- 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲剛剛開始起步成本高
- 不一致性帶來的問題
- 驅(qū)動電路復(fù)雜成本高、故障率高
- 解決問題的方法與可行性分析
- LED的溫度依賴性
- 解決問題的方法可用自復(fù)位過流保護(hù)器WHPTC元件
一、剛剛開始起步成本高
照明成本不僅涉及燈具的初始成本，還涉及燈具所消耗的能源成本，燈具無法正常工作時更換燈具所需的勞動成本，以及所需燈具更換的平均頻率。從這一概念出發(fā)就很容易理解，為什么LED光源是白熾燈光源價(jià)格的50倍左右時，LED交通信號燈的市場就開始啟動，而當(dāng)達(dá)到28倍時，就已形成新興產(chǎn)業(yè)。目前半導(dǎo)體照明主要以光色照明和特殊照明為主，以后將向普通照明擴(kuò)展。具體來講，近幾年內(nèi)，半導(dǎo)體照明市場將廣泛應(yīng)用在各種信號燈、景觀照明、櫥窗照明、建筑照明、廣場和街道的美化、家庭裝飾照明、公共娛樂場所美化和舞臺效果照明等領(lǐng)域。事實(shí)上，我們身邊已經(jīng)隨處可見它的身影：電腦顯示燈、手機(jī)按鍵和屏幕的背光源、汽車尾燈、建筑物燈光、交通信號燈……等等。
二、不一致性帶來的問題：
理論上LED都一樣，都是能發(fā)光的二極管，而實(shí)際上所有LED的電性能都是有差異的，眾多的廠家都在搶生產(chǎn)進(jìn)度、抓數(shù)量；每個廠家的生產(chǎn)工藝是不一致的，甚至相差很大，就是同一廠家的不同時間的工藝都是有差異的；生產(chǎn)發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料的純度要求非常高，不同廠家使用的半導(dǎo)體原材料的純度是有差異的，這就使LED的發(fā)光強(qiáng)度與驅(qū)動電流是不完全相同的，或者相差很大，而且耐過電流能力和發(fā)熱的差異也就自然而然的不同了；由于封裝工藝和封裝材料的不同，使得整體的散熱能力是不一樣的，所有的廠家都在研究和開發(fā)新材料，以求解決組合材料的熱彭脹與散熱的問題。由此不難看出,LED發(fā)光二極管在短期內(nèi)仍存在個體之間的很大的差異，如果每個燈只用一個LED，那是很好控制的，而且是真正的長壽命，例如電視機(jī)、DVD上的電源指示燈就是如此；而當(dāng)我們用LED制作照明燈具時，就不是用單個的LED，而是用多個，或上百上千個LED排成陣列接入電路，再者，需要的亮度就不是指示燈所能做到的，而電流大了、小了亮度都要減弱，且會使壽命大打折扣，甚而致于未出廠就壞掉了；因LED的差異性總是存在的，在多個LED組成的連路中，當(dāng)有幾個壞掉時(通常是短路)，會使電流增大而損壞其他的LED。這就是不一致性帶的結(jié)果，也是制約其發(fā)展的因素之一。
三、驅(qū)動電路復(fù)雜成本高、故障率高
a.在電壓匹配方面，LED不象普通的白熾燈泡，可以直接連接220V的交流市電。LED是2--3.伏的低電壓驅(qū)動，必須要設(shè)計(jì)復(fù)雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源適配器。
b.在電流供應(yīng)方面，LED的正常工作電流在15mA-18mA，供電電流小于15mA時LED的發(fā)光強(qiáng)度不夠，而大于20mA時，發(fā)光了強(qiáng)度也會減弱，同時發(fā)熱大增，老化加快、壽命縮短，當(dāng)超過40mA時會很快損壞。為了延長LED照明燈的使用壽命，簡易電源是不能使用的，而常用集成電路電源、電子變壓器、分離元件電源等，但都要設(shè)計(jì)恒流源電路和恒壓源電路供電的方式，大電流驅(qū)動時，要配大功率管或可控硅器件，另加保護(hù)電路，這樣就使LED的電源供應(yīng)器電路很復(fù)雜，故障率增加。元件成本、生產(chǎn)成本、服務(wù)成本都將升高。而目前LED本身的成本就高，加上電源的成本，這就大大地限制了市場的競爭力與購買群體，LED照明燈的優(yōu)勢大打折扣，這也是制約其發(fā)展與普及的又一關(guān)鍵問題。
四、解決問題的方法與可行性分析：
解決問題的方法可用自復(fù)位過流保護(hù)器WHPTC元件
