金属铋的用途:LED驱动电源方案全攻略

　　LED（Light Emitting Diode），又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。

　　二、LED有哪些优点？

　　★ 高效节能　一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电）

　　★ 超长寿命　半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）

　　★ 光线健康　光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线中含有紫外线和红外线）

　　★ 绿色环保　不含汞和氙等有害元素，利于回收和利用，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰）

　　★ 保护视力　直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）

　　★ 光效率高，发热小：90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能）

　　★ 安全系数高　所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，可用于矿场等危险场所

　　★ 市场潜力大　低压、直流供电，电池、太阳能供电即可，可用于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。

　　三、权威预测

　　半导体照明将在未来5-10年内取代现有传统光源。

　　“未来白光LED将更加便宜，市场总体容量将快速增长。”许志鹏乐观地指出，据美国能源部预测，2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被LED替代，可能形成一个500亿美元的大产业。而日本提出，LED将在今年大规模替代传统白炽灯。日、美、欧、韩等国均已正式启动LED照明战略计划。

　　2007年3月9日，在英国伦敦街头，成串的彩灯闪烁。刚刚结束的欧盟首脑会议通过了一系列旨在提高能效的措施。9日结束的欧盟春季首脑会议已经达成协议，两年内欧洲各国将逐步用节能荧光灯取代能耗高的老式白炽灯泡，以减少温室气体排放。在这之前，澳大利亚已率先通过停止使用白炽光灯泡法令。

　　五、LED照明产值将超千亿美元 同方正发力

　　同方股份副总裁兼董秘孙岷近日向记者透露，公司的高亮度LED照明项目已基本实现产业化，目前已经有20条生产线投产，其产业化技术达到世界先进水平，规划2008年年底生产线将达到50条，形成绿色照明的规模化效应。预计我国2008年应用市场规模将达540亿元，到2010年，中国半导体照明及相关产业产值将超过1000亿美元的规模，其中高亮度芯片国内增长率将高达100％。

　　六、首尔半导体期望能取得全球照明市场之中1，000亿美元的份额。

　　韩国首尔半导体公司现正计划用LED取代传统的照明灯，目前 Acriche 60流明/瓦特的亮度在2007年第四季提升五成至80流明/瓦特， 而每一模组为250流明; 在2008年第四季达至120流明/瓦特， 而每一模组为400流明， 期望能取得全球照明市场之中1，000亿美元的份额。

　　七、澳大利亚与新西兰将率先停止使用白炽光灯泡

　　澳大利亚政府最近宣布，为了减少温室气体的排放量，澳大利亚将禁止除医疗用以外的白炽灯的使用。据此，到2012年时澳大利亚将减少400万吨温室气体的排放。

　　而据2007年2月21日《The Dominion Post》报道，新西兰能源部长David Parker建议参照澳大利亚的做法，新西兰也应在未来两到三年内禁止使用普通白炽光灯泡，用节能环保的荧光灯泡（Florescent Eco Bulb）取代。澳大利亚环境部长Malcolm Turnbull说，澳大利亚2010年将推行新的民用照明标准，通过新标准的实施，2012年可减少温室气体排放400万吨。

　　1， 目前比较而言，LED的售价还较高，楼道灯是共用设施，共同承担大家就能接受。

　　2，楼道灯现在普遍是使用白炽灯，若换用LED灯，节电的效果就特别明显。

　　3，楼道灯在白天是熄灭的。晚上就频繁的启动或关断。不要说是节能灯，就是白炽灯都会很快的玩完。但是LED灯却是不怕，因为它的发光机理与白炽灯和节能灯都不同，就恰恰非常的适应在高速的开关工作状态，绝对不会因为是这个原因而损坏。

　　4，LED灯的寿命很长，就免除了楼道灯经常需要维修的尴尬状况。

　　5， 楼道灯是物业交电费，投入是一次性的，节约80%的电费是长期的，物业部门最合算。

　　九、LED灯能直接替换现在的楼道灯吗？

　　不能。由于现在大家使用的楼道灯是白炽灯，根本就无法用LED灯或节能灯去替换，所以如果要换用LED灯就必须也要同时换用声光控开关。现在有专用的一体化的LED声光控楼道灯，直接就使用220V的市电，非常方便使用。我们将强烈建议楼道灯的使用电压用直流的24V，其好处和原因我们会另文介绍。随着技术发展和成本的降低，LED灯取代节能灯也就成为必然的了。

