恒流二極管及其在驅(qū)動(dòng) LED 中的應(yīng)用 茅于海

1、恒流二極管及其在驅(qū)動(dòng)LED中的應(yīng)用茅于海很早就已經(jīng)出現(xiàn)了恒流二極管,但是這種二極管并沒(méi)有引起人們的關(guān)注,因?yàn)樗皇怯糜谀承﹥x器儀表中作為電流的標(biāo)準(zhǔn)。然而近來(lái)隨著LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,這種二極管突然引起了廣泛的興趣。很多國(guó)外的大公司都開(kāi)發(fā)出這種產(chǎn)品以供驅(qū)動(dòng)LED,這是因?yàn)長(zhǎng)ED必須采用恒流源作為驅(qū)動(dòng)的原因。下面我們將要深入討論一下恒流二極管的性能和應(yīng)用。一.什么是恒流二極管理想的恒流源是一種內(nèi)阻為無(wú)窮大的器件,不論其兩端電壓為何值,其流經(jīng)的電流永遠(yuǎn)不變。當(dāng)然這種器件是不可能存在的。實(shí)際的恒流二極管相當(dāng)于一個(gè)在一定工作電壓范圍內(nèi)(例如25-100V,其電流恒定為某一值(例如20mA。其等效電路如圖

2、1所示。 圖1. 恒流二極管的等效電路其內(nèi)阻為Z,并聯(lián)的電容大約為4-10pF。其典型的伏安特性如圖2所示。 圖2. 恒流二極管的典型伏安特性它在某一個(gè)電壓范圍內(nèi)有一段恒流區(qū)間,在這個(gè)區(qū)間,流經(jīng)的電流幾乎不變, V L為到達(dá)I L的電壓值,I L大約為0.8Ip,Vb為擊穿電壓值。但是實(shí)際的恒流二極管并不是那么理想。圖3是美國(guó)Supertex的CL1恒流二極管的特性。它的電流仍然會(huì)隨電壓而有所增加。 圖3. 實(shí)際的恒流二極管的伏安特性恒流二極管的另一個(gè)特性就是它的溫度特性,溫度特性通常用相對(duì)值%/°C或絕對(duì)值A(chǔ)/°C來(lái)表示。這個(gè)溫度系數(shù)通常是負(fù)值。其值取決于恒流的值,恒流值

3、越大,溫度系數(shù)也越大,通常在-0.4%-0.6%之間。為了達(dá)到恒流的目的當(dāng)然不希望電流隨溫度變動(dòng),所以通常需要采用溫度補(bǔ)償措施(圖4。 圖4. 恒流二極管的溫度補(bǔ)償措施采用溫度補(bǔ)償以后就可以把電流的溫度系數(shù)降低到很小的數(shù)字,例如Supertex 公司的CL1的電流溫度系數(shù)只有-8.5A/°C。二.恒流二極管的構(gòu)成最簡(jiǎn)單的恒流二極管就是采用一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(圖5。 圖5. 用一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成恒流二極管用兩個(gè)晶體三極管,也可以構(gòu)成一個(gè)恒流源(圖6。 圖6. 用兩個(gè)三極管構(gòu)成一個(gè)恒流源其電流為:I = Vbe/R1,它雖然很簡(jiǎn)單,但是缺點(diǎn)是不同型號(hào)的管子,其be電壓不是一個(gè)固定值,即使

4、是相同型號(hào),也有一定的個(gè)體差異。所以很難批量生產(chǎn)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),就采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)代替晶體管。同時(shí)在反饋回路里采用一個(gè)運(yùn)放 圖6. 采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和運(yùn)放的恒流源其電流:I = Vin/R1,這個(gè)恒流源還需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓Vin,最簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)電壓就是齊納二極管,所以也可以利用一個(gè)齊納二極管和一個(gè)三極管或場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)構(gòu)成恒流源。 圖7. 采用齊納二極管的恒流源其所恒定的電流:I = (Vd-Vbe/R1。但是,所有以上結(jié)構(gòu)都是利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件來(lái)構(gòu)成恒流源。實(shí)際上現(xiàn)在已經(jīng)可以根據(jù)對(duì)恒流特性的要求,構(gòu)成專(zhuān)門(mén)的半導(dǎo)體器件而能具有所要求的恒流特性。其構(gòu)成如圖8所示。 圖8. 專(zhuān)門(mén)的恒流二極管結(jié)構(gòu)當(dāng)