如果用WHPTC過流保護(hù)器作保護(hù)，將是另外一種結(jié)果，從原理可知，當(dāng)電路的電流超過規(guī)定值時會訊速的自動保護(hù)，在排除故障后又自動復(fù)位，無需人工更換。對LED而言，電壓的變化不是LED損壞的直接原因，而電流的增大才是LED的真正殺手。顯而易見，利用WHPTC的這個特性，在LED的電路保護(hù)上具有絕對的優(yōu)勢，讓簡易電源供電變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。實(shí)踐證明，在LED電路出現(xiàn)故障以前就有效保護(hù)了。在簡易電源上，這個優(yōu)勢特別突出。對如下3圖分析可見，因有了WHPTC后可省去恒流、恒壓電路， LED的質(zhì)量也提高了。器件成本、生產(chǎn)成本、故障率、服務(wù)成本等，都大大降低。也大大增加了產(chǎn)品的市場競爭力。所以誰先使用WHPTC，誰先占領(lǐng)市場。
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使用WHPTC前后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較圖
淺談LED產(chǎn)品老化 我們在應(yīng)用LED時經(jīng)常會出現(xiàn)這樣種問題，LED焊在產(chǎn)品上剛開始的時候是正常工作的，但點(diǎn)亮一段時間以后就會出現(xiàn)暗光、閃動、故障、間斷亮等現(xiàn)象，給產(chǎn)品帶來嚴(yán)重的損害。引起這種現(xiàn)象的原因大致有：
1．應(yīng)用產(chǎn)品時，焊接制程有問題，例如焊接溫度過高焊接時間過長，沒有做好防靜電工作等，這些問題95％以上是封裝過程造成。
2．LED本身質(zhì)量或生產(chǎn)制程造成。 預(yù)防方法有：
1.做好焊接制程的控制。
2.對產(chǎn)品進(jìn)行老化測試。
老化是電子產(chǎn)品可靠性的重要保證，是產(chǎn)品生產(chǎn)的最后必不可少的一步。LED產(chǎn)品在老化后可以提升效能，并有助于后期使用的效能穩(wěn)定。LED老化測試在產(chǎn)品質(zhì)量控制是一個非常重要的環(huán)節(jié)，但在很多時候往往被忽視，無法進(jìn)行正確有效的老化。LED老化測試是根據(jù)產(chǎn)品的故障率曲線即浴盆曲線的特征而采取的對策，以此來提高產(chǎn)品的可靠性，但這種方法并不是必需的，畢竟老化測試是以犧牲單顆LED產(chǎn)品的壽命為代價(jià)的。
LED老化方式包括恒流老化及恒壓老化。恒流源是指電流在任何時間都恒定不變的。有頻率的問題，就不是恒流了。那是交流或脈動電流。交流或脈動電流源可以設(shè)計(jì)成有效值恒定不變，但這種電源無法稱做「恒流源」。恒流老化是最符合LED電流工作特征，是最科學(xué)的LED老化方式；過電流沖擊老化也是廠家最新采用的一種老化手段，通過使用頻率可調(diào)，電流可調(diào)的恒流源進(jìn)行此類老化，以期在短時間內(nèi)判斷LED的質(zhì)量預(yù)期壽命，并且可挑出很多常規(guī)老化無法挑出的隱患LED。 有效防止高溫失靈-PTC熱敏電阻用作LED限流器 近年來，發(fā)光二極管(簡稱LED)的發(fā)展已取得巨大進(jìn)步：已從純粹用作指示燈發(fā)展為光輸出達(dá)100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本將降至與傳統(tǒng)冷陰極熒光燈(簡稱CCFL)類似的水平。這使得人們對LED的下述應(yīng)用興趣日濃： 汽車照明燈、建筑物內(nèi)外的LED光源、以及筆記本電腦或電視機(jī)LCD屏的背光。 大功率LED技術(shù)的發(fā)展提高了設(shè)計(jì)階段對散熱的要求。就像所有其它半導(dǎo)體一樣，LED不能過熱，以免加速輸出的減弱，或者導(dǎo)致最壞狀況：完全失效。與白熾燈相比，雖然大功率LED具有更高效率，但是輸入功率中相當(dāng)大的一部分仍變成熱能而非光能。因而，可靠的運(yùn)作就需要良好的散熱，并要求在設(shè)計(jì)階段就考慮高溫環(huán)境。 設(shè)計(jì)LED驅(qū)動電路尺寸時，也必須考慮溫度因素：必須選擇其正向電流，以確保即使環(huán)境溫度達(dá)到最高值，LED芯片也不會過熱。隨著溫度的升高，就需要通過降低最高容許電流，即降低額定值，來實(shí)現(xiàn)降溫。LED制造商把降額曲線納入其產(chǎn)品規(guī)格中。有關(guān)此類曲線，參見圖1。
