LED串并方式及恒压源恒流源的选择分析.docx

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LED串并方式及恒压源恒流源的选择分析

LED串并方式及恒压源、恒流源的选择分析

第一部分：

基础分析篇

考虑选用什么样的LED驱动器，以及LED作为负载采用的串并联方式，合理的配合设计，才能保证LED正常工作。

例如，驱动28盏LED时，可以设想的连接方法有六种。

一种是先串联14个LED（LED串）然后并联两条这样串联而成的LED串（14串联×2并联）。

除此之外，还有7串联×4并联、4串联×7并联、2串联×14并联、28串联×1并联、1串联×28并联等连接方式。

究竟哪种连接方法最佳呢？

【附：

通常情况下，很多的朋友拿到LED电源，不知道怎么样区分恒压源和恒流源。

拿到一个LED电源，查看铭牌，找到输出电压这个关键参数：

如果它的电压标称是一个恒定值，则是恒压源。

如果是一个围值，则是恒流源。

例如：

有一个电源它的输出电压是12V，我们则确定这个是恒压源，如果它标称的是30-70V呢，那么这个电源一定是够恒流源。

】

1、LED采用全部串联方式

要求LED驱动器输出较高的电压（如图1）。

当LED的一致性差别较大时，分配在不同的LED两端电压不同，通过每颗LED的电流相同，LED的亮度一致。

图1

图2

当某一颗LED品质不良短路时，如果采用稳压式驱动（如常用的阻容降压方式），由于驱动器输出电压不变，那么分配在剩余的LED两端电压将升高，驱动器输出电流将增大，导致容易损坏余下的所有LED。

如采用恒流式LED驱动，当某一颗LED品质不良短路时，由于驱动器输出电流保持不变，不影响余下所有LED正常工作。

当某一颗LED品质不良断开后，串联在一起的LED将全部不亮。

解决的办法是在每个LED两端并联一个稳压管，当然稳压管的导通电压需要比LED的导通电压高，否则LED就不亮了。

2、LED采用全部并联方式

要求LED驱动器输出较大的电流，负载电压较低（如图3）。

分配在所有LED两端电压相同，当LED的一致性差别较大时，而通过每颗LED的电流不一致，LED的亮度也不同。

可挑选一致性较好的LED，适合用于电源电压较低的产品（如太阳能或电池供电）。

图3

当某一个颗LED品质不良断开时，如果采用稳压式LED驱动（例如稳压式开关电源），驱动器输出电流将减小，而不影响余下所有LED正常工作。

如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED电流将增大，导致容易损坏所有LED。

解决办法是尽量多并联LED，当断开某一颗LED时，分配在余下LED电流不大，不至于影响余下LED正常工作。

所以功率型LED做并联负载时，不宜选用恒流式驱动器。

当某一颗LED品质不良短路时，那么所有的LED将不亮，但如果并联LED数量较多，通过短路的LED电流较大，足以将短路的LED烧成断路。

3、LED采用混联方式

在使用比较多LED的产品中，如果将所有LED串联，将需要LED驱动器输出较高的电压。

如果将所有LED并联，则需要LED驱动器输出较大的电流。

将所有LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED负载电流较大，驱动器的成本也会大增。

解决办法是采用混联方式。

图4

如图4所示，串并联的LED数量平均分配，分配在一串LED上的电压相同，通过同一串每颗LED上的电流也基本相同，LED亮度一致。

同时通过每串LED的电流也相近。

当某一串联LED上有一颗品质不良短路时，不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动，这串LED相当于少了一颗LED，通过这串LED的电流将大增，很容易就会损坏这串LED。

大电流通过损坏的这串LED后，由于通过的电流较大，多表现为断路。

断开一串LED后，如果采用稳压式驱动，驱动器输出电流将减小，而不影响余下所有LED正常工作。

如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED电流将增大，导致容易损坏所有LED。

解决办法是尽量多并联LED，当断开某一颗LED时，分配在余下LED电流不大，不至于影响余下LED正常工作。

第二部分：

拓展提高篇

现在有关这个问题有很多各种不同似是而非的说法，有人说：

在LED的伏安特性上，电压定了，电流也就定了。

所以采用恒压和恒流效果是一样的。

有人说LED并联时就应该采用恒压电源供电，而LED串联时就应该采用恒流电源供电；有人说，因为LED是恒流器件，所以要用恒流源供电；有人说，采用市电供电时就应该采用恒压电源供电，采用蓄电池供电时，就应该采用恒流电源供电。

至于为什么这样要求，似乎谁也说不明白。

那么，到底是应该采用恒压电源，还是恒流电源供电呢？

首先来看一下LED到底是什么样的器件。

因为LED的亮度是和它的正向电流成正比，而且一些LED的结构决定了它的散热也就是功耗。

所以大多数LED会给出额定电流，例如Φ5为20mA，1W的为350mA等，但这并不等于LED只能工作于这些额定电流，更不意味着LED就是一个恒流器件。

例如Cree的1瓦LED和3瓦LED是同一型号，电流从350mA加大到700mA，功率就从1W加大成3W，所以这个LED可以工作在350-700mA之间的任意值。