5、一個(gè)反向偏壓加到PN結(jié)的陰極和陽(yáng)極時(shí),這個(gè)恒流二極管開(kāi)始導(dǎo)通,當(dāng)反向偏壓增加到V時(shí)(見(jiàn)圖2,其電流由于N區(qū)的體電阻也跟著增加,當(dāng)電流增加L到曲線(xiàn)的拐點(diǎn)時(shí),在N區(qū)和P型柵之間形成一個(gè)耗盡層。這個(gè)耗盡層減小了N 區(qū)中電流的路徑也就減慢了電流的增加速度。結(jié)果這個(gè)耗盡層遇到了P型柵于是就產(chǎn)生了夾斷效應(yīng),這使得電流變成恒定而幾乎和所加電壓無(wú)關(guān),直到所加電壓達(dá)到一個(gè)擊穿點(diǎn)Vb。如果所加電壓反過(guò)來(lái),那么就相當(dāng)于一個(gè)正向電壓加到一個(gè)PN結(jié),其特性就和一個(gè)普通二極管加上正向電壓時(shí)一樣。實(shí)際所采用的恒流二極管可分為4條管腳,3條管腳,和2條管腳三種結(jié)構(gòu)和封裝(圖9。 圖9. 3種封裝的恒流二極管其中4條管腳的恒流

6、二極管主要用于可調(diào)恒流電流。三.幾種恒流二極管的參數(shù) 四.恒流二極管的散熱由于恒流二極管要吸收市電電壓的變化而有可能會(huì)承受很高的電壓,假如電流也很大的話(huà),它的功耗有可能會(huì)相當(dāng)大,也就必須要有很好的散熱,以免損壞內(nèi)部的芯片。恒流二極管的散熱主要取決于它的管殼封裝。各種不同封裝的散熱能力 NSI50350ADT4G其耗散功率高達(dá)11W。不過(guò)如果整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)于這樣高的耗散功率也說(shuō)明其效率不高,是需要避免的。五.恒流二極管作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)源我們知道LED必須采用恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng),否則由于它的負(fù)溫度系數(shù),而會(huì)使電流急劇上升導(dǎo)致結(jié)溫升高,壽命縮短。而恒流二極管的恒流作用恰恰可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。最簡(jiǎn)單的方法就是

7、直接和LED串聯(lián)。但是我們?cè)诎押懔鞫O管用于LED 驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意選擇恰當(dāng)?shù)碾娏骱湍蛪骸?.1 最低電壓由于恒流二極管需要一定的電壓Vk才能夠進(jìn)入恒流,所以太低的電源電壓是無(wú)法工作的。通常這個(gè)Vk大約在5-10V左右,所以大多數(shù)采用電池供電的LED 是無(wú)法工作的。3.2 最大電流由于恒流二極管的功耗受到限制,所以過(guò)大的電流也是不合適的。例如1W的LED通常需要350mA,恒流二極管就很難提供。3.3 目前比較合適的使用場(chǎng)合就是交流市電供電的LED燈具,采用很多小功率LED串聯(lián),也就是高壓小電流的情況是最為合適。圖10就是一種用于球泡燈的恒流二極管驅(qū)動(dòng)源。其負(fù)載是80顆3014,總功率為8W。所

