LED新光源的驱动技术探讨

　　摘要：被视为本世纪省电环保照明之星的高亮度LED,已经成为各国厂商积极进入的领域,未来白光LED的应用市场将非常广泛,包括手电筒、装饰灯、LCD背光源、汽车内部照明市场、投影灯源等,不过最被看好以及最大的市场还是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯。
　　关键词：LED，新光源应用技术
　　1.LED光源的概念
　　LED（LightEmittingDiode），又称发光二极管，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生光。
　　应用半导体PN结发光的原理制成的LED问世于20世纪60年代初，1964年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色LED。直到1994年，蓝色、绿色LED才研制成功。1996年开发出白色LED。
　　2.LED发光原理
　　发光二极管主要有PN结芯片、电极和光学系统组成。起发光体—晶片的面积为10.2mil（1mil=0.0254平方毫米），目前国际上出现大量晶片LED，其晶片面积达40mil。
　　其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。
　　3.LED的主要特点
　　3.1发光效率高：LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明／瓦，荧光灯50～70流明／瓦，钠灯90～140流明／瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50～200流明／瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。
　　3.2耗电量少：LED单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15～18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。
　　3.3使用寿命长：采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。光衰为初始的50%。LED灯具使用寿命可达5～10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯。
　　3.4安全可靠性强：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。
　　3.5有利于环保：LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。
　　3.6响应时间短：白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。
　　4．LED的主要应用
　　LED广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见。但由于其亮度差、价格高，一直不能大范围的推广使用，特别对于大功率的白光LED的开发应用对未来照明具有革命性的意义。
　　5．LED的发展进程
　　2006年初，国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，“高效节能、长寿命的半导体照明产品”被列入中长期规划第一重点领域（能源）的第一优先主题（工业节能），在国内外引起广泛关注。2006年10月，国家“十一五”863计划“半导体照明工程”重大项目正式启动。我国半导体照明产业正在进入自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇期。
　　“十一五”国家半导体照明工程的发展，将重点围绕半导体普通白光照明的目标，强调创新性，突破白光照明技术的部分核心专利，实现重点跨越；强化技术集成，围绕重大战略产品，产学研上下游联合攻关，解决制约产业发展的共性关键技术；实施产业技术联盟与人才培养、基地建设战略，建立完善的技术创新体系与特色产业集群，提升产业持续创新的能力，最终形成有自主知识产权和中国特色的半导体照明新兴产业。
　　随著不可再生资源存量日渐减少并带来污染，生态环境严重受到影响，市场著眼点逐渐转投至再生清洁能源的发展，以及所造就绿色经济的投资机遇。业内人士认为，新能源在低碳经济正扮演一个相当重要的角色，当中led技术可望成为国家其一关键性的领域。由此，国际上的一些专业从事照明的大公司投入巨资，对大功率、高亮度LED进行了研究和开发，使其亮度得到了大幅度的提高，成本进一步降低。这将给新光源与新能源照明制造企业带来巨大的机遇与挑战。
　　新光源与新能源照明行业是个朝阳产业，其增长速度之快可以说是极为惊人。我国国内新光源与新能源照明行业也正处于高速发展阶段。随着新光源与新能源照明产品技术不断更新与进步，新光源与新能源照明将会取代传统光源在照明行业中得到普及，从而将引发照明行业的一场革命。
　　目前我们国家的“十城万盏”LED应用试点示范城市建设正在如火如荼进行中，这些对LED新光源的产业有着积极的推动作用。由此，本文对高亮度LED的照明驱动提出个别方案，供大家交流探讨。
　　6．LED驱动方案
　　根据驱动电源的不同，LED照明通常可以划分为交流-直流(AC-DC)LED照明、直流-直流(DC-DC)LED照明电源以及电池供电的LED手电筒等不同类型，LED灯具及其功率也各不相同，如3WPAR16、3×2WPAR20、10W/15WPAR30、15W/22WPAR38、1WG13、3WGU10、1WMR11、3WMR16、3W/9W/15W嵌灯、1WLED阅读灯等。
　　AC-DCLED照明应用中，小功率的LED应用通常以恒流(CC)来驱动，而恒压(CV)功能是在输出开路的情况下作为保护功能。大功率的LED应用可能需要在电路中增加功率因数校正(PFC)，其中的AC-DC转换与LED驱动两部分电路既可能采用整体式(integral)配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，也可以采用分布式(distributed)配置，从而简化安全考虑，并增加系统灵活性。
　　从应用的具体功率范围来看，AC-DCLED照明应用主要包括：
　　• 1W-8W：G13/GU10/PAR16/PAR20照明；8W-25W：PAR30/PAR38照明
　　• 50W-150W：区域照明;100W-300W：区域照明
　　7．8W-25WAC-DCLED照明驱动方案
　　美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR™)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9。但这标准属于自愿性标准，即可以选择不遵从或是遵从。
　　相应地，在8W-25WAC-DCLED照明应用中，我们考虑两种情况，一种是应用没有功率因数要求，即不需采用PFC控制器，另一种是要求采用PFC控制器。在不需要PFC的应用中，我们假定输入电压规格为90~132Vac或180~264Vac(或通用输入)，能效达85%，提供短路保护及开路保护等保护特性，输出电流为350mA、700mA及1A恒流，相应地可以采用安森美半导体的NCP1028或NCP1351。其中，NCP1028是一款增强型单片开关稳压器，适用于在通用主电源输入的应用中提供数瓦至15W的输出功率。NCP1028的导通阻抗比NCP101x更低，提供800mA峰值电流，具备NCP101x的诸多特性，此外还提供过功率保护、内置斜坡补偿及输入欠压保护等特性。NCP1351则是一款固定导通时间、可变关闭时间脉宽调制(PWM)控制器，适用于成本至关重要的低功率离线反激开关电源应用。这器件支持频率反走，还具有闩锁输入、自然的频率抖动、负电流感测及扩展的电源电压范围等特性。图1显示的是90至264Vac输入条件下基于NCP1351的8W-25WLED照明方案。
　　
　　（图1：基于NCP1351的8W至25WAC-DCLED照明应用电路示意图）
　　
　　（图2：基于NCP1607/8PFC控制器的8W-25WAC-DCLED照明应用示意图）。
　　需要PFC的8W-25WAC-DCLED照明应用中，假定输入电压规格为90至264Vac，功率因数高于0.9，能效达80%，提供短路及过功率保护，输出电流同样有350mA、700mA和1A等不同选择。在这类应用中，可以采用安森美半导体的NCP1607或NCP1608PFC控制器。NCP1607是一款高性价比的临界导电模式(CrM)PFC控制器。这器件与业界标准引脚对引脚兼容，简化工程师的设计。可调节的过压保护(OVP)及环路开路保护等功能也增强了设计灵活性及强固性。图2展示的是NCP1607/NCP1608在85至135Vac或185至264Vac输入条件下的LED照明应用方案。