大功率LED照明驱动匹配方式研究

文章分析了大功率LED 的原理和工作特性，LED 的特性也决定了驱动电源的性能要求，LED 照明适合恒流源驱动。然后具体分析了LED 驱动的几种匹配方式，包括全部串联、全部并联、混联、交叉阵列和分布式恒流架构。最后指出，对于大功率LED 照明来说，分布式恒流是未来驱动电源的发展方向。

引言

自从出现发光二极管(light emitting diode，LED)以来，人们一直在努力追求实现固体光源。随着科技的不断进步，半导体材料应用技术的高速发展，白光LED 固体光源的性能得到不断完善并进入实用阶段。白光LED 是一种新兴产品，在照明市场备受瞩目。它与白炽钨丝灯和荧光灯相比，主要优点为体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、响应速度快、耐振动和冲击以及无污染。LED 固体照明是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后新的照明革命。

从第一批LED 进入市场的几十年间，LED 的应用领域不断扩展，包括：大屏幕彩色显示、照明灯具、激光器、液晶显示屏背光源、探测器、交通信号灯等。在全球能源紧缺、环保要求不断提高的情况下，LED越来越多地进入到各种照明领域中，且LED 作为新一代照明光源在照明市场中所占的比重也呈现出逐年递增的趋势。专家预计，LED 产品将在十年内大范围替代常规照明产品，届时，LED 将能成为家喻户晓的产品，带来可观的节能效果，LED 进入通用照明市场已经不再遥远。

LED 虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是LED 光源却不像一般的光源一样可以直接使用电网电压，它必须配有专用的电压电流转换设备，提供能够满足驱动LED 的额定电压和电流，才能使LED正常工作。不同的LED 照明灯具，不同的照明用途和功率大小，LED 驱动电源的规格也不同。所以，选择合适、高效的LED 电源，选择正确的驱动方式，才能真正展现LED 光源高效能的特性。

1 大功率LED 的工作特性

LED 的发光原理就是将电能转换为光的过程，将电流通过化合物半导体，通过电子与空穴的结合，过剩的能量将以光的形式释出，达到发光的效果。图1 所示为正向导通压降(VF)和正向电流(IF)的关系曲线图，从图中可以看出，当正向电压超过某个阈值后，IF 随着VF 的上升而快速上升，较小的电压变化都会引起电流的较大变化。大功率LED 的光特性通常被描述为电流IF 的函数，图2 所示为光通量和正向电流的关系曲线图。LED 的光通量由流过LED 的电流决定，LED 光通量随着流过LED 的电流的增加而增加，但却不成正比，越到后面光通量增加得越少。电流过强会引起LED 的衰减，电流过弱会影响LED 的发光强度，因此应使LED 在一个发光效率最高的电流值下工作。采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED 的可靠性和寿命。这也决定着LED 照明适合恒流驱动而不是恒压驱动，以保证大功率LED 使用的安全性，同时达到理想的发光强度。

另外，LED 的光通量和温度也成反比关系，高温会导致LED 的光输出降低，LED 的光波长向长波漂移，发光颜色发生变化。且温度的升高会使LED 的正向电压降低，从而大大缩短LED 的寿命，加速光衰。图3 所示为不同热阻的的1W LED 的允许顺向电流和环境温度的关系曲线图，从图中可知，当温度达到70～100℃时，LED 的恒流需要线性地减少，直到120℃这一点达到零，恒流下降点和减少斜率取决于散热设计。因而，大功率LED 灯具必须要有良好的散热性，对驱动电源而言，必须在温度过高时能够关断输出，起到保护作用。

2 大功率LED 与驱动电源的匹配方式

大功率LED 已经广泛应用于照明、装饰类等产品，在设计LED 照明系统时，需要考虑用什么样的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。用LED 作为大功率照明灯具，通常都是由多颗LED 组成，少则十几二十颗，多则上百颗。如此多的单独的LED 组合在一起来组成发光组件构成照明灯具，已逐步应用于路灯、隧道灯、工矿灯、商用照明等场合。LED 的连接方式直接关系到其可靠性和使用寿命。

2.1 LED 采用全部串联方式

如图4 所示，LED 采用全部串联方式，即将多个LED 的正极对负极连接成串，其优点是通过每个LED 的工作电流一样，一般应串入限流电阻R。串联方式要求LED 驱动器输出较高的电压，当LED 的一致性差别较大时，分配在不同LED 两端的电压不同，通过每只LED 的电流相同，LED 的亮度一致性较好。

当有一颗LED 发生短路时，如果是采用恒压电源驱动，由于输出电压不变，这样分配到每颗LED 上的电压都有升高，驱动器输出电流将增大，如果超过LED 额定电流太多的话，容易造成余下的LED 光通量超过正常值而缩短寿命甚至烧毁。如果是采用恒流电源驱动，当一颗发生短路时，由于驱动电流不变，将不会影响余下所有LED 的正常工作。

