讓LED更高效的驅動設計(1)
1 引言
led的市場越來越廣闊，究其原因，無外乎低廉的生產成本、高可靠性、極佳的效率以及瞬態響應能力，無論是手持終端設備，還是車載乃至建筑照明，無不在用到LED。白熾燈在現在的生活中雖然還是應用的主力，白熾燈泡可以發出各種各樣的光線，但是在具體的應用中我們通常只需要綠色、紅色以及黃色光線--例如交通信號燈。若要使用白熾燈泡，則需使用一個濾波器，這會浪費一些光能，而LED則可以直接產生所需顏色的光線，并且在上電時，LED幾乎是瞬間發光，而白熾燈則需要200mS的響應時間。因此，LED比白熾燈更能使用這個時代的用電需求。
2 LEDI-V特性
圖1顯示了典型InGaAlPLED的正向電壓特征。您也可以把LED作為電壓源與電阻串聯建模，并查看模型與實際測量之間的密切關聯性。電壓源擁有一個負的溫度系數，當結溫上升時，電壓源的正向電壓會發生負的變化。InGaAlPLED（黃色和琥珀紅）的系數在-3.0mV/K到-5.2mV/K之間，而InGaNLED（藍色、綠色以及白色）的系數則在-3.6mV/K和-5.2mV/K之間。這就是為什么不能直接對LED進行并聯的一個原因。產生熱量最多的器件往往需要更大的電流，更大的電流會產生更多的熱量，進而引起散熱失控。
圖1 LED作為電阻與電壓源串聯建模
圖2顯示了作為工作電流函數的相對光輸出（光通量）。很明顯，光輸出與二極管電流是密切相關的，因此可以通過改變正向電流進行調光。并且，在電流較小時，曲線幾乎是一條直線，但是在電流增大時，其斜率變小了。這就是說，在電流較低的時候，若將二極管電流增大一倍，則光輸出也會增加一倍；但是電流較高的時候，情況就截然不同了：電流上升100%僅能使光輸出量增加80%。這一點很重要，因為LED是由開關電源驅動的，這會導致在LED中產生相當大的紋波電流。實際上，電源的成本在某種程度上是由所允許的電流大小決定的，紋波電流越大，電源成本就越低，但光輸出會因此受到影響。
圖2 電流超過1A以上，LED效率就會降低
圖3量化顯示了疊加于DC輸出電流之上的三角紋波電流所引起的光輸出的減少。在絕大多數情況下，該紋波電流的頻率高于肉眼可以看到的80Hz。并且，肉眼對光線的響應是指數式的，不能察覺出小于20%的光線減弱。因此，即使LED中出現相當大的紋波電流，我們也不會察覺出光輸出的減少。
圖3 紋波電流對LED光輸出的輕微影響
此外，紋波電流還通過提高功耗而影響LED性能，這可能導致結溫升高，而且對LED的使用壽命有重大影響。圖4給出了一個例子，其中LED的相對光輸出是時間和結溫的函數。如果我們確立了LED的使用壽命光輸出為額定的80%，則LED的使用壽命將從74攝氏度時的10000小時延長到63攝氏度時的25000小時。
圖4 高結溫會縮短LED的使用壽命
圖5量化顯示了由于紋波電流造成的LED功耗的增加。與LED的散熱時間常量相比，由于紋波頻率較高，因此高紋波電流（以及高峰值功耗）不會影響峰值結溫，其是由平均功耗決定的。LED的大部分壓降就像一個電壓源，因此電流波形對功耗沒有影響。然而，壓降有一個電阻分量，并且功耗由該電阻乘以均方根（RMS）電流的平方決定。
圖5還闡明即使是在紋波電流較大的時候，對功耗也沒有重大影響。例如，50%的紋波電流僅增加不到5%的功率損耗。當大大超過此水平時，您需要減小電源的DC電流以保持結溫不變，從而維持半導體的使用壽命。根據經驗結溫每降低10攝氏度，半導體的使用壽命就會延長兩倍。并且，由于電感的限制許多的設計都傾向于更小的紋波電流。絕大多數的電感的設計旨在處理小于20%的Ipk/Iout紋波電流比率。
圖5 紋波電流增加了LED的功耗