, 特別是大功率白光LED的出現(xiàn)， LED 作為一種新型綠色照明光源具有體積小、機械強度大、功耗低、壽命長， 便于調(diào)節(jié)和控制以及無污染等特征， 目前被應(yīng)用到了汽車燈、交通燈、背光和照明等領(lǐng)域。由于LED具有工作電壓低， 電流隨電壓指數(shù)增加等特點， 傳統(tǒng)電源一般都不能直接給LED供電。LED驅(qū)動器應(yīng)具有直流控制、高效率、調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、小型及簡易使用等特點。筆者設(shè)計大功率LED 驅(qū)動電路是基于2THL 系列恒流二極管的恒電流驅(qū)動方式。通過引入高頻控制信號縮短單位時間內(nèi)的通電時間以減小LED 芯片發(fā)熱量， 提高LED發(fā)光效率。
1 LED工作特性
目前市面上的大功率LED單顆功率從1W 到幾百瓦不等， 由于1W 以上大功率LED 大多是以1WLED管芯為基礎(chǔ)封裝成的， 在此主要介紹一下1 WLED的工作特性。
（ a） 1W 白光LED工作特性曲線 （ b） LED發(fā)光強度與電流關(guān)系曲線 （ c） LED電流與工作溫度關(guān)系曲線
圖1 1W 高亮度LED特性曲線
圖1（ a）為1W 高亮度LED 正向壓降（ VF ）和正向電流（ IF ）的關(guān)系曲線。由曲線可知當(dāng)正向電壓超過某個閾值（約2 V ）時即LED導(dǎo)通后， 在一定電壓范圍內(nèi)LED的電流是成指數(shù)上升的。VF 的微小變化會引IF 有較大的變化， 從而引起亮度的較大變化。另外LED的PN結(jié)是負(fù)溫度系數(shù)的， 隨著溫度升高LED 的勢壘電勢降低。若采用恒壓驅(qū)動方式就不能保證LED亮度一致性， 同時還會影響LED 的可靠性、壽命和光衰。因此目前絕大部分LED驅(qū)動都采用恒流的方式。
從圖1（ b） （ c）可以看出LED 亮度L 與正向電流IF 成正比： L = K ImF （K 為比例系數(shù)）。LED 具有亮度飽合特性， 所以LED正向驅(qū)動電流應(yīng)小于其標(biāo)稱電流。
另外， 亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)， 環(huán)境溫度升高PN 結(jié)復(fù)合率ηc 下降， 亮度降低。隨著LED 持續(xù)點亮PN 溫度會迅速升高， 導(dǎo)致LED 發(fā)光強度迅速降低產(chǎn)生光衰， 當(dāng)溫度上升到一定高度后LED的PN 結(jié)會很快燒壞。因此在設(shè)計LED驅(qū)動源時除了要保證LED 恒流驅(qū)動外， 還要考慮減小LED發(fā)熱量。
2 恒流二極管
恒電流二極管是一種硅材料制造的基礎(chǔ)電子器件。正向恒電流導(dǎo)通， 反向截止， 輸出恒電流。器件按極性接入電路回路中， 回路即可達(dá)到恒流的效果，應(yīng)用簡單， 實現(xiàn)了電路理論和電路設(shè)計中的二端恒流源。本驅(qū)動電路中使用的為博越公司的2THL系列恒流二極管， 具有如下特性：
1） 輸出恒定電流1~ 300mA;
2） 恒定電流的啟始電壓低（ 3~ 3. 5 V） ;
3） 恒流電壓范圍大（ 25~ 100 V ） ;
4） 在恒流電壓范圍內(nèi)， 電流相對變化10%;
5） 動態(tài)電阻4 k ~ 160 k;
6） 響應(yīng)時間快（ tr< 50 ns, tf < 70 ns） ;
7） 極限使用電壓20~ 100 V。
2THL系列恒流二極管帶有一個控制端， 可以用來調(diào)節(jié)輸出電流。圖2為2THL系列恒流二極管輸出特性曲線。
圖2 2THL系列恒流二極管特性曲線
3 高頻LED驅(qū)動電路
基于半導(dǎo)體恒流二極管的高頻大功率LED 驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。其中Q1 為2THLXXX 系列恒流二極管， LD1 為LED, D1 為普通二極管（ 鍺管）。VCC 為直流電源， D1負(fù)極輸入為高頻脈沖。電路工作原理是當(dāng)普通二極管D1 反向端為低電平時，2THL恒流二極管關(guān)斷， LED熄滅； 當(dāng)普通二極管反向端為高電平時， 恒流二極管導(dǎo)通輸出一個大電流，LED點亮。由于人眼視覺障礙， 感覺不到LED 亮度變化。通過調(diào)整脈沖的占空比即可調(diào)節(jié)LED 亮度。
圖3 高頻大功率LED驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖
驅(qū)動1W 以上LED 時一般采用2THL300恒流二極管， 輸出電流為300~ 350mA, 最大使用電壓為20~40 V, 為了提供更大電流可以將多個恒流二極管并聯(lián)使用， 并聯(lián)以后輸出電流為各個恒流二極管標(biāo)稱電流之和。2THL系列恒流二極管不同型號之間可以并聯(lián)使用（如一個2THL050 和一個2THL300并聯(lián)輸出電流為350~ 400 mA ）， 值得注意的是不同型號恒流二極管并聯(lián)以后， 最大使用電壓由標(biāo)稱最大的恒流二極管決定。圖4 為恒流二極管并聯(lián)連接方式。由于2THL系列恒流二極管控制端與負(fù)極端存在一個PN結(jié)正向壓降約為0. 7 V, 為了使輸入高頻脈沖為0電平時恒流二極管完全關(guān)斷， D1應(yīng)使用管壓降0. 2 V 的鍺材料二極管。
