LED的分类及特性.docx

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LED的分类及特性

LED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亮度平均；

d、亮度会受整流而来的电压变化影响。

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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：

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）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。

从以上介绍可以看出PWM控制方式设计的是比较理想的LED电源。

目前珠海市南宇星电子公司生产的“金兴”牌LED开关电源就是PWM控制技术的开关电源，该类LED电源经用户使用反映效果很好。

一、刚刚开始起步成本高

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，为什么是白炽灯光源价格的50倍左右时，LED交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。

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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。

b.在电流供应方面，LED的正常工作电流在15mA-18mA，供电电流小于15mA时LED的发光强度不够，而大于20mA时，发光了强度也会减弱，同时发热大增，老化加快、寿命缩短，当超过40mA时会很快损坏。

为了延长LED照明灯的使用寿命，简易电源是不能使用的，而常用电源、电子变压器、分离电源等，但都要设计恒流源电路和恒压源电路供电的方式，大电流驱动时，要配大管或可控硅器件，另加保护电路，这样就使LED的电源供应器电路很复杂，故障率增加。

元件成本、生产成本、服务成本都将升高。

而目前LED本身的成本就高，加上电源的成本，这就大大地限制了市场的竞争力与购买群体，LED照明灯的优势大打折扣，这也是制约其发展与普及的又一关键问题。

四、解决问题的方法与可行性分析：

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

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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LEDILED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。

将固定电阻换成随温度变化的电路，即可实现对LED电流的温度管理。

下列图表阐明了如何使用PTC热敏电阻来改善标准电路。

示例1：

有反馈回路的恒流源

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2LED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

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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15K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一200mALED。

稳压器生成5V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。

由于LED电流的绝大部分流经PTC热敏电阻本身，因此需要选择一个较大的径向引线式元件。

PTC将因为流经电阻本身的电流而导致发热，因此会一直减少电流，无论环境温度为何（如图5所示）。

并联两个或更多片式PTC热敏电阻会将电流分流，但此方案仍存在局限性。

图5无需IC的温度补偿驱动电路

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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+0.1nm/K的典型速率增长。

各种白光LED驱动电路特性评比1996年，化学的中村氏发现之后，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、显示器等领域。

由于白光LED还具备丰富的三原色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。

图1是从A、B两家LED企业的产品中随机取三种白光LED样品进行顺向电压与顺向电流特性检测的结果。

根据检测结果显示，若利用3.4V顺向电压驱动上述六种白光LED时，顺向电流会在10~44mA范围内大幅变动。

表1为白光LED的电气与特性。

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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2中，白光LED的定格最大顺向电流为30mA，随着周围温度的上升，容许顺向电流则持续衰减，如果周围温度为50℃，通常顺向电流就不能超过20mA。

此外，利用定电压的驱动方式不易控制流入LED的电流值，因此就无法维持LED的可靠性。

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2白光LED的驱动方法

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

图4的测试结果显示，ReguLator的负载特性出现在白光LED的VF角落上，即图中的交叉点就是各白光LED的稳定动作点。

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2.1使用电压ReguLator的驱动方式

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。

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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。

虽然ReguLator与LED之间需要四个连接端子，不过此电路不需要BaLLast电阻，所以可以有效抑制封装面积，因此非常适合应用在封装空间极为狭窄的小型等领域。

2.4使用升压型电流ReguLator驱动的方式

图3（d）的电路是利用可以使电流稳定化的（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StepUp　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。