标签: 恒压电源

现在有关这个问题有很多各种不同似是而非的说法，有人说：在LED的伏安特性上，电压定了，电流也就定了。所以采用恒压和恒流效果是一样的。有人说LED并联时就应该采用恒压电源供电，而LED串联时就应该采用恒流电源供电；有人说，因为LED是恒流器件，所以要用恒流源供电；有人说，采用市电供电时就应该采用恒压电源供电，采用蓄电池供电时，就应该采用恒流电源供电。至于为什么这样要求，似乎谁也说不明白。   那么，到底是应该采用恒压电源，还是恒流电源供电呢？   首先来看一下LED到底是什么样的器件。因为LED的亮度是和它的正向电流成正比，而且一些LED的结构决定了它的散热也就是功耗。所以大多数LED会给出额定电流，例如Φ5为20mA，1W的为350mA…等，但这并不等于LED只能工作于这些额定电流，更不意味着LED就是一个恒流器件。例如Cree的1瓦LED和3瓦LED是同一型号，电流从350mA加大到700mA，功率就从1W加大成3W，所以这个LED可以工作在350-700mA之间的任意值。   要深入了解这个问题首先要知道LED的伏安特性。     1. LED 的伏安特性 LED的中文名字就是发光二极管，所以它本身就是一个二极管。它的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似。只不过通常曲线很陡。例如一个20mA的草帽LED的伏安特性如图1所示。 图1. 小功率LED的伏安特性   假如用干电池或蓄电池供电，那么因为LED伏安特性的非线性，很小的电压变化就会引起很大的电流变化，上图中电源电压在3.3V时正向电流为20mA的LED，如果用3节干电池供电，新的电池电压超过1.5V，3节就是4.5V，LED的电流就会超过100mA，很快就会烧坏。对于1W的大功率LED也是如此，图2是某公司1W的LED伏安特性，而一个12V蓄电池的电压，在充满电到快放完电的电压可以从14.5V降到10.5V。相差将近20%。从伏安特性上可以看出，电源电压的10%的变化（3.4V-3.1V），就会引起正向电流的3.5倍的变化（从350mA变到100mA）。 图2. 1W大功率LED的伏安特性     2．伏安特性的温度系数 到现在为止，还有很多人以为LED电压定了，电流也就定了，所以采用恒压和恒流是一样的。实际上，LED的伏安特性并不是固定的，而是随温度而变化的，所以电压定了，电流并不一定，而是随温度变化的。这是因为是LED是一个二极管，它的伏安特性具有负温度系数的特点。 图3. 伏安特性的温度特性 温度系数通常是-2mV/度（-1.5—2.5mV/°C）,也就是随着温度的升高，其伏安特性左移，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会增加。而LED本身的效率很低，温升很高，加电以后，假如散热不好，其温度很容易上升到八、九十度以上。假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA，而温度升高到85度时，电流就会增加到35-37mA，而其亮度并不增加。电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。   而且如果不用恒流源而用恒压源供电时，常温下工作在20mA时,到了-40度时,电流就会降低至8-10mA,亮度会降低。   对于1W的大功率LED芯片，情况也是一样，而且由于功率大，散热更不容易，温升问题更加严重。   可以说，除了散热问题以外，采用恒压电源供电是引起光衰的主要原因。所以原则上来说，LED是禁止采用恒压电源供电的。     3. 用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流？ 