【正文】 必須配有專用電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿足驅(qū)動(dòng) LED 的額定電壓和電流，才能使 LED 正常工作，也就是所謂的 LED 專用驅(qū)動(dòng)電源。 要發(fā)展 LED 必須發(fā)展 LED 的配套的設(shè)施，驅(qū)動(dòng)電源就是最主要的 【 2】 。 近年來(lái)各大公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì) LED 電源和驅(qū)動(dòng)電路的研究方興未艾。與熒光燈的電子鎮(zhèn)流器不同， LED 驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，并同時(shí)完成與 LED 的電壓和電流的匹配。隨著硅集成電路電源電壓的直線下降，LED 工作電壓越來(lái)越多地處于電源輸出電壓的最佳區(qū)間， 大多數(shù)為低電壓 IC 供電的技術(shù)也都適用于為 LED。 目前 LED 驅(qū)動(dòng)電路發(fā)展的主要趨勢(shì)有： LED 的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)一系列恒壓恒流控制電子電路，利用集成電路技術(shù)將每顆 LED 的輸入電流控制在最佳電流值，使得 LED 能獲得穩(wěn)定的電流，并產(chǎn)生最高的輸出光通量。 LED 驅(qū)動(dòng)電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下最好能控制 LED 電流的大小。 驅(qū)動(dòng)電路具有智能控制功能，使 LED 的負(fù)載電流能夠在各種因素的影響下都能控制在預(yù)先設(shè)計(jì)的水平上。當(dāng)負(fù)載電流因各種因素而產(chǎn)生變化時(shí)，初級(jí)控制 IC 可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)使負(fù)載電 流回到初始設(shè)計(jì)值上。 ，要向集中控制，標(biāo)準(zhǔn)模塊化，系統(tǒng)可擴(kuò)展性三方面發(fā)展。 5 第 2 章 LED 的基礎(chǔ)知識(shí) LED 的基本概念及特點(diǎn) LED 的基本概念 LED 是發(fā)光二級(jí)管（ Light Emitting Diode） 的簡(jiǎn)稱。顧名思義，發(fā)光二極管 是 一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能并具有二級(jí)管特性的電子器件。 LED 是一種半導(dǎo)體二極管， 與普通半導(dǎo)體二極管一樣有兩個(gè)電極 (正極和負(fù)極 )。 LED 在工作時(shí)需外加電源，外加的電能也是由這兩個(gè)正、負(fù)電極加入到半導(dǎo)體二 極管內(nèi)。 LED 在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有和半導(dǎo)體二極管相似的 p 區(qū)和 n 區(qū)， p 區(qū)和 n 區(qū)相交的界面形成 pn結(jié)。 LED 與普通半導(dǎo)體二極管一樣是一種允許電流單向?qū)ǖ钠骷?LED 的電流大小是由加在二極管兩端的電壓大小來(lái)控制的。根據(jù)加在二極管兩端的電壓大小，利用通過(guò) LED 的電流始終使 pn 結(jié)發(fā)光 【 3】 。 LED 的特點(diǎn) LED 通過(guò) pn 結(jié)實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，其特點(diǎn)如下。 節(jié)能。 LED 具有電壓低、電流小、亮度高的特性。其發(fā)光效率比傳統(tǒng) 光源節(jié)能 80%~90%。預(yù)計(jì)幾年后，白光 LED 的發(fā)光效率有可能達(dá)到 150~200 lm遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)在其它照明光源的發(fā)光效率。 （ 2） 環(huán)保。 LED 為冷光源，眩光小，無(wú)輻射，使用中不產(chǎn)生有害物質(zhì)。 LED的環(huán)保效益好，光譜中沒(méi)有紫外線和紅外線，而且廢棄物可回收，不含汞元素，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。 （ 3） 壽命長(zhǎng)。 LED 單管壽命為 10 萬(wàn)小時(shí)，光源壽命在 2 萬(wàn)小時(shí)以上，按每天工作 12h 計(jì)算，壽命也在 5 年以上。而普通白熾燈的壽命約為 1000h，熒光燈、金屬鹵化物燈的壽命也不超過(guò) 10000h。 （ 4） 結(jié)構(gòu)牢固。 LED 利用固態(tài)半導(dǎo)體芯片將電能轉(zhuǎn)化為光能，外加環(huán)氧樹(shù)脂 6 封裝，體內(nèi)也沒(méi) 有松動(dòng)的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉淀、光衰等缺點(diǎn)，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊。 （ 5） 光色單純，種類多。 LED 的光譜窄，單色性好，幾乎所有發(fā)出的光都可以利用，而且無(wú)需過(guò)濾直接發(fā)出色光。 LED 光源可利用紅、綠、藍(lán)三基色原理，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的控制下使 3 種顏色具有 256 級(jí)灰度并任意混合，可產(chǎn)生256x256x256（即 16777216）種顏色，形成不同光色的組合。 LED 組合的光色變化多端，可實(shí)現(xiàn)豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果及各種圖像。 （ 6） 安全可靠。 LED 光源使用低電壓驅(qū)動(dòng)，發(fā)光穩(wěn)定，沒(méi)有采用 50HZ 交流電供電時(shí) 的頻閃現(xiàn)象，沒(méi)有紫外線 B 波段， Ra值接近 100，色溫為 5000K，接近太陽(yáng)的色溫 5500K。 LED 的發(fā)熱量低，并能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和。 （ 7） 快速響應(yīng)。 LED 的響應(yīng)時(shí)間很短，能按要求保證多個(gè)光源之間或一個(gè)光源不同區(qū)域之間的工作切換。