8、用的恒流二極管也是恒流在30mA。假如手頭的恒流二極管只有5mA 的,就需要6個(gè)并聯(lián)。 圖10. 采用恒流二極管作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電源在這里,恒流二極管的作用就是要在輸入市電電壓變化時(shí),保持輸出電流不變。但是由于恒流二極管的耐壓有一定的限制,所以它所能吸收的電源電壓變化也是有限的。就拿100V耐壓的CRD來(lái)說(shuō),用在220V市電電源里,都還只能對(duì)付有限的電壓變化。220V經(jīng)過(guò)橋式整流以后它的輸出直流電壓大約為264V。如果市電變化+10%,-15%,就相當(dāng)于整流后為290187V,電壓變化103V。已經(jīng)超過(guò)其耐壓了。假如所用的LED為80顆,那么總電壓為264V,正好相當(dāng)于220V 經(jīng)過(guò)橋式整流以后

9、的值。這時(shí)候恒流二極管上沒(méi)有壓降,但是這時(shí)候它是不能工作的而至少需要10V壓降,也就是要求整流后電壓為274V,市電電壓為228V AC。那時(shí)候恒流二極管壓降為最小,功耗也最小,只有0.03Ax10V=0.3W,整體效率為最高可達(dá)96%(當(dāng)然還要考慮整流器的效率,實(shí)際上還會(huì)低一些。如果市電增高至242V AC,那么恒流二極管電壓就增高為26.4V,其功耗也增加到0.79W,這時(shí)候效率就等于91%。如果市電電壓低于228V,是不是恒流二極管就不工作呢?并不是,但的確是不恒流了,這時(shí)候它和LED就會(huì)達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn),那就是二者的電壓和等于市電電壓經(jīng)過(guò)整流后的電壓。因?yàn)長(zhǎng)ED伏安特性的非線(xiàn)性,所以

10、很難用公式來(lái)表示?？傊?當(dāng)市電電壓降低時(shí),LED中的電流就會(huì)隨市電電壓的降低而降低。其亮度也會(huì)跟著變暗。下面舉一個(gè)實(shí)測(cè)的結(jié)果為例,這是一個(gè)80顆3014串聯(lián)的球泡燈,采用了5顆Semitek 的S-562T并聯(lián)。它在不同的輸入市電電壓時(shí),所測(cè)得的結(jié)果如下表所示。 27.127.8mA的范圍內(nèi),而且效率在82.5%95.79%范圍內(nèi),即使在輸入電壓過(guò)低而無(wú)法恒流時(shí),它的效率還能高達(dá)98-99%,這是采用恒流二極管的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。它的唯一的缺點(diǎn)是功率因素比較低,只有0.5350.543。3.4無(wú)源功率因素校正如果需要提高功率因素可以采用無(wú)源功率因素校正(見(jiàn)圖11?？梢园压β室驍?shù)提高到0.9左右,

11、但是會(huì)增加兩個(gè)大電解電容(22uF,250V和三個(gè)二極管,在球泡燈里會(huì)受到體積的限制,而且成本會(huì)提高、效率也會(huì)降低。 圖11 無(wú)源功率因素校正3.5有源功率因數(shù)校正假如要求更高的功率因數(shù),就可以采用有源功率因數(shù)校正。美國(guó)安森美公司加了一個(gè)功率因素校正芯片NCP1014的恒流二極管的電源,其電原理圖見(jiàn)圖12。 圖12. 非隔離式電源原理圖 圖13. NCP1014LEDGT外形圖其實(shí)這個(gè)電源的核心就是一個(gè)恒流二極管NSI45025,以確保LED恒流在25mA。所以它只能用于小功率貼片式的LED。其中外加的集成電路NCP1014實(shí)際上是一個(gè)有源式的功率因數(shù)校正(PFC,可以把它的功率因數(shù)提高到&g