串联电阻只有限流的作用，也就是如果电源电压比LED串联以后的电压还要高，那么就需要串联电阻来限流，以免损坏LED。但是如果想要用串联电阻来减小温度的影响，它的作用是很小的，这可以从伏安特性上看出，串联电阻以后的确可以减小温升带来的电流升高，电阻越大，电流随温度变化越小，但是只是减小，并不能消除。而且很明显，电阻将带来额外的功耗，使得LED的总体效率降低。假定所用的LED为1W的LED，其电流为0.35A。假定串联的电阻为100欧姆，所消耗的功率就高达12.25W显然是不能接受的，即使把电阻降低到10欧姆，其功耗仍然有1.225W。 比LED本身的功耗还要大。为了减小这种功耗，就必须把电阻再减小。然而，减小电阻的结果是使得由温升所引起的电流变化还是照样加大。所以，串联电阻决不是一个好办法。 图4. 串联电阻只能减小温度的影响，而不能消除其影响     4 ．几个 LED 并联，能不能用恒压电源？ 由于LED伏安特性的离散性，不但不同厂家生产的同样瓦数的LED伏安特性不一样，就是同一厂家生产的同一型号的LED其伏安特性也是不同的。 图5. 不同厂家和同一厂家生产的LED伏安特性的离散性 很明显，假如用恒压电源3.4V供电，显然流过每个LED的电流都不一样，每个LED的亮度也就不一样。所以不能采用恒压电源供电。     5 . 多个 LED 并联后，采用恒压电源供电，能不能用不同的串联电阻来使电流平衡？ 在常温下是可以的，但在温升以后就不能保持了。图6中就显示了这个问题，常温下的LED伏安特性以实线表示，两个LED的伏安特性在斜率上略有区别，在用恒压电源Vo供电时，选用不同的电阻，可以得到同样的正向电流Io。但是当温度升高时，其伏安特性左移，如虚线所示。因为还是原来的恒压和原来的电阻，此时的电流却变成了I1和I2。不等于原来的Io了。 图6. 串联电阻可以在常温下保持其电流不变，但在温升以后就不能保持电流平衡。   继续阅读： 到底是采用恒压电源还是采用恒流电源给LED供电?（二）  

  6. N个LED串联后，假如用恒压电源供电，其温度效应（由温升而引起的电流增加）将会扩大N倍 ， 这是因为所有LED串联以后相当于各个LED的伏安特性沿电压轴串联 。 图7. 多个LED串联，相当于多个伏安特性在恒流点叠接，加电以后温度上升，所有伏安特性左移。   温升以后，N个伏安特性都左移，就使电流的增加也加大了N倍。如果采用恒流电源供电，那么温升以后，仍然能够保持电流恒定为Io。     7. 多个 LED 串联时，采用恒流电源供电时，可以利用伏安特性的温度效应推测其结温的上升度数 在很多应用中（例如日光灯、路灯），往往将很多LED串联，这时候，LED的温度系数效应就更加明显。因为采用恒流电源供电时其效果相当于把每一个 LED的伏安特性沿电压轴叠加。假如温升为60度，那么伏安特性将会向左偏移0.12V，如果10个LED串联，所有伏安特性全部左移，总偏移就会达到 1.2V。这是相当可观的数字。   反过来也可以利用LED的这种特性来测量其结温，例如有一个10串3并的LED组合，在接上恒流电源以后，测得其正向压降从32.3V降低到30.6V。变化达1.7V。那么可以推测其结温升高为1.7/10/.002=85度。     8. 恒流供电时，在串并联电路中如何保证每串的电流均衡 假如用恒流电源只供给一串LED，那当然是最理想的了。但是，假如要供给几串并联的LED那如何能保证每串中的电流一样呢？   是的，假如用恒流源供给几串并联的LED，由于LED伏安特性的离散性，各串的电流是一定不一样的。但是实际上，由于各串LED不大可能某一串里都是正向电压偏低的，另一串里都是正向电压偏高的。而是会相对均匀分布，所以各串之间的电流不会相差很大。     9 ．