采用專用電源給 LED 光源供電時(shí)，達(dá)到最大照度的時(shí)間小于 10ms。 綜上所述， LED 是一種符合綠色照明要求的光源。所謂“綠色照明”的概念就是指通過(guò)科學(xué)的照明設(shè)計(jì)， 采用效率高、壽命長(zhǎng)、安全和性能穩(wěn)定的照明產(chǎn)品，可以提高人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的條件與質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個(gè) 高效、舒適、安全、經(jīng)濟(jì)、有益的環(huán)境。盡管 LED 具有很多優(yōu)點(diǎn)，但目前仍存在下述缺點(diǎn)。 （ 1） 功耗低。 市面上的單體 LED 光源的功率一般在 5W以下，很少有大功率的 LED 光源，這是 LED 在照明領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)阻礙。 （ 2） 需要嚴(yán)格控制溫度。 LED 是一種半導(dǎo)體器件，與普通二極管一樣具有 pn結(jié)，由于 LED 光源的功率相對(duì)較大，所以，與功率半導(dǎo)體相同，需要考慮散熱問(wèn)題。結(jié)溫過(guò)高會(huì)直接影響 LED 的壽命，并且會(huì)增大 LED 的光衰，情況嚴(yán)重的會(huì)將 LED 燒壞。 （ 3）價(jià)格高。 雖然 LED 目前已被大多數(shù)人認(rèn)識(shí)，也被多數(shù)人看好，但 其高昂的價(jià)格難以被消費(fèi)者接受。白光 LED 的價(jià)格以達(dá)到了 2~5 元一個(gè)。如果將幾十個(gè)單體 LED 組合，其成本將大大增加。 LED 要成為未來(lái)照明的主流光源，就 一定要朝著大流明方向發(fā)展，其成本才有可能降低，市場(chǎng)才有可能突破。 7 LED 的發(fā)光原理及主要參數(shù) LED 的發(fā)光原理 發(fā)光二極管是由 Ⅲ Ⅳ 族化合物，如 GaAs（砷化鎵）、 GaP（磷化鎵）、 GaAs（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是 pn 結(jié)。因此它具有一般 pn結(jié)的 IN 特性，即正向?qū)ǎ聪?截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具 有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由 n 區(qū)注入 P 區(qū)，空穴由 P 區(qū)注入 n 區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖 21所示。 圖 21 LED發(fā)光原理 LED 的主要參數(shù) 1．極限參數(shù)的意義 （ 1）允許功耗 Pm: 允許加于 LED 兩端正向直流電 壓與流過(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)此值， LED 發(fā)熱、損壞。 （ 2） 最大正向直流電流 IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過(guò)此值可損壞二極管。 （ 3） 最大反向電壓 VRm：所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。 （ 4） 工作環(huán)境 :發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度 8 范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。 2． 電參數(shù)的意義 （ 1）光譜分布和峰值波長(zhǎng)： LED 所發(fā)的光并非單一波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)基本上按 圖 22 所示規(guī)律分布。由圖 22 可見(jiàn)，無(wú)論用什么材料制 成的 LED，其光譜分布曲線都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最大處（光輸出最大），有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)叫峰值波長(zhǎng)，用 λ0表示。只有單色光才有 λ0波長(zhǎng)。 波長(zhǎng) λ （ nm） 圖 22 LED光波長(zhǎng)分布圖 （ 2）發(fā)光強(qiáng)度 IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度通常是指法線（對(duì)圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強(qiáng) 度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為 （ 1/683） W/sr 時(shí)，則發(fā)光 強(qiáng)度為 1 坎德拉（符號(hào)為 cd）。由于一般 LED 的發(fā)光強(qiáng)度小，所以發(fā)光強(qiáng)度常用坎德拉 (mcd)作單位。 （ 3）光譜半寬度 Δλ:它表示發(fā)光管的光譜純度 .是指圖 23 中 1/2 峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)之間隔 。 （ 4）半值角 θ1/2 和視角： θ1/2 是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。半值角的 2 倍為視角（或稱半功率角）。 圖 23 給出的二只不同型號(hào)發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。中垂線（法線）AO 的坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度（即發(fā)光強(qiáng)度與 最大發(fā)光強(qiáng)度的之比）。顯然，法線方向上的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為 1，離開(kāi)法線方向的角度越大，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。 9 圖 23 兩種不同型號(hào)的 LED的發(fā)光強(qiáng)度角分布 （ 5）正向工作電流 IF：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇 IF 在 下。 （ 6）正向工作電壓 VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在 IF=20mA 時(shí)測(cè)得的。發(fā)光二極管正向工作電壓 VF 在 ～ 3V。 在外界溫度升高時(shí)， VF 將下降。 （ 7） IV特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖 24 表示。 在正向電 壓正小于某一值（叫閾值）時(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)某一值后，正向 電流隨 電壓迅速增加，發(fā)光。由 IV曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流 及反向電壓等參數(shù) 。 正向的發(fā)光管反向漏電流 IR10μA以下。 圖 24 LED的 IV特性 曲線 10 第 3 章 LED 驅(qū)動(dòng)主電路的設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì)的總體方案 LED 驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是將交、直流電壓轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓，為 LED提供穩(wěn)定的單向驅(qū)動(dòng)電流，保證 LED 在比較高的發(fā)光效率和比較低的光衰下正常工作 【 4】 。 LED 作為一種非線性器件， IV特性非常陡，當(dāng)通電工作時(shí)，只要電壓稍稍變大一點(diǎn)，它的電流就會(huì)增加很多，因此電壓稍微的不穩(wěn)定會(huì)在很大程度上影響 LED 的使用，電流過(guò)大時(shí)甚至?xí)?dǎo)致它發(fā)熱損壞，降低產(chǎn)品的可靠性。所以對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)尤其的重要。最主要的是在主電路方面要達(dá)到穩(wěn)定恒流，輔助電路的反饋和濾波都要保證電路輸出的電流是恒定的，保證驅(qū)動(dòng) LED 燈組的需要。因此，電路設(shè)計(jì)時(shí)最好采用恒流源驅(qū)動(dòng)。恒流電源可消除正向電壓變化所導(dǎo)致的電流變化。因此，無(wú)論正向電流如何變化，都可產(chǎn)生恒定的 LED 亮度。 LED 恒流驅(qū)動(dòng)電源按電路結(jié)構(gòu)可分為：常規(guī)變壓 器降壓、電子變壓器降壓、電容降壓、電阻降壓、 RCC 降壓式開(kāi)關(guān)電源、 PWM 控制式開(kāi)關(guān)電源。目前來(lái)說(shuō)，采用 PWM 控制方式設(shè)計(jì)的 LED 電源是比較理想的，因?yàn)檫@種開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流都很穩(wěn)定。電源轉(zhuǎn)換效率極高，一般都可以高達(dá) 80%到 90%，并且輸出電壓、電流十分穩(wěn)定。這種方式的 LED 電源主要由四部分組成，它們分別是：輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、 PWM 穩(wěn)壓控制部分、開(kāi)關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。而且這種電路都有完善的保護(hù)措施，屬于高可靠性電源。 電路設(shè)計(jì)的總體框圖如圖 31 所示。 總體電路圖如 附錄一 所示。 電路各組成 部分的主要作用如下： EMI 濾波電路：將電網(wǎng)存在的雜波過(guò)濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。 整流橋電路：將電網(wǎng)交流電源變成直流，即不管輸入的是直流還是交流，經(jīng)過(guò)整流橋之后輸出的電流總是直流的。 DC/AC 變換電路：逆變電路是將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開(kāi) 11 關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。 輸出平滑電路：根據(jù) LED 負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的平滑直流電源。 輔助電路：提供所有單一電路的不同要求電源。比如 PWM 控制電路，隔離、驅(qū)動(dòng)電路所需要的電源。 220V交流 電壓反饋 圖 31 總體框圖 PWM 控制電路：在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)集成電路內(nèi)部開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得輸出電壓或電流等被控制信號(hào)穩(wěn)定。 隔離、驅(qū)動(dòng)電路： （ 1）隔離的作用 :將驅(qū)動(dòng)電路的控制部分與主電路隔離，避免主電路中的強(qiáng)電干擾控制電路中的弱信號(hào)。通過(guò)隔離人工在線調(diào)試的時(shí)候更加安全。一般使 用光電耦合器進(jìn)行隔離。 （ 2）驅(qū)動(dòng) IC 的作用： LED 雖然在節(jié)能方面比普通光源的效率高，但是 LED光源卻不能像一般的光源一樣可以直接使用公用電網(wǎng)電壓，它必須配有專用電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿足驅(qū)動(dòng) LED 的額定電壓和電流，才能使 LED 正常工作，也就是所謂的 LED 專用驅(qū)動(dòng) IC。 EMI濾波電路 整流橋電路 DC/AC變換電路 輸出平滑電 路 LED燈源陣 列 輔 助 電 路 PWM控制電 路 隔離 、驅(qū) 動(dòng)電路 12 主電路的設(shè)計(jì) EMI 濾波電路的設(shè)計(jì) 電磁干擾濾波器 (EMI Filter)是一種由電感、電容組成的低通濾波器，它允許直流或工頻在 50HZ 到 400HZ 的信號(hào)通過(guò)，對(duì)頻率較高的其它信號(hào)有較大的衰減作用，能有 效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及電子系統(tǒng)的可靠性[5]。 電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為 10kHz~30MHz，最高可達(dá) 150MHz。根據(jù)傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類：一類是從電源進(jìn)線