　　十、LED驱动电源的分类及特性

　　1、按驱动方式可分为两大类：

　　（1）恒流式：

　　a、恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高；

　　b、 恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。

　　c、 恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。

　　d、应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量；

　　（2）稳压式：

　　a、当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化；

　　b、 稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。

　　c、以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均；

　　d、 亮度会受整流而来的电压变化影响。 2、按电路结构方式分类

　　（1）电阻、电容降压方式：通过电容降压，在闪动使用时，由于充放电的作用，通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片。易受电网电压波动的影响，电源效率低、可靠性低。

　　（2）电阻降压方式：通过电阻降压，受电网电压变化的干扰较大，不容易做成稳压电源，降压电阻要消耗很大部分的能量，所以这种供电方式电源效率很低，而且系统的可靠也较低。

　　（3）常规变压器降压方式：电源体积小、重量偏重、电源效率也很低、一般只有45%～60%，所以一般很少用，可靠性不高。

　　（4）电子变压器降压方式：电源效率较低，电压范围也不宽，一般180～240V，波纹干扰大。

　　（5）RCC降压方式开关电源：稳压范围比较宽、电源效率比较高，一般可以做到70%～80%，应用也较广。由于这种控制方式的振荡频率是不连续，开关频率不容易控制，负载电压波纹系数也比较大，异常负载适应性差。

　　（6）PWM控制方式开关电源：主要由四部分组成，输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分。PWM开关稳压的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件导通的脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流稳定（即相应稳压电源或恒流电源）。电源效率极高，一般可以做到80%～90%，输出电压、电流稳定。一般这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。

　　照明成本不仅涉及灯具的初始成本，还涉及灯具所消耗的能源成本，灯具无法正常工作时更换灯具所需的劳动成本，以及所需灯具更换的平均频率。从这一概念出发就很容易理解，为什么LED光源是白炽灯光源价格的50倍左右时，LED交通信号灯的市场就开始启动，而当达到28倍时，就已形成新兴产业。目前半导体照明主要以光色照明和特殊照明为主，以后将向普通照明扩展。具体来讲，近几年内，半导体照明市场将广泛应用在各种信号灯、景观照明、橱窗照明、建筑照明、广场和街道的美化、家庭装饰照明、公共娱乐场所美化和舞台效果照明等领域。事实上，我们身边已经随处可见它的身影：电脑显示灯、手机按键和屏幕的背光源、汽车尾灯、建筑物灯光、交通信号灯……等等。

　　二、不一致性带来的问题：

　　理论上LED都一样，都是能发光的二极管，而实际上所有LED的电性能都是有差异的，众多的厂家都在抢生产进度、抓数量；每个厂家的生产工艺是不一致的，甚至相差很大，就是同一厂家的不同时间的工艺都是有差异的；生产发光二极管的半导体材料的纯度要求非常高，不同厂家使用的半导体原材料的纯度是有差异的，这就使LED的发光强度与驱动电流是不完全相同的，或者相差很大，而且耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了；由于封装工艺和封装材料的不同，使得整体的散热能力是不一样的，所有的厂家都在研究和开发新材料，以求解决组合材料的热彭胀与散热的问题。由此不难看出，LED发光二极管在短期内仍存在个体之间的很大的差异，如果每个灯只用一个LED，那是很好控制的，而且是真正的长寿命，例如电视机、DVD上的电源指示灯就是如此；而当我们用 LED制作照明灯具时，就不是用单个的LED，而是用多个，或上百上千个LED排成阵列接入电路，再者，需要的亮度就不是指示灯所能做到的，而电流大了、小了亮度都要减弱，且会使寿命大打折扣，甚而致于未出厂就坏掉了；因LED的差异性总是存在的，在多个LED组成的连路中，当有几个坏掉时（通常是短路），会使电流增大而损坏其他的LED。这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。

　　三、驱动电路复杂成本高、故障率高

　　a.在电压匹配方面，LED不象普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是2--3.伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。

　　解决问题的方法可用自复位过流保护器WHPTC元件

　　如果用WHPTC过流保护器作保护，将是另外一种结果，从原理可知，当电路的电流超过规定值时会讯速的自动保护，在排除故障后又自动复位，无需人工更换。对LED而言，电压的变化不是LED损坏的直接原因，而电流的增大才是LED的真正杀手。显而易见，利用WHPTC的这个特性，在LED的电路保护上具有绝对的优势，让简易电源供电变为现实。实践证明，在LED电路出现故障以前就有效保护了。在简易电源上，这个优势特别突出。对如下3图分析可见，因有了WHPTC后可省去恒流、恒压电路， LED的质量也提高了。器件成本、生产成本、故障率、服务成本等，都大大降低。也大大增加了产品的市场竞争力。所以谁先使用WHPTC，谁先占领市场。