12、t;0.9以滿(mǎn)足美國(guó)能源之星的要求。輸入端的L1,C1,C2是一個(gè)防電磁干擾EMI的濾波器。它的缺點(diǎn)是非隔離,所以220V會(huì)直接加到負(fù)載LED上。但是歐盟IEC 61347-2-13 (5/2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在LED負(fù)載端電壓不可超過(guò)25V AC或35VDC。所以采用非隔離電源是無(wú)法出口歐盟的。六.使用恒流二極管時(shí)的性能擴(kuò)展在選用現(xiàn)有的各種型號(hào)恒流二極管時(shí)經(jīng)常遇到所需要的電流或電壓不能滿(mǎn)足要求的情況。下面介紹幾種方法解決這些問(wèn)題。6.1 加大恒流電流為了加大電流,最簡(jiǎn)單的方法就是用幾個(gè)恒流二極管并聯(lián)(圖12, 圖12. 多個(gè)恒流二極管并聯(lián)以增大電流但是這會(huì)增加成本,因?yàn)楹懔鞫O管比較貴。另一個(gè)簡(jiǎn)

13、單的方法,就是用一個(gè)晶體三極管來(lái)加大電流。圖13表明了采用NPN和PNP三極管進(jìn)行電流放大的電原理圖。 圖13. 采用NPN和PNP三極管加大恒流電流它們實(shí)際上都是利用小電流恒流二極管提供三極管的基極電流,經(jīng)過(guò)三極管放大倍以后再供給負(fù)載。圖14表明其輸出電流和R1的關(guān)系。 圖14. 放大以后的恒流特性其實(shí)這種方法在批量生產(chǎn)中是行不通的,因?yàn)楦鱾€(gè)晶體三極管的有所不同,輸出的恒流值也不同。除非對(duì)三極管的值進(jìn)行挑選分檔,那也會(huì)增加成本。但可以用于對(duì)恒流值的精確度要求不高的場(chǎng)合。6.2 增高耐壓有不少現(xiàn)成的恒流二極管的耐壓往往不夠高， 當(dāng)然最簡(jiǎn)單的方法就是用兩個(gè)或幾 個(gè)恒流二極管串聯(lián)。 同樣這樣成本就

14、會(huì)增高。 也可以用增加一些其它器件來(lái)提高。 1. 串聯(lián)齊納管 最簡(jiǎn)單的方法就是和恒流二極管串聯(lián)一個(gè)齊納二極管來(lái)提高耐壓（圖 15） 。 圖 15 采用齊納二極管來(lái)增高耐壓 這種方法可將起始電壓提高到齊納二極管的電壓 V2，但是在低于這個(gè)電壓時(shí)， 也就無(wú)法恒流。 2. 串聯(lián)一個(gè) MOS 管來(lái)增加耐壓（圖 16） 圖 16. 串聯(lián)一個(gè) MOS 管來(lái)增加恒流二極管的耐壓 但是這時(shí)由于 MOS 管承擔(dān)了大部分耐壓，因而其功耗很大，效率降低。有一個(gè) 實(shí)例采用了 75 個(gè)小功率 LED 串聯(lián)后，再兩串并聯(lián)。恒流于 34mA。在最高輸入 電壓時(shí)，MOS 管上壓降達(dá) 70V，功耗 2.38W，還需要很好的散熱器散熱。 下面是實(shí)測(cè)的結(jié)果。 輸入交流電壓 輸入功率 LED 電流 功率因素 總效率 （V） （W） （ma） % 183 9.09 34 0.624 90% 200 10.1 34 0.610 81% 220 11.1 34 0.626 74% 240 12.2 35 0.609 67% 在最高輸入電壓時(shí)的總效率只有 67%，所以還是應(yīng)當(dāng)采用足夠耐壓的恒流二極 管。 6.3 采用恒流二極管時(shí)的 PWM 調(diào)光（圖 17） 圖 17. 用 PWM 信號(hào)來(lái)對(duì)恒流二極管供電的 LED 調(diào)光 采用 PWM 信號(hào)調(diào)光以后可以避免由于改變電流而引起的光譜偏移。 但是不能采 用只有兩條管腳的恒流二極管