LED的驱动电源：LED知识(十)

施克孝

（中广国际建筑设计研究院，北京 100034）

1 LED的伏安特性

任何一个二极管，都可以用电流随电压变化的关系曲线描述其特性。因为电压的单位是“伏”，电流的单位是“安”，因此，电流随电压变化的关系曲线称为“伏安特性曲线”。LED的伏安特性曲线如图1所示。

图1 LED的伏安特性曲线

从LED的伏安特性曲线可以看出以下几点：

（1）在LED外加正向偏压时，产生正向电流。开始电压值较小时，电流很小，LED不发光，如图中的0到a点这一段。只有电压超过一定数值（图中的a点）后，电流才随电压的增加迅速增加，LED发光。因此，a点的电压值称为开启电压。

（2）图中的b点是正常工作时电压和电流的数值。不同功率、不同材料的LED的工作电压也略有不同，例如，AlInGaP LED的正向电压降UF为3 V， InGaN LED的正向电压降UF为3.4 V。当然，LED正常工作时的电压和电流（b点）都有一个上下浮动的工作范围，电压低一些，电流就会小一些，但这时发光也会少一些；电压高一些，电流就会大一些，发光也会多一些，但电压过高LED会因电流过大而烧毁。一般b点应选在发光效率相对较高的区域。

（3）LED如果外加反向偏压，只有少量的反向电流流过P-N结。反向电流的数值非常小，在一定电压范围内，反向电流Is基本不变（一般为几微安），称为反向饱和电流。但反向电压大到一定数值时，电流曲线会出现拐点（图中c点），到了图中的d点，会出现反向击穿现象。例如，AlInGaP LED的反向击穿电压为-20 V，而InGaN LED的反向击穿电压只有-7V。

由此可见，LED与普通二极管的主要区别有两点：一，它在正向偏压下工作并发光；二，它的正向压降比普通整流二极管要大。

2 驱动电源

能够使LED发光的电源一般称为“驱动电源”。本来就是给LED供电的电源，为什么要加上“驱动”两个字呢？这里有两层含义：其一，是在LED的P-N结两端要加上一个“合适”的电压，驱使其发光；其二，是因为LED具有负温度系数特性。所谓负温度系数特性，就是P-N结的温度升高时，LED的内阻反而变小，从而LED本身的电压降减小；LED的电压降变小了，电流会增大；电流变大了，结温进一步升高，结温升高会使LED的内阻进一步减小，电流又继续增加。这样的恶性循环会烧毁LED器件。LED的负温度系数特性就要求其供电电源保证LED不被烧毁（不因驱动电源的原因烧毁），并且要保证其工作状态的稳定，因而产生了“驱动”的概念。

LED的驱动电源可以是电池加上附属电路实现，也可以是交流电源通过整流滤波及附属电路实现。大功率LED的驱动电源一般都是交流电源供电。

3 驱动电源的分类

驱动电源一般按两种方式分类。

3.1 按驱动方式分类

（1）恒压驱动

顾名思义，驱动电源的输出电压是恒定不变的。因为输出电压不变，LED的内阻因某种原因变小时，回路电流会变大；LED的内阻因某种原因变大时，回路电流会变小。

从图1可以看出，LED正向伏安特性的工作区域具有“恒压”特性，即正常工作时在很大的电流变化范围内，电压变化很小；电源很小的电压变化，会产生很大的电流变化，造成LED失控或损坏。故恒压驱动电源不宜在大功率LED灯具中使用，即使小功率LED也要加限流电阻等保护措施。

恒压驱动电源“最怕”回路短路。为了避免回路短路造成元器件损坏，使用的恒压驱动电源都应有过电流保护功能。

（2）恒流驱动

恒流驱动就是输出电流恒定的驱动电源。因输出电流不变，故当LED的内阻变小时，其电压会变小；反之，当LED的内阻变大时，其电压也会变大。

应该说，恒流驱动比恒压驱动更合理，因为LED的发光效率取决于流过它的电流。当然，恒流驱动也有弱点，它“最怕”开路（断开电路）。为了避免回路开路造成元器件损坏，大功率驱动电源都有过电压保护功能。

3.2 按电路结构分类

按电路结构可分为电阻降压式、电阻电容降压式、变压器降压式、PWM（脉宽调制）控制式等。影视、舞台行业照明最常用的方式就是PWM控制式。

4 驱动电源的主要技术要求

对大功率LED驱动电源的主要技术要求有：

（1）驱动电源的输出电压要大于LED的工作电压，如果是多个LED串联，驱动电源的输出电压要大于多个LED串联电压之和；驱动电源的输出电流要大于LED的工作电流，如果是多个LED并联，驱动电源的输出电流要大于各个支路的电流之和。也就是说，驱动电源的输出功率要大于LED的总使用功率，通常驱动电源的输出功率要留有一定的余量。

（2）在满足LED正常工作的前提下，驱动电源自身的功率消耗要尽可能小，静态电流也要小，即驱动电源自身的效率要高。

（3）要求有过电压及过电流保护措施。

（4）为便于小尺寸封装，外围组件要少而小，所占印刷电路板面积小。

（5）安装及维护使用方便。

（6）驱动电源工作时对其他设备的电磁干扰要符合相关的电磁兼容标准。

（7）对于有调光要求的LED光源或灯具，驱动电源的输出电流要可调，并可设定电流的大小。

（8）尽可能高的使用寿命。目前，驱动电源是LED灯具使用寿命的瓶颈之一，它的寿命往往决定着灯具的使用寿命。驱动电源的寿命又主要取决于电解电容的寿命。目前正在进行无电解电容LED驱动电源的研制，以期从根本上消除制约LED驱动电源的瓶颈。