当有一颗LED 断路后，串联在一起的LED 将全部不亮。这时只要在每个LED 两端并联一个齐纳管即可，如图5 所示，所选齐纳管的导通电压要高于与其并联的LED 的导通压降，否则该LED 也不会亮。

应用此串联方式，当LED 数目较少时，电源两端的输出电压不会太高。但是当LED 数目较多时，特别是大功率LED 路灯等，通常数目至少都有几十颗，这样为了使LED 正常工作，其驱动电源的输出电压必然会非常高。比如100 颗这样的大功率LED 来组成照明灯具，必须要有超过300V的输出电压，而这样高的电压会对人身安全造成影响。

2.2 LED 采用全部并联方式

如图6 所示，LED 采用全部并联方式。这要求LED 驱动电源输出较大的电流，负载电压较低。每颗LED 的电压一样，而总电流是流经每颗LED 的电流之和。当LED 的一致性差别较大时，通过每颗LED的电流不一致，LED 的亮度也不同。

当有一颗LED 因品质不良断开时，如果采用恒压式驱动电源，电源输出电流将减少，而不影响余下所有LED 的正常工作。如果是采用恒流式驱动电源，由于总输出电流不变，这样分配到每颗LED 的电流都增加，容易导致损坏所有的LED。因此，这种全部并联的方式不适用于LED 数量较少的场合，因为只要一颗断路，余下的每一颗都要额外增加较大的电流。当并联的LED 数量较多时，断开某一颗时，分配到余下每一颗的电流并不大，对余下的LED 影响不大。所以，当选择全部并联时，不应当选用恒流式驱动器。当某一颗LED 因不良而短路时，那么所有的LED将不亮。

2.3 LED 采用混联方式

这种方式，就是众多LED 既有串联，又有并联。这种混联方式有两种解法，分别如图7 和图8所示，其分析方法基本和上述两种连接方式一样。

2.4 LED 采用交叉阵列形式

为了提高可靠性，降低熄灯几率，出现了如图9所示的交叉阵列形式的连接设计。图9 是以15 颗LED 为例的设计图，更多的LED 数量也可以参照此形式。这种交叉连接方式，即使个别LED 开路或短路，也不会影响发光组件的整体实效。

3 分布式恒流架构

由于目前大功率LED 照明用的LED 数量较多，通常都有几十个甚至上百个，选择合适的驱动匹配方式显得尤为重要。上述各种驱动方式各有优缺点，但是，对于大功率LED 驱动电源来说，先恒压再恒流，是未来LED 照明的主流设计方式，此方式被命名为分布式恒流，其主要架构如图10 所示。

该方式先通过一个开关稳压电源，输出稳定的直流电压，然后在直流输出端接上LED 模块，LED 模块上已经有了恒流装置。这样将恒流技术分布到光源内部，和LED 构成一个相对独立的模块，这样设计随意性强，电源规格简单，可以根据不同光通量要求而选择不同数量的LED 模块。这种LED 模块的划分，使得大功率LED 照明特别适用于路灯、隧道灯、公共场所照明、广告灯箱等领域。分布式恒流设计LED 产品有着非常高的产品稳定性。

分布式恒流技术，其稳压电源部分可以继续采用传统的开关电源进行恒压的供电模式，因开关电源技术积累给LED 驱动电源设计创造了品质条件。分布式恒流技术还需要在恒流节点上串接低压差线性恒流驱动器，低压差的驱动器关系到驱动效率。LED 恒流模块设置灵活，不会因为支路电流变化而影响其它支路工作。分布式恒流可以根据应用情况而灵活布置并联支路和LED 模块，从而保持各支路和整体线路的电流稳定。驱动线路稳定性直接影响产品整体稳定性，分布式恒流在稳定性方面有着独有的优势。

4 结论

大功率LED 照明正处在快速发展阶段，由于价格成本高，目前还主要应用在路灯、隧道灯等领域，距离大规模的商用和民用还有很长的路要走。大功率LED 照明大规模的产业化及应用，离不开驱动电源技术的发展，选择合适的驱动匹配方式，不仅可以保证LED 正常的照明效果，还能保证LED 的使用寿命，使LED 照明的优势真正得到体现。先恒压，再线性恒流，是未来大功率LED 照明的驱动方式。在分布式LED 驱动设计中，色温可调、灰度控制都变得方便。分布式恒流技术充分预留智能化接口，这是LED照明智能化发展的关键。在节能技术要求越来越高的今天，大功率LED 照明将成为照明技术发展的主流已成为共识，LED 照明时代也正在来临。

参考文献

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