要深入了解这个问题首先要知道LED的伏安特性。

1.LED的伏安特性

LED的中文名字就是发光二极管，所以它本身就是一个二极管。

它的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似。

只不过通常曲线很陡。

例如一个20mA的草帽LED的伏安特性如图5所示。

图5小功率LED的伏安特性

假如用干电池或蓄电池供电，那么因为LED伏安特性的非线性，很小的电压变化就会引起很大的电流变化，上图中电源电压在3.3V时正向电流为20mA的LED，如果用3节干电池供电，新的电池电压超过1.5V，3节就是4.5V，LED的电流就会超过100mA，很快就会烧坏。

对于1W的大功率LED也是如此，图6是某公司1W的LED伏安特性，而一个12V蓄电池的电压，在充满电到快放完电的电压可以从14.5V降到10.5V。

相差将近20%。

从伏安特性上可以看出，电源电压的10%的变化（3.4V-3.1V），就会引起正向电流的3.5倍的变化（从350mA变到100mA）。

图61W大功率LED的伏安特性

2.伏安特性的温度系数

到现在为止，还有很多人以为LED电压定了，电流也就定了，所以采用恒压和恒流是一样的。

实际上，LED的伏安特性并不是固定的，而是随温度而变化的，所以电压定了，电流并不一定，而是随温度变化的。

这是因为是LED是一个二极管，它的伏安特性具有负温度系数的特点。

图7伏安特性的温度特性

温度系数通常是-2mV/度（-1.5—2.5mV/°C），也就是随着温度的升高，其伏安特性左移，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会增加。

而LED本身的效率很低，温升很高，加电以后，假如散热不好，其温度很容易上升到八、九十度以上。

假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA，而温度升高到85度时，电流就会增加到35-37mA，而其亮度并不增加。

电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。

而且如果不用恒流源而用恒压源供电时，常温下工作在20mA时，到了-40度时，电流就会降低至8-10mA，亮度会降低。

对于1W的大功率LED芯片，情况也是一样，而且由于功率大，散热更不容易，温升问题更加严重。

可以说，除了散热问题以外，采用恒压电源供电是引起光衰的主要原因。

所以原则上来说，LED是禁止采用恒压电源供电的。

3.用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流？

串联电阻只有限流的作用，也就是如果电源电压比LED串联以后的电压还要高，那么就需要串联电阻来限流，以免损坏LED。

但是如果想要用串联电阻来减小温度的影响，它的作用是很小的，这可以从伏安特性上看出，串联电阻以后的确可以减小温升带来的电流升高，电阻越大，电流随温度变化越小，但是只是减小，并不能消除。

而且很明显，电阻将带来额外的功耗，使得LED的总体效率降低。

假定所用的LED为1W，其电流为0.35A。

假定串联的电阻为100欧姆，所消耗的功率就高达12.25W显然是不能接受的，即使把电阻降低到10欧姆，其功耗仍然有1.225W。

比LED本身的功耗还要大。

为了减小这种功耗，就必须把电阻再减小。

然而，减小电阻的结果是使得由温升所引起的电流变化还是照样加大。

所以，串联电阻决不是一个好办法。

图8串联电阻只能减小温度的影响，而不能消除其影响

4.几个LED并联，能不能用恒压电源？

由于LED伏安特性的离散性，不但不同厂家生产的同样瓦数的LED伏安特性不一样，就是同一厂家生产的同一型号的LED其伏安特性也是不同的。

图9不同厂家和同一厂家生产的LED伏安特性的离散性

很明显，假如用恒压电源3.4V供电，显然流过每个LED的电流都不一样，每个LED的亮度也就不一样。

所以不能采用恒压电源供电。

5.多个LED并联，采用恒压电源，能不能用不同的串联电阻来使电流平衡？

在常温下是可以的，但在温升以后就不能保持了。

图9中就显示了这个问题，常温下的LED伏安特性以实线表示，两个LED的伏安特性在斜率上略有区别，在用恒压电源Vo供电时，选用不同的电阻，可以得到同样的正向电流Io。