圖1 LED降頻曲線
利用無溫度依賴性的電源運(yùn)行LED存在弊端：在高溫區(qū)域內(nèi)，LED則超出規(guī)格范圍運(yùn)行。此外，當(dāng)處于低溫區(qū)域時，照明源就由明顯低于最大容許電流(參見圖1紅色曲線)的電流供電。如圖1的綠色曲線所示，通過LED驅(qū)動電路中的正溫度系數(shù)熱敏電阻(簡稱PTC熱敏電阻)來控制LED電流是一個重大改進(jìn)。這至少可以帶來下列好處：
*在室溫下增加正向電流，從而增加光輸出
*因?yàn)榭梢詼p少LED使用量，所以可以使用價(jià)格較低的驅(qū)動集成電路(簡稱IC)乃至一個不帶溫度管理的驅(qū)動電路來節(jié)約成本
*實(shí)現(xiàn)無需IC控制的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)，此電路亦可使LED電流隨溫度改變
*能夠使用較便宜減額值較高安全裕量較小的LED
*過熱保護(hù)功能提高了可靠性
*帶散熱片的熱機(jī)械設(shè)計(jì)更為簡單
大多數(shù)LED用驅(qū)動電路形式具有一個共同點(diǎn)：即流經(jīng)LED的正向電流是通過固定電阻進(jìn)行設(shè)置(參見圖2)。一般說來，流經(jīng)LED ILED的電流取決于Rout，即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不隨溫度而變，因此LED電流也不受溫度影響。
將固定電阻換成隨溫度變化的電路，即可實(shí)現(xiàn)對LED電流的溫度管理。下列圖表闡明了如何使用PTC熱敏電阻來改善標(biāo)準(zhǔn)電路。
示例1：有反饋回路的恒流源
圖2中電路1為常用的驅(qū)動電路。其恒流源包括一條反饋回路。當(dāng)調(diào)節(jié)電阻兩端的反饋電壓達(dá)到因IC而異的VFB時，LED電流就不變了。LED電流因而被穩(wěn)定在ILED=VFB/Rout。
圖2 LED的傳統(tǒng)驅(qū)動方式
圖3所示為上一電路改良型：此電路借由PTC熱敏電阻，生成隨溫度變化的LED電流。通過正確選擇PTC熱敏電阻、Rseries以及Rparallel，此電路與專用驅(qū)動IC和LED組合相匹配。其中，LED電流可經(jīng)由下列方程式計(jì)算得出：
圖3所示電路闡明了LED電流(參見圖3)的溫度依賴性。與針對最高運(yùn)行溫度為60度的恒流源相比較，使用PTC熱敏電阻后LED電流可在0度和40度之間提升達(dá)40%，并且LED亮度也能提高同等百分比。
圖3 采用PTC熱敏電阻的溫度監(jiān)測和電流降頻
示例2：調(diào)節(jié)電阻與LED無串聯(lián)的恒流源
圖2所示電路2為另一常見的恒流源電路：電流通過連接驅(qū)動IC的電阻得以確定。然而在這種情況下，調(diào)節(jié)電阻并未與LED串聯(lián)。Rset和ILED之間的比率由IC規(guī)格明確。因此，運(yùn)用20KΩ的串聯(lián)電阻和TLE4241G型驅(qū)動IC，最終產(chǎn)生的LED電流為30mA。圖4所示為標(biāo)準(zhǔn)電路改良型，其中也含有一個PTC熱敏電阻，盡管此處采用WHPTC熱敏電阻。在感測溫度，元件電阻可達(dá)4.7KΩ，且容許誤差值為±5℃(標(biāo)準(zhǔn)系列)或±3℃(容許誤差值精確系列)。
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圖4所示為隨外界溫度而變化的LED電流。固定電阻Rseries容許誤差范圍小，在低溫時支配總電阻。只有在低于PTC熱敏電阻的感測溫度大約15 K時，由于PTC熱敏電阻的阻值開始增加，電流才會開始下降。在感測溫度(總電阻=Rseries+RPTC=19.5KΩ+4.7KΩ=24.2KΩ)時的電流大約為23mA。PTC電阻在溫度更高時急劇上升，迅速引發(fā)斷路，從而避免因溫度過高出現(xiàn)故障。
圖4 無分流測量之溫度記錄
示例3：無IC簡單驅(qū)動電路
如圖2所示電路3，LED也可在無驅(qū)動IC的情況下工作。圖示電路是通過車用電池驅(qū)動單一200mA LED。穩(wěn)壓器生成5 V的穩(wěn)定電源電壓Vstab，以避免電源電壓出現(xiàn)波動。LED在Vstab處運(yùn)作，電流則通過與LED串聯(lián)的電阻元件Rout決定。在這類電路中，通過下一則等式可算出獨(dú)立于溫度的正向電流，在此等式中，VDiode是一個LED的正向電壓：