5 几种LED接线方式

（1）LED全串联电路

驱动电源驱动全串联方式的LED，如图2所示，其优点是流经所有LED的驱动电流是一样的，这样可以保证LED的亮度、颜色和色温最接近。

在多个LED串联的情况下，如果有一个LED发生短路，就会变成图3那样。如果采用恒压驱动方式，因少了3号LED，其他4个LED两端的电压会升高，驱动电流会加大，容易造成剩余LED的损坏。如果是恒流驱动，因驱动电流不变，一只LED短路，不会影响其他LED的正常工作。

如果3号LED不是短路，而是烧毁断开——这也是一种常见的故障——其他LED因无电流而全部不亮。为避免这种情况的发生，可以在每只LED上并联一个稳压二极管（也称齐纳二极管），如图4所示。如果3号LED开路，就会变成图5那样。3号LED断开后，驱动电源的电压会全部加到稳压二极管C上，致使稳压二极管C击穿导通。回路导通，剩余的4个LED发光。值得注意的是，稳压二极管的导通电压要略高于LED的导通电压，否则在正常情况下会造成稳压二极管导通而与其并联的LED不发光。

（2）LED全部采用并联方式

这种连接方式如图6所示，其驱动电源要求电压低，电流是各个LED的电流之和，因此电流大。驱动电源不管是恒压驱动还是恒流驱动，每个LED管两端的电压相同，若各个LED的内阻不同，就会造成各个LED发光亮度、颜色和色温等参数的较大差别。因此，这种电路要求各个LED的参数尽可能一致。采用这种连接方式，当其中一个LED烧毁开路，如果是恒压驱动，不会影响其他4个LED的正常工作；如果是恒流驱动，少了一个LED，其他4个LED的驱动电流会加大，容易造成其他LED的烧毁。如果并联的LED数量越大，这种影响越小。

图2 全串联方式LED电路

图3 一个LED短路的情况

图4 并联稳压管的LED串联电路（A）

图5 并联稳压管的LED串联电路（B）

图6 LED全部并联电路

图7 先串联后并联的LED混联电路

图8 先并联后串联的LED混联电路

（3）混联电路

先串联后并联的混联方式，如图7所示，保证了电路的可靠性（每一个串联支路的故障不会影响其他支路的正常发光），比单纯的串联形式可靠性高得多。如果是恒压驱动，一个支路断路，除整个灯具的亮度有所降低外，其他没有影响。若是恒流驱动，在并联LED支路数量较多的情况下，断开一个支路对其他支路的影响不大。这种电路由于通过每个支路的电流相近，所以LED的亮度基本一致。

另一种故障形式是，某一串联支路中的一个LED品质不良而短路时，不管是恒压驱动还是恒流驱动，由于该支路的总电阻减小，电流增大，会造成该支路其他LED的的损坏，最终会表现为该支路断路。

先串联后并联线路的优点是线路简单、亮度稳定、可靠性高，并对器件的要求相对较低，即使个别LED单管失效，对整个发光组件的影响较小。在工作环境因素变化较大的情况下，这种连接方式的发光组件效果较为理想。

先并联后串联的连接方式，如图8所示，要求每个并联LED的参数尽可能一致。如果参数差别较大，除亮度、色温不一致外，还容易造成个别LED的损坏。当有一个LED因品质不良而短路时，不管采用恒压驱动电源还是恒流驱动电源，并联在这一支路的LED将全部不亮（LED两端电压为零）。如果采用恒流驱动，除短路的一组LED不亮外，其余LED可正常工作。若并联的LED数量较多，流过短路的LED的电流较大，容易把其烧成断路。断开一个LED后，在并联LED较多的情况下，其余LED的电流增加不多，依然可正常工作。

在一台灯具中，如果有数十个甚至上百个LED，适宜采用图8的先并联后串联电路。这种连接方式实际上是一种交叉阵列式的连接方式，在LED众多的情况下，不管哪一个LED断路或短路，都可保证大多数LED的正常工作，因而提高了整个LED电路的可靠性。

舞台用LED灯具与民用LED灯具可能有较大区别。民用LED没有很高的调光要求，电源部分成本可省则省，电路相对简单。舞台LED灯具电源部分相对要复杂得多，一般由两部分组成：前级是一个稳压电源，将高压交流电变成低压直流电，后级是PWM的可调稳流驱动电路，业内常称为电源和驱动两部分。

目前，各大公司及研究机构对LED光源及其驱动电源的研究方兴未艾，已有各种形式的驱动电源可以选购。LED驱动电源的核心是LED驱动芯片，也称LED驱动器IC。近年来，国内外LED驱动芯片的厂家采用新技术、新工艺，相继开发出一大批性能先进、各具特色的专用集成电路。在影视、舞台灯具中，除驱动LED正常工作外，还有一些特殊的要求，例如累计LED灯具的总工作时间，以统计灯具的使用寿命；在灯具侧面用一块液晶屏显示（可控制轮换显示多个参数）光源的色温、电压、电流、温度等参数，以加强对灯光系统的数字化管理。

［1］沙占友等.LED照明驱动电源优化设计.北京：中国电力出版社，2011

［2］杨清德，杨兰云.LED及其应用技术问答.北京：电子工业出版社，2011

［3］周志敏，纪爱华.白光LED驱动电路设计与应用实例.北京：人民邮电出版社，2009