LED的高效驅動分析

引言

　　白熾燈泡可以發出各種各樣的光線，但是在具體的應用中，通常只需要綠色、紅色以及黃色光線——例如交通信號燈。若要使用白熾燈泡，則需要一個濾波器，這會浪費掉 60% 的光能，而 LED 則可以直接產生所需顏色的光線，并且在上電時，LED 幾乎是瞬間發光，而白熾燈則需要 200ms的響應時間。因此，在剎車燈設計中采用了 LED。另外，LED 將作為光源在 DLP 視頻應用中使用，以替代機械匯編 (mechanical assembly)，其可進行高頻率的切換。

　　LED的I-V 特性

　　圖 1 顯示了典型 InGaAlP LED(黃色和琥珀紅)的正向電壓特性。也可以把 LED 作為電壓源與電阻串聯建模，并查看模型與實際測量之間的良好關聯性。電壓源有一個負的溫度系數，當結溫上升時，電壓源的正向電壓會發生負的變化。InGaAlP LED的系數在-3.0mV/K~-5.2mV/K 之間，而 InGaN LED(藍色、綠色和白色)的系數則在-3.6mV/K~-5.2mV/K 之間。這就是為什么不能直接對 LED 進行并聯的原因。產生熱量最多的器件需要更大的電流，更大的電流會產生更多的熱量，進而引起散熱失控。

　　圖1 LED作為電阻與電壓源串聯建模

　　圖2顯示了作為工作電流函數的相對光輸出(光通量)。很明顯，光輸出與二極管電流是密切相關的，因此，可以通過改變正向電流進行調光。并且，在電流較小時，曲線幾乎是一條直線，但是在電流增大時，其斜率變小了。這就是說，在電流較低的時候，若將二極管電流增大一倍，則光輸出也會增加一倍;但是電流較高的時候，情況就不是這樣了：電流上升 100% 僅能使光輸出量增加 80%。這一點很重要，因為 LED 是由開關電源驅動的，這會導致在 LED 中產生相當大的紋波電流。實際上，電源的成本在某種程度上是由所允許的電流大小決定的，紋波電流越大，電源成本就越低，但光輸出會因此受到影響。

　　圖2 電流超過 1A以上，LED效率就會降低

　　圖3量化顯示了疊加于 DC 輸出電流之上的三角紋波電流所引起的光輸出的減少。在絕大多數情況下，該紋波電流的頻率高于肉眼可以看到的 80Hz。并且，肉眼對光線的響應是指數式的，不能察覺出小于 20% 的光線減弱。因此，即使 LED 中出現相當大的紋波電流，也不會察覺出光輸出的減少。

　　圖3 紋波電流對LED光輸出的輕微影響

　　紋波電流也通過提高功耗而影響 LED 性能，這可能導致結溫升高，并對 LED 的使用壽命產生重大影響。

　　圖4 量化顯示了由于紋波電流造成的LED功耗的升高。與LED的散熱時間常量相比，由于紋波頻率較高，因此，高紋波電流(以及高峰值功耗)不會影響峰值結溫，它是由平均功耗確定的。LED的高壓降如一個電壓源，因此，電流波形對功耗沒有影響。不過，壓降有一個電阻分量，并且功耗由電阻乘以均方根 (RMS)電流的平方確定。

　　圖4 紋波電流增加了LED的功耗

　　圖4 也闡明了即使在紋波電流較大的時候，對功耗也沒有重大影響。例如，50%的紋波電流僅增加不足5%的功率損耗。當大大超過此水平時，需要減小電源的DC電流以保持結溫不變，從而維持半導體的使用壽命。經驗法則顯示，結溫每降低10%，半導體使用壽命就會延長兩倍。并且，許多設計都傾向于更小的紋波電流，這是因為電感器的限制。絕大多數電感的設計處理能力小于20%的Ipk/Iout紋波電流比率。