高效率LED驱动电源设计

本文摘要：随着LED生产成本上升，更加多应用于开始使用这类组件，还包括手执装置、汽车电子和建筑灯光等。LED享有高可靠性、较好效率和超快响应速度，所以很合适作为灯光光源。虽然白炽灯冷水的成本很低，更换费用却有可能很便宜。街灯就是很好的例子，替换一个故障灯泡往往必须派出多位人员和一辆卡车。 也因为如此，尽管LED和白炽灯冷水的效率大体大于，许多街灯却使用可靠性更高且更加省电的LED。 白炽灯虽能收到连续光谱，却常用于交通号志等只需绿光、红光和黄光的场合。

随着LED生产成本上升，更加多应用于开始使用这类组件，还包括手执装置、汽车电子和建筑灯光等。LED享有高可靠性、较好效率和超快响应速度，所以很合适作为灯光光源。虽然白炽灯冷水的成本很低，更换费用却有可能很便宜。街灯就是很好的例子，替换一个故障灯泡往往必须派出多位人员和一辆卡车。

也因为如此，尽管LED和白炽灯冷水的效率大体大于，许多街灯却使用可靠性更高且更加省电的LED。　　白炽灯虽能收到连续光谱，却常用于交通号志等只需绿光、红光和黄光的场合。这类应用于需在白炽灯外安装一个特定颜色的滤片，但它不会导致六成的光能浪费。LED则能产生特定颜色的光，而且只要接上电源才可立刻发光，不像白炽灯必须200ms的反应时间，因此汽车产业早已将LED用作车灯。

另外，DLP视讯应用于也以LED作为光源，利用高速电源的LED代替原先机械组件。　　LED的I-V特性　　图1是典型InGaAlPLED的相反电压特性。

LED电路模型可回应为一个电压源串联一个电阻，这个非常简单模型与实际测量结果很相符。电压源为负温度系数，因此相反电压不会随着接面温度增高而上升。InGaAlPLED（黄色与琥珀白）的温度系数在-3.0～-5.2mV/K之间，InGaNLED（蓝、蓝和白色）则介于-3.6～-5.2mV/K之间。

负温度系数是导致LED很难并联的原因之一，因为就越冷的组件不会吸取越少的电流，越少的电流又不会让它的温度更进一步增高，最后就变为热失控。　　　　图1以电压源和串联电阻作为LED电路模型后获得的I-V特性曲线　　图2是输入光强度（光通量）与操作者电流的关系，可以显现出输入光强度与二极管电流的关系很紧密，只要转变相反电流就能调整LED的亮度。

另外，这条曲线在电流较小时很看起来一条直线，但其斜率在电流增高时会显得较小。这回应当电流较小时，只要二极管电流加倍就不会让输入光强度加倍。电流较小时则非如此，此时电流加倍只不会让输入光强度提升八成。

这项特性对LED很最重要，因为它是由交换式电源所驱动，所以可能会遇上相当大的纹波电流。只不过电源供应的成本在或许上就是由所容许的电流要求：纹波电流越大，电源供应的成本就就越较低，只不过LED的输入光强度也不会受到影响。

　　　　图2LED效率在电流多达1A后开始上升　　图3是把三角纹波电流特到直流输入电流后，输入光强度增加的情形。由于纹波电流的频率在多数情形下都远超过人眼所能辨别的80Hz，再行再加人眼对光强度的反应又呈现出指数关系，只要光强度增加不多达20%就会被找到，因此就算LED电流的纹波相当大，光强度也会显著弱化。

　　　　图3纹波电流导致LED输入光强度稍微上升　　纹波电流还不会减少LED耗电量，导致接面温度下降，并对LED的使用寿命产生相当大影响。图4表明LED输入光强度与时间及接面温度的关系。我们原作80%的输入光强度为LED的使用寿命，则从图4中可显现出，当温度从74℃降到63℃时，LED使用寿命不会从10000小时减少为25000小时。　　　　图4接面温度增高不会延长LED的使用寿命　　图5是纹波电流导致LED功耗减少的情形。

由于纹波频率比LED的热时间常数低，因此就算纹波电流相当大（以及峰值功耗相当大）也会影响峰值接面温度这个温度主要是由平均值功耗要求。LED的大部份电压叛就看起来一个电压源，所以电流波形会对功耗导致影响。然而电压叛中仍不会有某些电阻分量，这部份的功耗相等电阻值除以皆方根电流的平方。

　　　　图5纹波电流造成LED耗电量减少　　从图5还能找到就算纹波电流很高，也会对LED功耗导致过于大影响。举例来说，当纹波电流超过输入电流的一半时，耗电量只不会减少将近5%。但若纹波电流相比之下远超过这个水平，设计人员就必需增加电源获取的直流电流，防止接面温度增高而影响组件寿命。一个非常简单的经验法则是：接面温度每减少10℃，半导体组件寿命就不会缩短一倍。

另外，多数设计由于受到电感的容许，都会尽可能减少纹波电流，因为大部分电感不能应付20%以下的Ipk/Iout纹波电流比。

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