　　使用WHPTC前后的拓扑结构比较图

　　浅谈LED产品老化我们在应用LED时经常会出现这样种问题，LED焊在产品上刚开始的时候是正常工作的，但点亮一段时间以后就会出现暗光、闪动、故障、间断亮等现象，给产品带来严重的损害。引起这种现象的原因大致有：

　　1．应用产品时，焊接制程有问题，例如焊接温度过高焊接时间过长，没有做好防静电工作等，这些问题95％以上是封装过程造成。

　　2．LED本身质量或生产制程造成。 预防方法有：

　　1.做好焊接制程的控制。

　　LED老化方式包括恒流老化及恒压老化。恒流源是指电流在任何时间都恒定不变的。有频率的问题，就不是恒流了。那是交流或脉动电流。交流或脉动电流源可以设计成有效值恒定不变，但这种电源无法称做「恒流源」。恒流老化是最符合LED电流工作特征亲羁蒲У腖ED老化方式；过电流冲击老化也是厂家最新采用的一种老化手段，通过使用频率可调，电流可调的恒流源进行此类老化，以期在短时间内判断LED的质量预期寿命，并且可挑出很多常规老化无法挑出的隐患LED。 有效防止高温失灵-PTC热敏电阻用作LED限流器近年来，发光二极管（简称LED）的发展已取得巨大进步：已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本将降至与传统冷阴极荧光灯（简称CCFL）类似的水平。这使得人们对LED的下述应用兴趣日浓：汽车照明灯、建筑物内外的LED光源、以及笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。大功率LED技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。就像所有其它半导体一样，LED不能过热，以免加速输出的减弱，或者导致最坏状况：完全失效。与白炽灯相比，虽然大功率LED具有更高效率，但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。因而，可靠的运作就需要良好的散热，并要求在设计阶段就考虑高温环境。设计LED驱动电路尺寸时，也必须考虑温度因素：必须选择其正向电流，以确保即使环境温度达到最高值，LED芯片也不会过热。随着温度的升高，就需要通过降低最高容许电流，即降低额定值，来实现降温。LED制造商把降额曲线纳入其产品规格中。有关此类曲线，参见图1。

　　图1 LED降频曲线

　　利用无温度依赖性的电源运行LED存在弊端：在高温区域内，LED则超出规格范围运行。此外，当处于低温区域时，照明源就由明显低于最大容许电流（参见图1红色曲线）的电流供电。如图1的绿色曲线所示，通过LED驱动电路中的正温度系数热敏电阻（简称PTC热敏电阻）来控制LED电流是一个重大改进。这至少可以带来下列好处：

　　*在室温下增加正向电流，从而增加光输出

　　*因为可以减少LED使用量，所以可以使用价格较低的驱动集成电路（简称IC）乃至一个不带温度管理的驱动电路来节约成本

　　*实现无需IC控制的驱动电路设计，此电路亦可使LED电流随温度改变

　　*能够使用较便宜减额值较高安全裕量较小的LED

　　*过热保护功能提高了可靠性

　　*带散热片的热机械设计更为简单

　　大多数LED用驱动电路形式具有一个共同点：即流经LED的正向电流是通过固定电阻进行设置（参见图2）。一般说来，流经LED ILED的电流取决于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不随温度而变，因此LED电流也不受温度影响。

　　图2中电路1为常用的驱动电路。其恒流源包括一条反馈回路。当调节电阻两端的反馈电压达到因IC而异的VFB时，LED电流就不变了。LED电流因而被稳定在ILED=VFB/Rout。

　　图2 LED的传统驱动方式

　　图3所示为上一电路改良型：此电路借由PTC热敏电阻，生成随温度变化的LED电流。通过正确选择PTC热敏电阻、Rseries以及 Rparallel，此电路与专用驱动IC和LED组合相匹配。其中，LED电流可经由下列方程式计算得出：

　　图3所示电路阐明了LED电流（参见图3）的温度依赖性。与针对最高运行温度为60度的恒流源相比较，使用PTC热敏电阻后LED电流可在0度和40度之间提升达40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。

