LED串并方式及恒壓源、恒流源的選擇分析.doc

LED串并方式及恒壓源、恒流源的選擇分析第一部分：基礎(chǔ)分析篇考慮選用什么樣的LED驅(qū)動(dòng)器，以及LED作為負(fù)載采用的串并聯(lián)方式，合理的配合設(shè)計(jì)，才能保證LED正常工作。例如，驅(qū)動(dòng)28盞LED時(shí)，可以設(shè)想的連接方法有六種。一種是先串聯(lián)14個(gè)LED（LED串）然后并聯(lián)兩條這樣串聯(lián)而成的LED串（14串聯(lián)2并聯(lián)）。除此之外，還有7串聯(lián)4并聯(lián)、4串聯(lián)7并聯(lián)、2串聯(lián)14并聯(lián)、28串聯(lián)1并聯(lián)、1串聯(lián)28并聯(lián)等連接方式。究竟哪種連接方法最佳呢？【附：通常情況下，很多的朋友拿到LED電源，不知道怎么樣區(qū)分恒壓源和恒流源。拿到一個(gè)LED電源，查看銘牌，找到輸出電壓這個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：如果它的電壓標(biāo)稱是一個(gè)恒定值，則是恒壓源。如果是一個(gè)范圍值，則是恒流源。例如：有一個(gè)電源它的輸出電壓是12V，我們則確定這個(gè)是恒壓源，如果它標(biāo)稱的是30-70V呢，那么這個(gè)電源一定是夠恒流源?！?、LED采用全部串聯(lián)方式要求LED驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓（如圖1）。當(dāng)LED的一致性差別較大時(shí)，分配在不同的LED兩端電壓不同，通過(guò)每顆LED的電流相同，LED的亮度一致。圖1圖2當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，如果采用穩(wěn)壓式驅(qū)動(dòng)（如常用的阻容降壓方式），由于驅(qū)動(dòng)器輸出電壓不變，那么分配在剩余的LED兩端電壓將升高，驅(qū)動(dòng)器輸出電流將增大，導(dǎo)致容易損壞余下的所有LED。如采用恒流式LED驅(qū)動(dòng)，當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)器輸出電流保持不變，不影響余下所有LED正常工作。當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良斷開后，串聯(lián)在一起的LED將全部不亮。解決的辦法是在每個(gè)LED兩端并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，當(dāng)然穩(wěn)壓管的導(dǎo)通電壓需要比LED的導(dǎo)通電壓高，否則LED就不亮了。2、LED采用全部并聯(lián)方式要求LED驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流，負(fù)載電壓較低（如圖3）。分配在所有LED兩端電壓相同，當(dāng)LED的一致性差別較大時(shí)，而通過(guò)每顆LED的電流不一致，LED的亮度也不同?？商暨x一致性較好的LED，適合用于電源電壓較低的產(chǎn)品（如太陽(yáng)能或電池供電）。圖3當(dāng)某一個(gè)顆LED品質(zhì)不良斷開時(shí)，如果采用穩(wěn)壓式LED驅(qū)動(dòng)（例如穩(wěn)壓式開關(guān)電源），驅(qū)動(dòng)器輸出電流將減小，而不影響余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驅(qū)動(dòng)，由于驅(qū)動(dòng)器輸出電流保持不變，分配在余下LED電流將增大，導(dǎo)致容易損壞所有LED。解決辦法是盡量多并聯(lián)LED，當(dāng)斷開某一顆LED 時(shí)，分配在余下LED電流不大，不至于影響余下LED正常工作。所以功率型LED做并聯(lián)負(fù)載時(shí)，不宜選用恒流式驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，那么所有的LED將不亮，但如果并聯(lián)LED數(shù)量較多，通過(guò)短路的LED電流較大，足以將短路的LED燒成斷路。3、LED采用混聯(lián)方式在使用比較多LED的產(chǎn)品中，如果將所有LED串聯(lián)，將需要LED驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓。如果將所有LED并聯(lián)，則需要LED驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流。將所有LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED的使用量，而且并聯(lián)LED負(fù)載電流較大，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)大增。解決辦法是采用混聯(lián)方式。圖4如圖4所示，串并聯(lián)的LED數(shù)量平均分配，分配在一串LED上的電壓相同，通過(guò)同一串每顆LED上的電流也基本相同，LED亮度一致。同時(shí)通過(guò)每串LED的電流也相近。當(dāng)某一串聯(lián)LED上有一顆品質(zhì)不良短路時(shí)，不管采用穩(wěn)壓式驅(qū)動(dòng)還是恒流式驅(qū)動(dòng)，這串LED相當(dāng)于少了一顆LED，通過(guò)這串LED的電流將大增，很容易就會(huì)損壞這串LED。大電流通過(guò)損壞的這串LED后，由于通過(guò)的電流較大，多表現(xiàn)為斷路。斷開一串LED后，如果采用穩(wěn)壓式驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器輸出電流將減小，而不影響余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驅(qū)動(dòng)，由于驅(qū)動(dòng)器輸出電流保持不變，分配在余下LED電流將增大，導(dǎo)致容易損壞所有LED。解決辦法是盡量多并聯(lián)LED，當(dāng)斷開某一顆LED時(shí)，分配在余下LED電流不大，不至于影響余下LED正常工作。第二部分：拓展提高篇現(xiàn)在有關(guān)這個(gè)問(wèn)題有很多各種不同似是而非的說(shuō)法，有人說(shuō)：在LED的伏安特性上，電壓定了，電流也就定了。所以采用恒壓和恒流效果是一樣的。有人說(shuō)LED并聯(lián)時(shí)就應(yīng)該采用恒壓電源供電，而LED串聯(lián)時(shí)就應(yīng)該采用恒流電源供電；有人說(shuō)，因?yàn)長(zhǎng)ED是恒流器件，所以要用恒流源供電；有人說(shuō)，采用市電供電時(shí)就應(yīng)該采用恒壓電源供電，采用蓄電池供電時(shí)，就應(yīng)該采用恒流電源供電。至于為什么這樣要求，似乎誰(shuí)也說(shuō)不明白。那么，到底是應(yīng)該采用恒壓電源，還是恒流電源供電呢？首先來(lái)看一下LED到底是什么樣的器件。因?yàn)長(zhǎng)ED的亮度是和它的正向電流成正比，而且一些LED的結(jié)構(gòu)決定了它的散熱也就是功耗。所以大多數(shù)LED會(huì)給出額定電流，例如5為20mA，1W的為350mA等，但這并不等于LED只能工作于這些額定電流，更不意味著LED就是一個(gè)恒流器件。例如Cree的1瓦LED和3瓦LED是同一型號(hào)，電流從350mA加大到700mA，功率就從1W加大成3W，所以這個(gè)LED可以工作在350-700mA之間的任意值。要深入了解這個(gè)問(wèn)題首先要知道LED的伏安特性。1. LED的伏安特性LED的中文名字就是發(fā)光二極管，所以它本身就是一個(gè)二極管。它的伏安特性和一般的二極管伏安特性非常相似。只不過(guò)通常曲線很陡。例如一個(gè)20mA的草帽LED的伏安特性如圖5所示。圖5 小功率LED的伏安特性假如用干電池或蓄電池供電，那么因?yàn)長(zhǎng)ED伏安特性的非線性，很小的電壓變化就會(huì)引起很大的電流變化，上圖中電源電壓在3.3V時(shí)正向電流為20mA的LED，如果用3節(jié)干電池供電，新的電池電壓超過(guò)1.5V，3節(jié)就是4.5V，LED的電流就會(huì)超過(guò)100mA，很快就會(huì)燒壞。對(duì)于1W的大功率LED也是如此，圖6是某公司1W的LED伏安特性，而一個(gè)12V蓄電池的電壓，在充滿電到快放完電的電壓可以從14.5V降到10.5V。相差將近20%。從伏安特性上可以看出，電源電壓的10%的變化（3.4V-3.1V），就會(huì)引起正向電流的3.5倍的變化（從350mA變到100mA）。圖6 1W大功率LED的伏安特性2. 