另一做法是將WHPTC的徑向引線式PTC熱敏電阻以及兩個固定電阻相組合后，替代上述固定電阻，如圖所示。
由于LED電流的絕大部分流經(jīng)PTC熱敏電阻本身，因此需要選擇一個較大的徑向引線式元件。PTC將因?yàn)榱鹘?jīng)電阻本身的電流而導(dǎo)致發(fā)熱，因此會一直減少電流，無論環(huán)境溫度為何(如圖5所示)。并聯(lián)兩個或更多片式PTC熱敏電阻會將電流分流，但此方案仍存在局限性。
圖5 無需IC的溫度補(bǔ)償驅(qū)動電路
電流值主要是通過適當(dāng)選擇兩個固定電阻來設(shè)置的。這兩個電阻也在改進(jìn)電路方面也起到重要作用，因?yàn)樗鼈儗a(chǎn)生的LED正向電流的允差保持在較低水平。這在正常工作溫度范圍內(nèi)尤其重要，因?yàn)榇藭rPTC熱敏電阻本身的阻值允差仍較高。第二個并聯(lián)固定電阻也能確保PTC不會在極端高溫情況下徹底關(guān)閉LED，因此，電流不會降至低于下列等式計(jì)算的所得值：
這項(xiàng)性能在例如汽車電子這樣的應(yīng)用中極其重要，因?yàn)榘踩蟛辉试S照明燈徹底關(guān)閉。
背景資料：LED的溫度依賴性
像所有半導(dǎo)體一樣，LED的最高容許結(jié)點(diǎn)溫度不能超過，以免導(dǎo)致過早老化或者完全失效。如果結(jié)點(diǎn)溫度要保持在臨界值以下，那么外界溫度升高時，最高容許正向電流則必須下降。不過，如果運(yùn)用散熱器，在特定的外界溫度時正向電流可以增加。LED的光輸出隨著芯片結(jié)點(diǎn)溫度的升高而下降。上述情況主要發(fā)生在紅色和黃色LED，白色LED則與溫度關(guān)系較小。光照效率和正向電流保持同步增長，不過，安裝在結(jié)層和環(huán)境之間的LED所具備的高熱阻率可以降低乃至逆轉(zhuǎn)這種作用，這是因?yàn)殡S著結(jié)點(diǎn)溫度的上升，發(fā)射光會降低。
此外，當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度上升且LED正向電壓與溫度保持同步增長時，發(fā)射光的主波長會以+0.1 nm / K的典型速率增長。 各種白光LED驅(qū)動電路特性評比 1996年，日亞化學(xué)的中村氏發(fā)現(xiàn)藍(lán)光LED之后，白光LED就被視為照明光源最具發(fā)展?jié)摿Φ慕M件，因此，有關(guān)白光LED性能的改善與商品化應(yīng)用，立即成為各國研究的焦點(diǎn)。目前,白光LED已經(jīng)分別應(yīng)用于公共場所的步道燈、汽車照明、交通號志、可攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率的特性，一般認(rèn)為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源，因此，各廠商陸續(xù)推出白光LED專用驅(qū)動電路與相關(guān)組件。鑒于此，本文就LED專用驅(qū)動電路的特性與今后的發(fā)展動向進(jìn)行簡單闡述。
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1 定電流驅(qū)動的理由
1.1 白光LED的光度以順向電流規(guī)范
白光LED的順向電壓通常被規(guī)范成20mA時，最小為3.0V，最大為4.0V，也就是若單純施加一定的順向電壓時，順向電流會作大范圍的變化。
由于白光LED的光度與色度是以定電流方式量測的，所以，為獲得預(yù)期的亮度與色度，通常是用定電流驅(qū)動。
1.2 避免順向電流超越容許電流值
為確保白光LED的可靠性，基本上就是需要設(shè)法避免順向電流超過白光LED的絕對最大設(shè)計(jì)值（定格值）。
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2 白光LED的驅(qū)動方法
圖3是驅(qū)動白光LED常用的四種電源電路；圖4是上述六種隨機(jī)取樣白光LED穩(wěn)定后的ReguLation精度特性。
2.1 使用電壓ReguLator的驅(qū)動方式
