LED串并方式及恒压源、恒流源的选择分析

LED 串并方式及恒压源、恒流源的选择分析第一部分：基础分析篇考虑选用什么样的LED驱动器，以及LED作为负载采用的串并联方式，合理 的配合设计，才能保证LED正常工作。例如，驱动28盏LED时，可以设想的连接方法有六种。一种是先串联14个 LED （LED串）然后并联两条这样串联而成的LED串（14串联x2并联）。除此之 外，还有7串联x4并联、4串联x7并联、2串联x14并联、28串联x1并联、1 串联x28并联等连接方式。究竟哪种连接方法最佳呢？【附：通常情况下，很多的朋友拿到LED电源，不知道怎么样区分恒压源和 恒流源。拿到一个 LED 电源，查看铭牌，找到输出电压这个关键参数：如果它的 电压标称是一个恒定值，则是恒压源。如果是一个范围值，则是恒流源。例如： 有一个电源它的输出电压是12V,我们则确定这个是恒压源，如果它标称的是 30-70V 呢，那么这个电源一定是够恒流源。】1、LED 采用全部串联方式要求LED驱动器输出较高的电压（如图1）。当LED的一致性差别较大时，分 配在不同的LED两端电压不同，通过每颗LED的电流相同，LED的亮度一致。图1图2当某一颗 LED 品质不良短路时，如果采用稳压式驱动（如常用的阻容降压方 式），由于驱动器输出电压不变，那么分配在剩余的 LED 两端电压将升高，驱动器 输出电流将增大，导致容易损坏余下的所有LED。如采用恒流式LED驱动，当某 一颗 LED 品质不良短路时，由于驱动器输出电流保持不变，不影响余下所有 LED 正常工作。当某一颗LED品质不良断开后，串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是在每个LED两端并联一个稳压管，当然稳压管的导通电压需要比LED的 导通电压高，否则 LED 就不亮了。2、LED 采用全部并联方式要求 LED 驱动器输出较大的电流，负载电压较低（如图3）。分配在所有 LED 两端电压相同，当LED的一致性差别较大时，而通过每颗LED的电流不一致，LED 的亮度也不同。可挑选一致性较好的LED，适合用于电源电压较低的产品（如太 阳能或电池供电）。图3当某一个颗 LED 品质不良断开时，如果采用稳压式 LED 驱动（例如稳压式开 关电源），驱动器输出电流将减小，而不影响余下所有LED正常工作。如果是采用 恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保持不变，分配在余下LED电流将增大， 导致容易损坏所有LED。解决办法是尽量多并联LED，当断开某一颗LED时，分 配在余下LED电流不大，不至于影响余下LED正常工作。所以功率型LED做并联 负载时，不宜选用恒流式驱动器。当某一颗LED品质不良短路时，那么所有的LED将不亮，但如果并联LED数 量较多，通过短路的LED电流较大，足以将短路的LED烧成断路。3、LED 采用混联方式在使用比较多LED的产品中，如果将所有LED串联，将需要LED驱动器输出 较高的电压。如果将所有LED并联，贝懦要LED驱动器输出较大的电流。将所有 LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED负载电流较大，驱动 器的成本也会大增。解决办法是采用混联方式。图4如图4所示，串并联的LED数量平均分配，分配在一串LED 上的电压相同， 通过同一串每颗LED上的电流也基本相同，LED亮度一致。同时通过每串LED的 电流也相近。当某一串联 LED 上有一颗品质不良短路时，不管采用稳压式驱动还是恒流式 驱动，这串LED相当于少了一颗LED,通过这串LED的电流将大增，很容易就会 损坏这串LED。大电流通过损坏的这串LED后，由于通过的电流较大，多表现为断路。断开一串 LED 后，如果采用稳压式驱动，驱动器输出电流将减小，而不影 响余下所有LED正常工作。如果是采用恒流式LED驱动，由于驱动器输出电流保 持不变，分配在余下LED电流将增大，导致容易损坏所有LED。解决办法是尽量 多并联LED，当断开某一颗LED时，分配在余下LED电流不大，不至于影响余下 LED 正常工作。第二部分：拓展提高篇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5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5所示图 5 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6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)。(ue)ccl!.l-z:upfm-clldE_i:ALL一400350300250200150100500.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 V 卩-Forward Voltage (Volts)图6 1W大功率LED的伏安特性02. 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 7 伏安特性的温度特性温度系数通常是-2mV/度(-1.52.5mV/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,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 8 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，采用恒压电源，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 9 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12。不等于原来的Io 了。图 9 串联电阻在常温下保持其电流不变，但温升后就不能保持电流平衡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 10 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11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 11 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 12 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：结构任何一个坏了併路）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电这一个不亮，这一串电流略流加倍，寿命缩短，很快都坏为加大两串中两两并这一个不亮，同行另一个电流加这一个不亮，和它并联的另联倍，很快坏掉；如为开路，所有不亮，如为短路，这一行两个LED不亮一个也不亮N串同行并联这一个不亮，同行其余电流加大这一个不亮，和它并联的其N/ （N-1）倍，N越大越安全它各个也都不亮每个LED并联稳压管，各串并联这一个不亮，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