LED驅動電路

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成指數關係的LED順向偏壓與電流曲線,輕微的順向偏壓(ΔV)會導致非常大的電流變化(ΔI)

電子學領域裡,LED驅動電路LED circuit,又譯發光二極體電路),為發光二極體燈具的核心器件,是一個用來使發光二極體(LED)發亮的電路

隨著全球倡導綠色照明以及節能的迫切需求。越來越多的照明產品進入到發光二極體光源的時代。而作為發光二極體燈具的核心器件,LED驅動晶片扮演著越來越重要的角色。

推動LED時,其最終目的都是要控制流經LED的電流以達到或貼近原有設計要求的數值,並使其穩定而不受或減少被電源電壓溫度順向偏壓差異等因素影響,從而得到所需光度、防止LED壽命減短或被損壞。

LED工作於直流電,其順向偏壓與電流成指數關係,因此極細小的電壓變化也會使其電流、光度有很大變化,嚴重的更會因為功耗過高而永久損壞。

概述[編輯]

目前發光二極體驅動晶片按類型可分為:恆壓式驅動晶片、恆流式驅動晶片以及脈衝式驅動晶片。其中恆壓式驅動晶片一般就是我們常見的DC/DC升壓晶片居多。這種方案的優點是晶片成本便宜沒有複雜的外圍電路。但只能恆定電壓驅動LED就會造成驅動輸出時電路電流的不可控。無法保證LED亮度的一致性。

恆流式驅動晶片則解決了之前恆壓式驅動的電流不可控問題。目前比較好的恆流晶片可以做到1%左右的恆流精度,而且有簡易的外圍控制介面可靈活設置所需輸出的電流大小所以倍受歡迎。但是這類晶片價格比恆壓晶片價格高許多且外圍電路複雜。同時因為恆定輸出電流所以整個晶片的在電池作為供電的時候放電會比較快。

目前脈衝式驅動晶片是以高頻率的脈衝發生器輸出介面向LED燈供電。因為是脈衝信號頻率很高所以人眼根本無法感覺出LED的頻閃,所以這個方式即符合了視覺需要又在一方面有效節約了電能輸出。而且這類型晶片的工作頻率一般可由外部介面控制。但是目前該類型晶片震蕩頻率一般在100KHz~500KHz範圍。所以目前的驅動能力僅僅適合小功率應用。但是相信在不久的將來會提升到大功率LED驅動的場合。

極性[編輯]

LED 極性[1]

由於LED工作於直流電,連接線路時必須確保極性方向正確才能正常工作。與二極體一樣,LED的接腳分正極(陽極、+)及負極(陰極、-),電流必需由正極流向負極,LED才能發光

LED接腳的極性一般可以由其封裝上看出,但不同封裝其標示方式也不同。除封裝外,也有其他途徑得知LED的極性,以下列出常見的標示方法:

端子名稱: 陽極 陰極
極性:
符號: +
插入式封裝
thru-hole
接腳長度
內部接點外觀
(部份廠商不依規范,不可盡信)
大而平
外殼邊緣形狀
PCB焊盤形狀
PCB上的焊盤編號 2 1
貼片封裝

SMD

封裝上的記號 一橫劃
PCB上的焊盤編號 2 1


另外也可以由以下方法找出:

  • 生產商資料中找出。
  • 萬用錶測試。模擬式萬用錶可以用電阻擋測試(注意模擬式萬用錶測試針的正負極是倒轉的的);數字式萬用錶大多有測試二極體的功能,但兩者能測的最高偏壓都有限制,模擬式萬用錶受內部電池所限,數字式萬用錶則因廠方設計而異。
  • 低壓恆流源也是理想的測試工具。例如用固定電壓電源串連一個電阻。

電阻推動[編輯]

以電阻控制電流的基本LED推動線路
LED串聯電路
當LED總順向偏壓接近或高於電源電壓時以多枚電阻控制電流

要推動LED就要控制流過LED的電流,基本推動法方就是將LED跟電阻串聯,以電阻限制電流在一定的範圍內。這個方法好處是簡單、成本低,但缺點是不少能量在電阻轉化為熱能而浪費掉,而且LED的光度也隨著溫度、電壓、LED生產時的特性差異而有比較大的變化。