圖3（a）的電路分別使用可以控制LED電流的電壓ReguLator與BaLLast電阻，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是電壓ReguLator種類豐富，設(shè)計(jì)者可以選擇的自由度較大，而且與電壓ReguLator、LED的接點(diǎn)只有一點(diǎn)；缺點(diǎn)是BaLLast造成的電力損失會導(dǎo)致效率惡化。此外，LED的順向電流也無法獲得精密控制。
2.2 使用定電流輸出的電壓ReguLator驅(qū)動方式
圖3（b）的電路雖然可以使流入LED的所有電流穩(wěn)定化，不過為了匹配（Matching）各LED的電氣特性，電路中特別設(shè)置了一組BaLLast電阻。
圖3（b）中的MAX1910屬于定電流輸出型的電壓ReguLator，雖然本電路使用同廠商、同批號（Lot）的白光LED，獲得了極佳的匹配性，不過，在使用不同廠商與批號的LED時，就會出現(xiàn)很大的特性差異分布。本電流Regu-Lator使用類似圖3（a）的方式控制驅(qū)動電流，不過它卻可以使BaLLast電阻的消費(fèi)電力降低一半左右。
圖4（b）的測試結(jié)果顯示，流 入六個隨機(jī)取樣白光LED的電流，從15.4mA到19.6mA，變化范圍非常大。因此，A廠商與B廠商兩者的LED是以平均17.5mA的電流驅(qū)動。此電路的缺點(diǎn)是BaLLast電阻造成的電力損失有殘留之虞，而且又無法獲得LED電流的匹配性；不過整體而言，本電路兼具動作特性與簡潔性，所以具有相當(dāng)程度的使用價(jià)值。
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2.3 使用輸出型的MuLti PuLL電流Regu-Lator的驅(qū)動方式
圖3（c）的電路可以使流入LED的電流各自穩(wěn)定化，因此不需要使用BaLLast電阻，電流的精度與匹配性ReguLator則由各自的電流ReguLator支配。
圖3（c）中的MAX1570 IC可以使上述電流ReguLation達(dá)成2％標(biāo)準(zhǔn)的電流精度，與0.3％標(biāo)準(zhǔn)的電流匹配性等目標(biāo)。
由MAX1570 IC構(gòu)成的電流ReguLator為低Drop Out Type，因此它的動作效率非常高。圖4（c）的測試結(jié)果顯示，使用圖3（c）的驅(qū)動電路時，流入六個隨機(jī)取樣白光LED穩(wěn)定化的電流為17.5mA。
雖然ReguLator與LED之間需要四個連接端子，不過此電路不需要BaLLast電阻，所以可以有效抑制封裝面積，因此非常適合應(yīng)用在封裝空間極為狹窄的小型液晶面板等領(lǐng)域。
2.4 使用升壓型電流ReguLator驅(qū)動的方式
圖3（d）的電路是利用可以使電流穩(wěn)定化的電感（Inductor），構(gòu)成所謂的高效率Step Up Converter。本電路的最大特點(diǎn)是 Feed Back ThreshoLd電壓，可以減少電流檢測用電阻的電力損失。此外，LED采用串聯(lián)方式連接，所以流入白光LED的電流即使是在各種要求下，都能夠與LED完全取得匹配。 有關(guān)電流的精度基本上取決于Regu-Lator的Feed Back ThreshoLd精度，因此不會受到LED順向電壓的影響。
由MAX1848與MAX1561 IC構(gòu)成的電流ReguLator的效率（PLED/PIN）分別是：三個LED＋MAX1848，87％；六個LED＋MAX-1561， 84％。
Step Up Converter的另一優(yōu)點(diǎn)是Regu-Lator與LED之間需要兩個連接端子，而且LED的使用數(shù)量不會受到Step Up Converter種類的影響，這意味著設(shè)計(jì)者會擁有更大的選擇空間。因此，Step Up Converter廣泛應(yīng)用在各種尺寸的液晶面板；電路的缺點(diǎn)是電感外形高度、組件成本偏高，有EMI輻射干擾。
3 結(jié)束語
以上介紹了白光LED常用的驅(qū)動電路，并通過實(shí)驗(yàn)方式深入探討了各電路實(shí)際運(yùn)行時的優(yōu)缺點(diǎn)和特性。由于LED結(jié)構(gòu)的限制，因此會有波長與驅(qū)動電流精度不易控制等困擾，隨著白光LED背光模塊應(yīng)用需求的不斷增加，如何改善上述波長與電流精度問題，同時降低驅(qū)動電路的制作成本，成為必須克服的問題。