伏安特性的溫度系數(shù)到現(xiàn)在為止，還有很多人以為L(zhǎng)ED電壓定了，電流也就定了，所以采用恒壓和恒流是一樣的。實(shí)際上，LED的伏安特性并不是固定的，而是隨溫度而變化的，所以電壓定了，電流并不一定，而是隨溫度變化的。這是因?yàn)槭荓ED是一個(gè)二極管，它的伏安特性具有負(fù)溫度系數(shù)的特點(diǎn)。圖7 伏安特性的溫度特性溫度系數(shù)通常是-2mV/度（-1.52.5mV/C），也就是隨著溫度的升高，其伏安特性左移，假如所加的電壓為恒定，那么顯然電流會(huì)增加。而LED本身的效率很低，溫升很高，加電以后，假如散熱不好，其溫度很容易上升到八、九十度以上。假定采用3.3V恒壓源常溫下工作在20mA，而溫度升高到85度時(shí)，電流就會(huì)增加到35-37mA，而其亮度并不增加。電流增加只會(huì)使它的溫升更高，這樣就會(huì)增加光衰，降低壽命。而且如果不用恒流源而用恒壓源供電時(shí)，常溫下工作在20mA時(shí)，到了-40度時(shí)，電流就會(huì)降低至8-10mA，亮度會(huì)降低。對(duì)于1W的大功率LED芯片，情況也是一樣，而且由于功率大，散熱更不容易，溫升問(wèn)題更加嚴(yán)重?？梢哉f(shuō)，除了散熱問(wèn)題以外，采用恒壓電源供電是引起光衰的主要原因。所以原則上來(lái)說(shuō)，LED是禁止采用恒壓電源供電的。3. 用恒壓電源以后能不能靠串聯(lián)電阻來(lái)穩(wěn)定電流？串聯(lián)電阻只有限流的作用，也就是如果電源電壓比LED串聯(lián)以后的電壓還要高，那么就需要串聯(lián)電阻來(lái)限流，以免損壞LED。但是如果想要用串聯(lián)電阻來(lái)減小溫度的影響，它的作用是很小的，這可以從伏安特性上看出，串聯(lián)電阻以后的確可以減小溫升帶來(lái)的電流升高，電阻越大，電流隨溫度變化越小，但是只是減小，并不能消除。而且很明顯，電阻將帶來(lái)額外的功耗，使得LED的總體效率降低。假定所用的LED為1W，其電流為0.35A。假定串聯(lián)的電阻為100歐姆，所消耗的功率就高達(dá)12.25W顯然是不能接受的，即使把電阻降低到10歐姆，其功耗仍然有1.225W。比LED本身的功耗還要大。為了減小這種功耗，就必須把電阻再減小。然而，減小電阻的結(jié)果是使得由溫升所引起的電流變化還是照樣加大。所以，串聯(lián)電阻決不是一個(gè)好辦法。圖8 串聯(lián)電阻只能減小溫度的影響，而不能消除其影響4. 幾個(gè)LED并聯(lián)，能不能用恒壓電源？由于LED伏安特性的離散性，不但不同廠家生產(chǎn)的同樣瓦數(shù)的LED伏安特性不一樣，就是同一廠家生產(chǎn)的同一型號(hào)的LED其伏安特性也是不同的。圖9 不同廠家和同一廠家生產(chǎn)的LED伏安特性的離散性很明顯，假如用恒壓電源3.4V供電，顯然流過(guò)每個(gè)LED的電流都不一樣，每個(gè)LED的亮度也就不一樣。所以不能采用恒壓電源供電。5. 多個(gè)LED并聯(lián)，采用恒壓電源，能不能用不同的串聯(lián)電阻來(lái)使電流平衡？在常溫下是可以的，但在溫升以后就不能保持了。圖9中就顯示了這個(gè)問(wèn)題，常溫下的LED伏安特性以實(shí)線表示，兩個(gè)LED的伏安特性在斜率上略有區(qū)別，在用恒壓電源Vo供電時(shí)，選用不同的電阻，可以得到同樣的正向電流Io。但是當(dāng)溫度升高時(shí)，其伏安特性左移，如虛線所示。因?yàn)檫€是原來(lái)的恒壓和原來(lái)的電阻，此時(shí)的電流卻變成了I1和I2。不等于原來(lái)的Io了。圖9 串聯(lián)電阻在常溫下保持其電流不變，但溫升后就不能保持電流平衡Io6. N個(gè)LED串聯(lián)后，假如用恒壓電源供電，其溫度效應(yīng)（由溫升而引起的電流增加）將會(huì)擴(kuò)大N倍。這是因?yàn)樗蠰ED串聯(lián)以后相當(dāng)于各個(gè)LED的伏安特性沿電壓軸串聯(lián)。圖10 多個(gè)LED串聯(lián)，相當(dāng)于多個(gè)伏安特性在恒流點(diǎn)疊接，加電以后溫度上升，所有伏安特性左移。溫升以后，N個(gè)伏安特性都左移，就使電流的增加也加大了N倍。如果采用恒流電源供電，那么溫升以后，仍然能夠保持電流恒定為Io。7. 多個(gè)LED串聯(lián)時(shí)，采用恒流電源供電時(shí)，可以利用伏安特性的溫度效應(yīng)推測(cè)其結(jié)溫的上升度數(shù)在很多應(yīng)用中（例如日光燈、路燈），往往將很多LED串聯(lián)，這時(shí)候，LED的溫度系數(shù)效應(yīng)就更加明顯。