　　图3 采用PTC热敏电阻的温度监测和电流降频

　　示例2：调节电阻与LED无串联的恒流源

　　图2所示电路2为另一常见的恒流源电路：电流通过连接驱动IC的电阻得以确定。然而在这种情况下，调节电阻并未与LED串联。Rset和 ILED之间的比率由IC规格明确。因此，运用20KΩ的串联电阻和TLE4241G型驱动IC，最终产生的LED电流为30mA。图4所示为标准电路改良型，其中也含有一个PTC热敏电阻，尽管此处采用WHPTC热敏电阻。在感测温度，元件电阻可达4.7KΩ，且容许误差值为±5℃（标准系列） 或±3℃（容许误差值精确系列）。

 图4所示为随外界温度而变化的LED电流。固定电阻Rseries容许误差范围小，在低温时支配总电阻。只有在低于PTC热敏电阻的感测温度大约15 K时，由于PTC热敏电阻的阻值开始增加，电流才会开始下降。在感测温度（总电阻=Rseries+RPTC=19.5KΩ+4.7KΩ=24.2KΩ） 时的电流大约为23mA。PTC电阻在温度更高时急剧上升，迅速引发断路，从而避免因温度过高出现故障。

　　图4 无分流测量之温度记录

　　示例3：无IC简单驱动电路

　　如图2所示电路3，LED也可在无驱动IC的情况下工作。图示电路是通过车用电池驱动单一200mA LED。稳压器生成5 V的稳定电源电压Vstab，以避免电源电压出现波动。LED在Vstab处运作，电流则通过与LED串联的电阻元件Rout决定。在这类电路中，通过下一则等式可算出独立于温度的正向电流，在此等式中，VDiode是一个LED的正向电压：

　　另一做法是将WHPTC的径向引线式PTC热敏电阻以及两个固定电阻相组合后，替代上述固定电阻，如图所示。

图5 无需IC的温度补偿驱动电路

　　电流值主要是通过适当选择两个固定电阻来设置的。这两个电阻也在改进电路方面也起到重要作用，因为它们将产生的LED正向电流的允差保持在较低水平。这在正常工作温度范围内尤其重要，因为此时PTC热敏电阻本身的阻值允差仍较高。第二个并联固定电阻也能确保PTC不会在极端高温情况下彻底关闭 LED，因此，电流不会降至低于下列等式计算的所得值：

　　这项性能在例如汽车电子这样的应用中极其重要，因为安全要求不允许照明灯彻底关闭。

　　背景资料：LED的温度依赖性

　　像所有半导体一样，LED的最高容许结点温度不能超过，以免导致过早老化或者完全失效。如果结点温度要保持在临界值以下，那么外界温度升高时，最高容许正向电流则必须下降。不过，如果运用散热器，在特定的外界温度时正向电流可以增加。LED的光输出随着芯片结点温度的升高而下降。上述情况主要发生在红色和黄色LED，白色LED则与温度关系较小。光照效率和正向电流保持同步增长，不过，安装在结层和环境之间的LED所具备的高热阻率可以降低乃至逆转这种作用，这是因为随着结点温度的上升，发射光会降低。

　　此外，当结点温度上升且LED正向电压与温度保持同步增长时，发射光的主波长会以+0.1 nm / K的典型速率增长。各种白光LED驱动电路特性评比 1996年，日亚化学的中村氏发现蓝光LED之后，白光LED就被视为照明光源最具发展潜力的组件，因此，有关白光LED性能的改善与商品化应用，立即成为各国研究的焦点。目前，白光LED已经分别应用于公共场所的步道灯、汽车照明、交通号志、可携式电子产品、液晶显示器等领域。由于白光LED还具备丰富的三原色色温与高发光效率的特性，一般认为非常适用于液晶显示器的背光照明光源，因此，各厂商陆续推出白光LED专用驱动电路与相关组件。鉴于此，本文就 LED专用驱动电路的特性与今后的发展动向进行简单阐述。 1 定电流驱动的理由