但是当温度升高时，其伏安特性左移，如虚线所示。

因为还是原来的恒压和原来的电阻，此时的电流却变成了I1和I2。

不等于原来的Io了。

图9串联电阻在常温下保持其电流不变，但温升后就不能保持电流平衡

Io

6.N个LED串联后，假如用恒压电源供电，其温度效应（由温升而引起的电流增加）将会扩大N倍。

这是因为所有LED串联以后相当于各个LED的伏安特性沿电压轴串联。

图10多个LED串联，相当于多个伏安特性在恒流点叠接，加电以后温度上升，所有伏安特性左移。

温升以后，N个伏安特性都左移，就使电流的增加也加大了N倍。

如果采用恒流电源供电，那么温升以后，仍然能够保持电流恒定为Io。

7.多个LED串联时，采用恒流电源供电时，可以利用伏安特性的温度效应推测其结温的上升度数

在很多应用中（例如日光灯、路灯），往往将很多LED串联，这时候，LED的温度系数效应就更加明显。

因为采用恒流电源供电时其效果相当于把每一个LED的伏安特性沿电压轴叠加。

假如温升为60度，那么伏安特性将会向左偏移0.12V，如果10个LED串联，所有伏安特性全部左移，总偏移就会达到1.2V。

这是相当可观的数字。

反过来也可以利用LED的这种特性来测量其结温，例如有一个10串3并的LED组合，在接上恒流电源以后，测得其正向压降从32.3V降低到30.6V。

变化达1.7V。

那么可以推测其结温升高为1.7/10/.002=85度

8.恒流供电时，在串并联电路中如何保证每串的电流均衡

假如用恒流电源只供给一串LED，那当然是最理想的了。

但是，假如要供给几串并联的LED那如何能保证每串中的电流一样呢？

是的，假如用恒流源供给几串并联的LED，由于LED伏安特性的离散性，各串的电流是一定不一样的。

但是实际上，由于各串LED不大可能某一串里都是正向电压偏低的，另一串里都是正向电压偏高的。

而是会相对均匀分布，所以各串之间的电流不会相差很大。

9.在恒流供电的串并联电路中，如何避免因某个LED损坏所引起的问题

假如只是两串并联，而且其中某一串的一个LED坏了（开路），这时候不但这一串不亮，而且所有的电流都会流到另一串，使得另一串的电流加大一倍，用不了多久也会坏掉。

为了避免一个坏了一串不亮，那么可以采用全部并串联的方法，也就是每串中的任何一个都和其他串中的同样位置的LED并联。

这样，任何一个坏了（开路），只是这一个不亮，其余的LED仍然都亮。

但是假如并联的LED只有两串，其中有一个LED开路了，电流就都流到和它并联的另一个LED中去，它的电流也加大一倍，使得这一个LED寿命不长，很快烧掉；假如烧坏是开路，那么就会导致所有LED全部不亮，但其它的LED损害并不严重，因为没有长期工作于过流状态。

为了减小某一个LED损坏以后对其它LED的影响，希望并联的LED串数越多越好。

图11中画出了3串5并而且同行相并的图。

这时候，某一个LED坏了，总电流分散到其余的4个LED中，总电流在每一行所有并联的LED中分配，正向电压偏低的LED分到的电流就会大一些。

但不致造成太大的危害。

图11三串五并中的每一个LED都和其它串中同样位置的LED相并联

而且只是这一行的电流分到其余4路中去，而其它几行都还是和原来一样。

假如LED坏的时候是短路而不是开路，那么这一行的其它几个LED就都不亮了。

当然为了避免这个现象，最好的办法是在每个LED上都并联一个稳压管，而各串之间不要并联。

这时候任何一个LED坏了（开路），稳压管就导通，电流的分配关系变化很小。

短路则就是少一个LED发光。

图12每个发光二极管都并联一个稳压管

采用这种方法以后，就不需要再同行并联了。

总结以上叙述可以列表如下：

结构

任何一个坏了（开路）

任何一个坏了（短路）

单独一串

这一串开路不亮

这一个不亮

两串并联

这一串不亮，另一串所有LED电流加倍，寿命缩短，很快都坏

这一个不亮，这一串电流略为加大

两串中两两并联

这一个不亮，同行另一个电流加倍，很快坏掉；如为开路，所有不亮，如为短路，这一行两个LED不亮

这一个不亮，和它并联的另一个也不亮

N串同行并联

这一个不亮，同行其余电流加大N/（N-1）倍，N越大越安全

这一个不亮，和它并联的其它各个也都不亮

每个LED并联稳压管，各串并联

这一个不亮，对其它影响不大

只是这一个不亮

那么是不是恒压电源在LED照明中就无用武之地了呢？

完全不是这样。

10.在市电LED路灯中采用恒压开关电源加恒流模块的方法供电

任何市电供电的系统里，都需要一个AC/DC的开关电源。

有两种供电方法，一种是在开关电源里加上恒流反馈控制电路，保证输出电流恒定。

但是这种方法大多只能单路大电流输出，而且恒流的精度不高。

还有一种是，前面采用恒压电源，后面加很多路恒流模块，这种方案灵活性很高，恒流精度也高。

例如一个150W-300W的市电LED路灯供电方案图如下：

而且，这种结构的最大优点是可以程序调光，可节省能源达40%以上。