关键词：LED光源 驱动技术 效果分析
随着大功率白光LED芯片的研发及运用逐渐成型，LED光源已开始逐步替代高压钠灯成为新兴的绿色照明光源。但在实际运用当中，驱动电路不完善使整体灯具的寿命达不到5万小时，与10万小时的理论值存在较大的差距。经我市近二年来对LED路灯的示范应用的实践经验，结合常见的电压源、电流源驱动方式以及LED光源电路的连接结构进行简析，以求在实际使用中能够合理运用。
一、LED的特性
LED是一种固态的半导体器件，与其他半导体器件类似，其结构也是由PN结构成。当LED两端施加一定电压后，在N区的电子获得足够的能量通过导电带而跃迁到P区，在PN节附近稍偏于P区的地方，处于高能态的电子与P区的空穴相遇发生复合，复合后电子失去能量重新回到低能级价带并辐射光子。在这一过程中电子的跃迁产生了电流，而能级的高低差影响了电子和空穴复合后光子的能量，所以不同的构成材料可以发出不同波长的光。而当这一电流增大时，可使其亮度也同样得到增强。但电流的增大同样会使温度同步升高，温度升高时使PN结区的电子更容易越过能量势垒，从而造成电压降的差异，电压降以每度两毫伏的比例随着温度的上升而减少。另外，温度的上升会降低电子的辐射复合效率，使LED器件的发光效率降低，并且所发出的波长也会向长波长漂移，从而造成白光LED的荧光得不到匹配的激发，进一步降低发光效率。因此，在LED光源的驱动上应充分考虑电流、电压以及温度所带来的不同影响，使其控制在合理的变化范围，延长使用寿命的同时，降低LED光源的光衰损耗。在LED的实际使用中，其极限参数主要有以下4点：
1.允许功耗PM允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热甚至损坏。
2.最大正向直流电流IFm允许通过LED的正向直流电流的极限值，超过此值可损坏LED。
3.最大反相电压VRm LED所允许加的最大反向电压，超过此值，LED可能被击穿损坏。
4.工作环境温度topm LED可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，LED将不能正常工作，效率大大降低。
LED光源的发光亮度与其工作电流成正比，同种光源在不同的电流驱动下的亮度是不同的，要得到较好的发光均匀度需采用等同的电流进行驱动。因此，一个理想的LED驱动电路不但要考虑极限参数的限制，发挥光源本身寿命长的优势；另外，还要考虑到整体驱动的效果，使其具备一定的发光匀度以及较低的运行功耗，而这与选用电路连接方式密不可分。在常见的驱动方式上以电压源驱动和电流源驱动为主。
二、电压源的驱动效果分析
LED在等效电路上等同于理想的稳压二极管串联了一个等效电阻（ESR），其恒定电压降则取决于内部光子发射所需越过的能量势垒，这与发射的波长存在一定联系。所以在LED的压降有两个特性：
1、由于生产过程中每一个led的波长有所偏差，所以其导通压降（Vf）并非定值。例如，单颗1W的Luxeon Star型白光LED的正向导通压降典型值为3.42V，但实际值中最小的仅2.79V，最大的达3.99V，偏差高达±15%以上。
2、内部存的串联电阻（ESR）,会使导通后的压降随流经的电流值增大而上升。而且功率越大的LED光源，其ESR的阻值越小。举例来说，通常20mA电流等级LED的ESR约为20Ω，而单颗1W、350mA电流等级LED的ESR则为1～2Ω，ESR与LED的电流等级大致成反比。
假设ESR为恒定，LED的工作电流值就取决于电源输出电压和LED的正向压降Vf，关系如下式：