　　1.1 白光LED的光度以顺向电流规范

　　白光LED的顺向电压通常被规范成20mA时，最小为3.0V，最大为4.0V，也就是若单纯施加一定的顺向电压时，顺向电流会作大范围的变化。

　　由于白光LED的光度与色度是以定电流方式量测的，所以，为获得预期的亮度与色度，通常是用定电流驱动。

　　表2为光学坐标的等级（rank）（IF=25mA，Ta=250C）。

　　1.2 避免顺向电流超越容许电流值

　　为确保白光LED的可靠性，基本上就是需要设法避免顺向电流超过白光LED的绝对最大设计值（定格值）。

　　图3是驱动白光LED常用的四种电源电路；图4是上述六种随机取样白光LED稳定后的ReguLation精度特性。

　　图3（a）的电路分别使用可以控制LED电流的电压ReguLator与BaLLast电阻，这种电路的优点是电压ReguLator种类丰富，设计者可以选择的自由度较大，而且与电压ReguLator、LED的接点只有一点；缺点是BaLLast造成的电力损失会导致效率恶化。此外，LED的顺向电流也无法获得精密控制。

　　图4（a）中可以看出，随机取样六个白光LED的顺向电流，从14.2mA到18.4mA分布范围非常广，因此，A厂商LED的（平均值）顺向电流高达2.0mA。相比之下，图4（b）电路使用的ReguLator虽然有小型、低成本的优点，缺点是可能会无法满足性能与可靠性的要求，也就是说本电路的实用性相对较弱。

　　2.2 使用定电流输出的电压ReguLator驱动方式

　　图3（b）的电路虽然可以使流入LED的所有电流稳定化，不过为了匹配（Matching）各LED的电气特性，电路中特别设置了一组 BaLLast电阻。

　　图3（b）中的MAX1910属于定电流输出型的电压ReguLator，虽然本电路使用同厂商、同批号（Lot）的白光LED，获得了极佳的匹配性，不过，在使用不同厂商与批号的LED时，就会出现很大的特性差异分布。本电流Regu-Lator使用类似图3（a）的方式控制驱动电流，不过它却可以使BaLLast电阻的消费电力降低一半左右。

　　图4（b）的测试结果显示，流入六个随机取样白光LED的电流，从15.4mA到19.6mA，变化范围非常大。因此，A厂商与B厂商两者的 LED是以平均17.5mA的电流驱动。此电路的缺点是BaLLast电阻造成的电力损失有残留之虞，而且又无法获得LED电流的匹配性；不过整体而言，本电路兼具动作特性与简洁性，所以具有相当程度的使用价值。

　　2.3 使用输出型的MuLti　PuLL电流Regu-Lator的驱动方式

　　图3（c）的电路可以使流入LED的电流各自稳定化，因此不需要使用BaLLast电阻，电流的精度与匹配性ReguLator则由各自的电流 ReguLator支配。

　　图3（c）中的MAX1570　IC可以使上述电流ReguLation达成2％标准的电流精度，与0.3％标准的电流匹配性等目标。

　　由MAX1570　IC构成的电流ReguLator为低Drop　Out　Type，因此它的动作效率非常高。图4（c）的测试结果显示，使用图3（c）的驱动电路时，流入六个随机取样白光LED稳定化的电流为17.5mA。

　　图3（d）的电路是利用可以使电流稳定化的电感（Inductor），构成所谓的高效率Step　Up　Converter。本电路的最大特点是　Feed　Back　ThreshoLd电压，可以减少电流检测用电阻的电力损失。此外，LED采用串联方式连接，所以流入白光LED的电流即使是在各种要求下，都能够与LED完全取得匹配。有关电流的精度基本上取决于Regu-Lator的Feed　Back　ThreshoLd精度，因此不会受到LED顺向电压的影响。

　　由MAX1848与MAX1561　IC构成的电流ReguLator的效率（PLED/PIN）分别是：三个 LED＋MAX1848，87％；六个LED＋MAX-1561， 84％。

　　Step　Up　Converter的另一优点是Regu-Lator与LED之间需要两个连接端子，而且LED的使用数量不会受到Step Up　Converter种类的影响，这意味着设计者会拥有更大的选择空间。因此，Step　Up　Converter广泛应用在各种尺寸的液晶面板；电路的缺点是电感外形高度、组件成本偏高，有EMI辐射干扰。

　　3　结束语

　　以上介绍了白光LED常用的驱动电路，并通过实验方式深入探讨了各电路实际运行时的优缺点和特性。由于LED结构的限制，因此会有波长与驱动电流精度不易控制等困扰，随着白光LED背光模块应用需求的不断增加，如何改善上述波长与电流精度问题，同时降低驱动电路的制作成本，成为必须克服的问题。