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LED的高效驱动分析与典型应用方案

2009-07-31 15:24
Minor昔年
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        引言

        随着生产成本的降低,LED的应用范围越来越广,包括手持终端设备、车载以及建筑照明。高可靠性、极佳的效率以及瞬态响应能力使得它们成为很好的光源。尽管白炽灯泡的成本很低,但是多次更换白炽灯泡也将是一笔很大的开销。路灯就是个很好的例子,完成此项工作需要一组工作人员及一辆卡车对故障灯泡进行更换。因此,在此类应用中,使用 LED 可以大大降低成本。虽然 LED 和白炽灯泡的效率几乎相同,但在路灯应用中,有时会因为一些原因,用 LED 代替白炽灯泡,这样不但可以提高可靠性,而且还能节省能源。

        白炽灯泡可以发出各种各样的光线,但是在具体的应用中,通常只需要绿色、红色以及黄色光线——例如交通信号灯。若要使用白炽灯泡,则需要一个滤波器,这会浪费掉 60% 的光能,而 LED 则可以直接产生所需颜色的光线,并且在上电时,LED 几乎是瞬间发光,而白炽灯则需要 200ms的响应时间。因此,在刹车灯设计中采用了 LED。另外,LED 将作为光源在 DLP 视频应用中使用,以替代机械汇编 (mechanical assembly),其可进行高频率的切换。

        LED的I-V 特性

        图1显示了典型 InGaAlP LED(黄色和琥珀红)的正向电压特性。也可以把 LED 作为电压源与电阻串联建模,并查看模型与实际测量之间的良好关联性。电压源有一个负的温度系数,当结温上升时,电压源的正向电压会发生负的变化。InGaAlP LED的系数在-3.0mV/K~-5.2mV/K 之间,而 InGaN LED(蓝色、绿色和白色)的系数则在-3.6mV/K~-5.2mV/K 之间。这就是为什么不能直接对 LED 进行并联的原因。产生热量最多的器件需要更大的电流,更大的电流会产生更多的热量,进而引起散热失控。

图1 LED作为电阻与电压源串联建模

图1:LED作为电阻与电压源串联建模

        图2显示了作为工作电流函数的相对光输出(光通量)。很明显,光输出与二极管电流是密切相关的,因此,可以通过改变正向电流进行调光。并且,在电流较小时,曲线几乎是一条直线,但是在电流增大时,其斜率变小了。这就是说,在电流较低的时候,若将二极管电流增大一倍,则光输出也会增加一倍;但是电流较高的时候,情况就不是这样了:电流上升 100% 仅能使光输出量增加 80%。这一点很重要,因为 LED 是由开关电源驱动的,这会导致在 LED 中产生相当大的纹波电流。实际上,电源的成本在某种程度上是由所允许的电流大小决定的,纹波电流越大,电源成本就越低,但光输出会因此受到影响。

图2 电流超过1A以上,LED效率就会降低

图2:电流超过1A以上,LED效率就会降低

        图3量化显示了叠加于 DC 输出电流之上的三角纹波电流所引起的光输出的减少。在绝大多数情况下,该纹波电流的频率高于肉眼可以看到的 80Hz。并且,肉眼对光线的响应是指数式的,不能察觉出小于 20% 的光线减弱。因此,即使 LED 中出现相当大的纹波电流,也不会察觉出光输出的减少。


图3 纹波电流对LED光输出的轻微影响

图3:纹波电流对LED光输出的轻微影响

         纹波电流也通过提高功耗而影响 LED 性能,这可能导致结温升高,并对 LED 的使用寿命产生重大影响。

        图4 量化显示了由于纹波电流造成的LED功耗的升高。与LED的散热时间常量相比,由于纹波频率较高,因此,高纹波电流(以及高峰值功耗)不会影响峰值结温,它是由平均功耗确定的。LED的高压降如一个电压源,因此,电流波形对功耗没有影响。不过,压降有一个电阻分量,并且功耗由电阻乘以均方根 (RMS)电流的平方确定。


图4 纹波电流增加了LED的功耗

图4:纹波电流增加了LED的功耗

        图4 也阐明了即使在纹波电流较大的时候,对功耗也没有重大影响。例如,50%的纹波电流仅增加不足5%的功率损耗。当大大超过此水平时,需要减小电源的DC电流以保持结温不变,从而维持半导体的使用寿命。经验法则显示,结温每降低10%,半导体使用寿命就会延长两倍。并且,许多设计都倾向于更小的纹波电流,这是因为电感器的限制。绝大多数电感的设计处理能力小于20%的Ipk/Iout纹波电流比率。

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