因?yàn)椴捎煤懔麟娫垂╇姇r(shí)其效果相當(dāng)于把每一個(gè)LED的伏安特性沿電壓軸疊加。假如溫升為60度，那么伏安特性將會(huì)向左偏移0.12V，如果10個(gè)LED串聯(lián)，所有伏安特性全部左移，總偏移就會(huì)達(dá)到1.2V。這是相當(dāng)可觀的數(shù)字。反過(guò)來(lái)也可以利用LED的這種特性來(lái)測(cè)量其結(jié)溫，例如有一個(gè)10串3并的LED組合，在接上恒流電源以后，測(cè)得其正向壓降從32.3V降低到30.6V。變化達(dá)1.7V。那么可以推測(cè)其結(jié)溫升高為1.7/10/.002=85度8. 恒流供電時(shí)，在串并聯(lián)電路中如何保證每串的電流均衡假如用恒流電源只供給一串LED，那當(dāng)然是最理想的了。但是，假如要供給幾串并聯(lián)的LED那如何能保證每串中的電流一樣呢？是的，假如用恒流源供給幾串并聯(lián)的LED，由于LED伏安特性的離散性，各串的電流是一定不一樣的。但是實(shí)際上，由于各串LED不大可能某一串里都是正向電壓偏低的，另一串里都是正向電壓偏高的。而是會(huì)相對(duì)均勻分布，所以各串之間的電流不會(huì)相差很大。9. 在恒流供電的串并聯(lián)電路中，如何避免因某個(gè)LED損壞所引起的問(wèn)題假如只是兩串并聯(lián)，而且其中某一串的一個(gè)LED壞了（開路），這時(shí)候不但這一串不亮，而且所有的電流都會(huì)流到另一串，使得另一串的電流加大一倍，用不了多久也會(huì)壞掉。為了避免一個(gè)壞了一串不亮，那么可以采用全部并串聯(lián)的方法，也就是每串中的任何一個(gè)都和其他串中的同樣位置的LED并聯(lián)。這樣，任何一個(gè)壞了（開路），只是這一個(gè)不亮，其余的LED仍然都亮。但是假如并聯(lián)的LED只有兩串，其中有一個(gè)LED開路了，電流就都流到和它并聯(lián)的另一個(gè)LED中去，它的電流也加大一倍，使得這一個(gè)LED壽命不長(zhǎng)，很快燒掉；假如燒壞是開路，那么就會(huì)導(dǎo)致所有LED全部不亮，但其它的LED損害并不嚴(yán)重，因?yàn)闆](méi)有長(zhǎng)期工作于過(guò)流狀態(tài)。為了減小某一個(gè)LED損壞以后對(duì)其它LED的影響，希望并聯(lián)的LED串?dāng)?shù)越多越好。圖11中畫出了3串5并而且同行相并的圖。這時(shí)候，某一個(gè)LED壞了，總電流分散到其余的4個(gè)LED中，總電流在每一行所有并聯(lián)的LED中分配，正向電壓偏低的LED分到的電流就會(huì)大一些。但不致造成太大的危害。圖11 三串五并中的每一個(gè)LED都和其它串中同樣位置的LED相并聯(lián)而且只是這一行的電流分到其余4路中去，而其它幾行都還是和原來(lái)一樣。假如LED壞的時(shí)候是短路而不是開路，那么這一行的其它幾個(gè)LED就都不亮了。當(dāng)然為了避免這個(gè)現(xiàn)象，最好的辦法是在每個(gè)LED上都并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，而各串之間不要并聯(lián)。這時(shí)候任何一個(gè)LED壞了（開路），穩(wěn)壓管就導(dǎo)通，電流的分配關(guān)系變化很小。短路則就是少一個(gè)LED發(fā)光。圖12 每個(gè)發(fā)光二極管都并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管采用這種方法以后，就不需要再同行并聯(lián)了?？偨Y(jié)以上敘述可以列表如下：結(jié)構(gòu)任何一個(gè)壞了（開路）任何一個(gè)壞了（短路）單獨(dú)一串這一串開路不亮這一個(gè)不亮兩串并聯(lián)這一串不亮，另一串所有LED電流加倍，壽命縮短，很快都?jí)倪@一個(gè)不亮，這一串電流略為加大兩串中兩兩并聯(lián)這一個(gè)不亮，同行另一個(gè)電流加倍，很快壞掉；如為開路，所有不亮，如為短路，這一行兩個(gè)LED不亮這一個(gè)不亮，和它并聯(lián)的另一個(gè)也不亮N串同行并聯(lián)這一個(gè)不亮，同行其余電流加大N/（N-1）倍，N越大越安全這一個(gè)不亮，和它并聯(lián)的其它各個(gè)也都不亮每個(gè)LED并聯(lián)穩(wěn)壓管，