在恒流供电的串并联电路中，如何避免因某个 LED 损坏所引起的问题 假如只是两串并联，而且其中某一串的一个LED坏了（开路），这时候不但这一串不亮，而且所有的电流都会流到另一串，使得另一串的 电流加大一倍，用不了多久也会坏掉。为了避免一个坏了一串不亮，那么可以采用全部并串联的方法，也就是每串中的任何一个都和其他串中的同样位置的LED并 联。这样，任何一个坏了（开路），只是这一个不亮，其余的LED仍然都亮。但是假如并联的LED只有两串，其中有一个LED开路了，电流就都流到和它并联 的另一个LED中去，它的电流也加大一倍，使得这一个LED寿命不长，很快烧掉；假如烧坏是开路，那么就会导致所有LED全部不亮，但其它的LED损害并 不严重，因为没有长期工作于过流状态。为了减小某一个LED损坏以后对其它LED的影响，希望并联的LED串数越多越好。图8中画出了3串5并而且同行相 并的图。这时候，某一个LED坏了，总电流分散到其余的4个LED中，总电流在每一行所有并联的LED中分配，正向电压偏低的LED分到的电流就会大一 些。但不致造成太大的危害。 图8. 三串五并中的每一个LED都和其它串中同样位置的LED相并联   而且只是这一行的电流分到其余4路中去，而其它几行都还是和原来一样。假如LED坏的时候是短路而不是开路，那么这一行的其它几个LED就都不亮了。   当然为了避免这个现象，最好的办法是在每个LED上都并联一个稳压管，而各串之间不要并联。这时候任何一个LED坏了（开路），稳压管就导通，电流的分配关系变化很小。短路则就是少一个LED发光。 图9. 每个发光二极管都并联一个稳压管 采用这种方法以后，就不需要再同行并联了。 总结以上叙述可以列表如下： 结 构 任何一个坏了（开路） 任何一个坏了（短路） 单独一串 这一串开路不亮 这一个不亮 两串并联 这一串不亮，另一串所有LED电流加倍，寿命缩短，很快都坏 这一个不亮，这一串电流略为加大 两串中两两并联 这一个不亮，同行另一个电流加倍，很快坏掉；如为开路，所有不亮，如为短路这一行两个LED不亮 这一个不亮，和它并联的另一个也不亮 N串同行并联 这一个不亮，同行其余电流加大N/（N-1）倍， N越大越安全 这一个不亮，和它并联的其它各个也都不亮 每个LED并联稳压管，各串并联 只是这一个不亮，对其它影响不大 只是这一个不亮 那么是不是恒压电源在LED照明中就无用武之地了呢？完全不是这样。     10 ．在市电 LED 路灯中采用恒压开关电源加恒流模块的方法供电 任何市电供电的系统里，都需要一个AC/DC的开关电源。有两种供电方法，一种是在开关电源里加上恒流反馈控制电路，保证输出电流 恒定。但是这种方法大多只能单路大电流输出，而且恒流的精度不高。还有一种是，前面采用恒压电源，后面加很多路恒流模块，这种方案灵活性很高，恒流精度也 高。例如一个150W-300W的市电LED路灯供电方案图如下： 而且，这种结构的最大优点是可以程序调光，可节省能源达40%以上。 因为已经超出本文的题目范围，就不在此多说了。   到底是采用恒压电源还是采用恒流电源给LED供电?（一） （THE END）

     现在大家开始意识到，光衰是大功率LED路灯不能长期工作的主要原因，也开始认识到降低光衰的一个重要方法就是改进其散热。尽管如此，从这次深圳市灯光环境管理中心对各种路灯的测试结果来看，仍然有大多数路灯的光衰是不能满足使用要求的。1200小时亮灯后的光衰，最好的为8%，最差的为26%，平均为14%。按照Cree公司的测试结果，结温在105度时，14%光衰也应当要在工作了6000小时以后，可见大部分路灯的结温在105度以上。 图1. Cree公司LED的结温和光衰寿命试验结果 可能不少公司不会同意这样的结果，因为他们认为他们的散热器都是经过精心设计的。实际情况可能也是如此，但是测试的结果也不容怀疑。问题出在哪里呢？ 