圖4 恒流二極管并聯(lián)連接方式圖
大功率白光LED 主要應(yīng)用在裝飾照明、建筑照明、景觀照明及大屏幕顯示背光源等許多場合。在這些場合下， 宜采用工頻市電供電。白光LED的正向工作電壓范圍通常為3. 2~ 4 V, 若采用交流市電供電，必須先進(jìn)行AC /DC 和DC /DC 兩步轉(zhuǎn)換。驅(qū)動20W以下的LED, VCC 可以采用簡易的開關(guān)電源。開關(guān)電源具有效率高、功耗小、輸出電壓穩(wěn)定、體積小等特點。由于20W 以上的開關(guān)電源一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、制造成本較高， 因此驅(qū)動20 W 以上LED 時VCC宜采用工頻變壓器式線性直流電源。由于2THL恒流二極管的工作電壓范圍比較寬（ 3~ 40 V ） , 耐瞬間沖擊電壓100 V, 因此在設(shè)計工頻變壓器線性直流電源時可以簡化穩(wěn)壓電路。鍺管D1負(fù)極端輸入除了高頻脈沖方波外， 還可以是其他類型的高頻信號。在實際應(yīng)用中為了便于調(diào)光一般使用高頻方波脈沖信號。
實驗表明大功率LED 在高頻驅(qū)動下發(fā)光亮度與持續(xù)恒流驅(qū)動相比變化不大， 但發(fā)熱量卻有明顯的下降。LED 在一個脈沖周期內(nèi)只有高電平時才導(dǎo)通發(fā)光產(chǎn)生， 而在低電平時LED 熄滅， 此時LED 熱量迅速輻射出去。頻率越高單位時間內(nèi)LED與空氣熱交換次數(shù)越多， LED芯片溫度越低。為了散熱大功率LED芯片大多數(shù)是貼裝在鋁基板上的， 鋁基板與空氣之間主要是通過對流的方式進(jìn)行熱傳遞的。LED 持續(xù)點亮?xí)r， LED芯片溫度變化緩慢， 鋁基板附近一個區(qū)域內(nèi)有一個溫度梯度， 形成層流區(qū)域。LED 在高頻驅(qū)動下芯片溫度會不斷地變化， 溫度梯度被打破， 鋁基板附近就形成了湍流區(qū)域。由熱力學(xué)知識可知湍流的對流換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流的對流換熱系數(shù)， 那么在單位時間內(nèi)鋁基板向湍流區(qū)域發(fā)散的熱量就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流區(qū)域。由此可知LED 在高頻驅(qū)動下發(fā)熱量比持續(xù)導(dǎo)通時低。這樣采用高頻驅(qū)動方式LED 可以有效地降低芯片的溫度， 從而減小LED 光衰， 延長LED 使用壽命， 另外也有助于簡化LED 燈具的散熱設(shè)計。由于受到LED 和驅(qū)動器件的響應(yīng)時間的限制，以及高頻本身會引起器件發(fā)熱， 采用基于恒流二極管高頻驅(qū)動源的頻率應(yīng)小于2MH z。
LED 調(diào)光主要有模擬調(diào)光和PWM 調(diào)制調(diào)光兩種方式。由于LED 在低電流時會產(chǎn)生色衰， 因此模擬調(diào)光一般不常用。PWM 調(diào)制通過改變脈沖占空比來實現(xiàn)， 調(diào)節(jié)二極管D1負(fù)極輸入高頻脈沖的占空比， 即可實現(xiàn)LED調(diào)光。
圖5 基于恒流二極管的5W 白光LED高頻驅(qū)動電路
圖5為基于恒流二極管的5W 白光LED高頻驅(qū)動電路。高頻自激式開關(guān)電路將交流市電轉(zhuǎn)換為20V 直流電， 經(jīng)恒流二極管2THL300后輸出電流恒定為300mA。在開關(guān)電路中高頻變壓器磁芯為EE 16, 原邊N 1繞制12圈， N2 繞制210圈， 副邊繞制40圈。
D5 為6. 2 V 穩(wěn)壓二極管， 用以穩(wěn)定輸出電壓， Q 1為功率型開關(guān)管M JE13003, D16 為鍺管。由NE555 構(gòu)成頻率為200 kH z占空比1 /6 ~ 5 /6 可調(diào)的高頻脈沖發(fā)生電路， 用來控制恒流二極管通斷。5顆1W 白光LED串聯(lián)， 每顆LED電流相同， 發(fā)光亮度一致。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R 9實現(xiàn)PWM調(diào)光。
4 小結(jié)
筆者介紹的高頻LED 驅(qū)動電路使用恒流二極管實現(xiàn)了LED的高效恒流驅(qū)動。由于恒流二極管的工作電壓范圍比較寬， 在輸入直流電壓大范圍波動時，驅(qū)動電路仍然能夠保證恒定電流輸出， 且不會因負(fù)載短路而燒毀。通過調(diào)節(jié)高頻脈沖信號的占空比很容易實現(xiàn)調(diào)光， 并且不會出現(xiàn)LED色度偏移現(xiàn)象。采用高頻方式驅(qū)動減小LED 的發(fā)熱量， 從而簡化了LED燈具的散熱設(shè)計。另外采用高頻恒流驅(qū)動方式相比持續(xù)恒流驅(qū)動可以節(jié)省40%左右的電能， 達(dá)到了高效節(jié)能的目的。
主要創(chuàng)新點是通過在驅(qū)動回路中串入大電流恒流二極管， 實現(xiàn)驅(qū)動源恒電流輸出。高頻脈沖信號控制恒流二極管通斷， 瞬態(tài)驅(qū)動大功率LED, 有效地降低了LED芯片發(fā)熱， 節(jié)能40% 左右。