以電阻控制LED電流時,其電阻計算方法如下:

I_R={V_s-V_f \over R} 由於LED與電阻串聯,流經電阻之電流=流經LED之電流,因此
I_D={V_s-V_f \over R}

而需電阻值為:

R={V_s-V_f \over I_D}

當中

I_R 為流經電阻的電流,
I_D 為流經LED的電流,
V_s 為電源電原,
V_f 為LED的順向偏壓。

當多於一枚LED時,最好使用串聯接法,這可使不同的LED都有相同的電流,總順向偏壓在串聯時就等於各LED順向偏壓的總和。LED順向偏壓的總和越接近電源電壓,電流就越不穩定。如果LED的數目多至其所需總順向偏壓接近或高於電源電壓,那就需用多個限流電阻分別對個別LED串作電流控制。

把LED並聯非不可行,一般都盡量避免,因為生產過程做成的特性差異會使每枚LED的順向偏壓有輕微的分別,但並聯時各LED的順向偏壓一樣,流經各LED的電流就會有差異而導致光度、壽命不一致,所以需要把LED作特性配對才能保持光度接近,對零件供應、成本等造成壓力。

以半導體構成的恆流源推動LED[編輯]

半導體可以構成相當穩定的恆流源,較以電阻控制電流穩定得多。一枚或多枚電晶體也可以構成簡單的恆流源,電晶體構成的恆流源簡單、成本低,使用運算放大器可以有更精確的電流控制,但線路較複雜,而且需要另加一個參考電壓源,成本大很多。這些線路的電流控制已相當精確,特別是使用運算放大器的線路,但功耗大、效率低的問題仍然是無法解決,對於大功率LED並不合適。最主要的原因是由於以線性方式控制電流,功耗消耗在電流控制元件內。

有些集成電路專為推動LED而設計,其檢測點做成的電壓降可以低至~0.2V的級數,這些集成電路多數都以開關式電源轉換]以控制LED電流恆定,開關式轉換配合mV級的檢測點電壓降使整體功耗十分低,但也有集成電路採線性電路控制LED的電流,例如安森美半導體有集成電路設計用於單一枚鋰離子電池下推動白色光LED,由於採用線性電路,因功耗問題,輸出電流不能太大。

光度控制[編輯]

要改變LED的光度有兩種方式:直接改變流過LED的電流,或以快速開關LED以達至改變LED的平均功耗。

要設定LED光度,最直接的方法就是設定LED的電流,LED光度與電流並不成線性關系,要知道什麼的電流值才可以達到預期的光度,可以參考生產商資料提供有關電流與光度關係的資料,又或以可變電流源推動LED下找出合適電流值。
但LED光度與電流並不成線性關系,若在使用中須要調變光度,以線性電路產生所需控制訊號的改變較難達至預期相對應的光度變化。

D是占空比,D=0%時LED全閉,D=100%時LED全導通,改變占空比可任意調變LED光度

另一改變LED光度的方法是快速開關LED,以脈衝寬度調製Pulse width modulation - PWM),在每個重複的開關週期內,改變導通與關閉的時間比例(也即是占空比),改變流經LED的平均電流(平均功耗),從而控制LED的光度,由於LED導通時工作在較大電流,偏壓比連續導通高,因此消耗在控制元件上的功耗較少,效率略高。只要閃爍頻率高於人眼的視覺暫留,LED看起來就象連續發光一樣。而只要改變占空比,LED的光度就能在使用中調變。

在白色LED使用脈衝寬度調製控制LED光度有另一好處,白色LED的色溫隨電流強弱而轉變,在脈衝寬度調製控制下,導通電流在不同光度下都不變,因此能在不同光度保持色溫不變。

參考文獻[編輯]

  1. ^ Plastic infrared light emitting diode. Fairchild Semiconductor. 2001-10-31 [2009-05-15].