结合上式，以1W白光LED的参数为例，如果因导通压降（Vf）的差异引起0.5V的偏差，由于ESR的阻值非常小仅为1～2Ω，那么电流的变化值就会产生0.5～0.25A的变化，这将会突破LED光源的最大正向直流电流IFm，直接造成光源的损坏。如果使用电压源控制，因电压源本身存在一定的公差（一般为5%），那么电流的变化值实际上更大。所以，一般在电路中会考虑串联一个阻值相对高的分流电阻REXT，以降低电压与电流变化曲线的斜率。
下面以一个24V的电压源供电为例，在此例中，将电压限定在22.8～25.2V之间，仍旧以1W白光性LED作为负载，正向电流350mA时典型压降为3.42V压降偏差为2.79～3.99V。当3个LED光源和分流电阻REXT串联，其正向压降的典型值为10.26V，在350mA的工作电流下，所需的总电阻为39.26Ω，ESR的总电阻值为3Ω，当外接电阻选用为40Ω时电流结合电源及正向压降的差异，其最大最小值如下式
从上式可以看出，电流变化量的比率为1.55:1，并且最大电流超出标准电流11.7%，最小电流仅为标准电流的72%，正常运行时在外接电阻上的功耗达到了14W，占总功耗的82%。可以看出在用电压源作为驱动时，因为要增加阻值相对较大的限流电阻，所以在电路不可避免的存在效率低、热损耗大，而且要求电压源的输出精度较高。而且在一般的电路连接中通常采用串并联的结构，由于LED本身导通压降的差异会导致各并联回路中产生不同的工作电流，致使发光的均匀度降低。而若采用电流源进行驱动，由于输出的电流值恒定，则不存在限流电阻，相对来说电路的效率会大大提高。
三、两种电源驱动模式在连接电路中的比较
以使用最多的LED混联结构为例，LED的混联结构兼具了串联和并联的优点，也补偿了各自的弱点。在运用中如果对使用电压源和电流源进行比较，可以看出在电压恒定与电流恒定的状态下，对于单个器件的效果是截然不同的。
如上图所示，假设LED光源的内部串联电阻（ESR）阻值为R，采用3*3的混联模式，在不考虑导通压降的情况下，单个LED光源的电流值为U/3R。
采用电压源控制，回路中某个LED光源发生故障而短路时，其他回路不受影响，但故障回路的电流为U/2R，较之前增加了1.5倍。所以在使用电压源进行驱动时必须在每个串联支路内采用一定的限流电阻避免引起电流的大幅度变化。而当故障LED因短路彻底烧断形成开路时，因为电压恒定，所以其他回路的电流影响不大。
采用电流源控制时，当单个LED发生故障短路时，由于总电流的恒定，经过计算在故障回路的较之前增加了1.29倍。但是当形成开路时，整个LED串被断开，致使电压与之前相比升高了1.5倍，其他LED光源的电流也提高了1.5倍。
因LED器件的故障以短路居多，开路的情况较少，所以在实际运用中采用电流源进行驱动与电压源相比在对于器件的保护、以及整体功耗的控制上更具优势，而当故障回路开路时，电流源驱动则需要一定的检测反馈回路来进行限制，避免故障回路的断开提高整体的电流值。
而采用均流电路则可以有效的避免因为电路开路造成的电压增大，如下图所示：
各支路的电流平均分配依靠晶体管参数的完全匹配，依靠偏置总线实现电流分配，当LED串发生开路故障，均流电路能把总电流在其余串中平均分配，以这种方式保持输出亮度。
四、结论
采用电压源对LED光源进行驱动，因LED光源本身存在较小的ESR，细微的电压变化会引起较大的电流变化，所以回路中必须增加一定的限流电阻，避免一旦发生短路故障造成电流的大幅上升。而采用电流源进行控制，在回路开路的情况下容易引起并联电路电压及电流的升高，可以采用均流电路并增加反馈来实现合理的保护。
参考文献：
[1]王雅芳编著 《LED驱动电路设计与应用》
[2]周志敏 纪爱华编著《太阳能LED路灯设计与应用》
[3]周志敏 周纪海 纪爱华编著《现代开关电源控制电路设计及应用》
[4]王健、黄先等 《温度和电流对白光LED发光效率的影响》
[5]毛兴武 张艳霞《新一代绿色光源LED及其应用技术》