我认为，可能散热器也不至于设计得这么差，而可能是因为有一些路灯是采用恒压电源供电的结果。 可是为什么采用恒压电源供电会引起光衰呢？这听上去好像有点天方夜谭。但实际上的确有这么严重。让我们来从头说起吧！ 1、LED的伏安特性 我们都知道，LED是一个二极管，而二极管最重要的电特性就是它的伏安特性。图2中给出了Cree公司的XLamp7090XR-E的伏安特性。 图2.  XLamp7090XR-E的伏安特性 2、LED伏安特性的温度特性 虽然它的样子和一般二极管没有什么两样，但是最大的不同在于它的温度特性。其实所有二极管的伏安特性都有温度特性的问题，可是就是LED是需要特别加以注意的。这是因为： 2.1 大功率LED的工作电流比较大，1W为0.35A，3-5W为0.7A，20W为1.05A，30W为1.75A，50W为3.5A。不过可能也会有人觉得，整流二极管的正向电流也可能达到这样大的数值的。 2.2 LED因为目前的发光效率还是比较低，所以大部分的输入电功率都是转化为热，所以它的发热很高，假如散热器做得不好，那么结温就会升得很高。 2.3 LED不同于整流二极管，它不是采用一般的硅材料做成的，而是采用特殊的材料（例如氮化镓）制成。所以它的伏安特性的温度特性也不同于一般二极管，而是要明显大于一般二极管。例如一般二极管的伏安特性的温度特性为-2mV/°C，但是Cree公司的XLamp7090XR-E的伏安特性的温度特性却高达-4mV/°C，要比一般的二极管大一倍。 3、由结温升高产生的问题 3.1 LED结温升高以后首先带来的是光输出降低。 图3. XLamp7090XR-E的相对光输出随结温的升高而降低 3.2 结温升高引起伏安特性的左移 因为伏安特性的温度系数是负的，这意味着温度升高，特性左移。例如，假定结温升高50度，那么伏安特性就会左移200mV。 4、采用恒压电源供电会使LED正向电流随温升的增加而增加。 因为电源电压是恒定的，而伏安特性却左移了，其结果就是正向电流增加。从图2的伏安特性可以看出，假如常温下用3.3V的恒压电源供电，其正向电流为350mA；结温升高50度以后，伏安特性左移0.2V，那么相当于电源电压升高到了3.5V，这时候，正向电流就会增加到600mA。 5、采用恒压电源供电会引起温升增加的恶性循环 正向电流增加以后，因为电源电压没有变化，所以LED的输入功率增加到3.3Vx0.6A=1.98W，几乎增加了一倍。但从图3可以看出，结温升高以后，光输出会降低，这意味着更多的输入功率转换为热能，也就是说如果这时候增加正向电流，它的光输出并不随着增加，反而降低。所以，这时的正向电流的增加只会引起结温增加，而不会使光输出增加。所以，结温增加以后à正向电流增加à结温再增加à正向电流再增加…… 这就引起结温升高的恶性循环。 结论：光衰加大，寿命缩短 所以，从前面的分析，可以得出这样的结论：采用恒压电源供电会使结温升高，而结温增加的结果就是光衰加大，寿命缩短。假定LED在常温25度时开机，开机以后结温就会升高，假定散热器设计为温升至75度，也就是结温增加了50度，那么就会使得正向电流增加至600mA。总功率从1.155W增加到1.98W，增加了0.825W。而这部分所增加的功率几乎全部转换为热量。假定原来LED的发光效率为30%，也就是70%的输入功率（0.8W）都转换为热能。现在又多了一倍的热能需要从散热器散出去。显然，这是原来的散热器设计没有考虑到的。这就使LED的结温又升高50度，变成了125度。我们回到图1来看光衰曲线，125度的光衰为14%的寿命也就差不多为1200小时，那么也就可以解释为什么一个精心设计的散热器，如果采用恒压电源供电，其结果仍然是光衰很大，寿命很短了！ 所以，给LED供电，一定要采用恒流电源供电，电流恒定以后，不管温度怎么变化，伏安特性如何左移，电流都不变！结温也就不会恶性循环了！