胡 光，張 俊

（淮陰工學(xué)院，淮安 223003）

0 引言

當(dāng)前全球能源短缺和地球環(huán)境變暖的憂慮再度升高，節(jié)能減排是全世界面臨的重要問(wèn)題，在照明領(lǐng)域，被稱(chēng)為希望之光的第四代綠色照明光源LED正吸引著世人的目光，是當(dāng)前照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

盡管目前LED照明發(fā)展比較迅猛，但在一些技術(shù)指標(biāo)上還需要大的提高，其主要表現(xiàn)為存在著光衰。LED光源雖然壽命比較長(zhǎng)，但目前使用一定的時(shí)間以后，其照度會(huì)下降，產(chǎn)生光通量衰減（光衰）。產(chǎn)生LED光衰的原因主要有兩個(gè)：1）是LED產(chǎn)品本身品質(zhì)問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程中采用品質(zhì)不好的晶粒，晶粒散熱不能很好地從PIN腳導(dǎo)出，導(dǎo)致LED晶粒溫度升高，產(chǎn)生光衰；2）是LED的驅(qū)動(dòng)電源問(wèn)題，目前LED的驅(qū)動(dòng)電源多數(shù)采用恒流電源，部分采用恒壓電源，這類(lèi)驅(qū)動(dòng)電源往往導(dǎo)致流過(guò)LED的電流大于它的額定電流，從而使得LED本身發(fā)熱，產(chǎn)生光衰。

由LED的晶粒造成的光衰，可以通過(guò)改變生產(chǎn)LED的工藝得到改進(jìn)；LED照明的驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，是當(dāng)前推廣LED照明過(guò)程中的現(xiàn)實(shí)和迫切的問(wèn)題。

1 LED的溫度特性

LED產(chǎn)生光衰的根本原因是LED在使用過(guò)程中溫度超過(guò)其額定溫度，因此分析LED的溫度特性，對(duì)于設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源具有密切的聯(lián)系，本文以Cree公司的XLamp7090XR-E3.3V，350mA(1.2W)白光LED為例，介紹LED的溫度和伏安特性關(guān)系以及結(jié)溫和光衰關(guān)系。

1.1 LED的溫度和伏安特性曲線

LED的溫度特性首先體現(xiàn)在它的伏安特性曲線上，雖然在特定的溫度情況下它的伏安特性曲線類(lèi)似于一般二極管，但其伏安特性曲線隨著溫度的變化是比較大的，圖1是溫度在30℃～100℃之間的伏安特性曲線。

從圖1中我們可以看到，這種LED的導(dǎo)通電壓隨著溫度變化改變是比較大的，通常可以達(dá)到-4mV/℃，比一般的二極管大約一倍，相應(yīng)的這種LED工作電流隨溫度的變化也是較大的，基于這種特征，一旦LED的工作溫度升高，LED的導(dǎo)通電流就加大，電流越大，溫度又會(huì)越高，形成惡性循環(huán)，不僅會(huì)使LED產(chǎn)生光衰，同時(shí)還要影響整個(gè)裝置的散熱條件，影響整個(gè)裝置的使用壽命，因此必須控制LED的工作溫度。

圖1 伏安特性與溫度的關(guān)系

圖2 結(jié)溫與光通量衰減的時(shí)間曲線

1.2 LED的結(jié)溫與光衰

圖2是LED結(jié)溫與光通量衰減的時(shí)間曲線，從圖2中可以看出：結(jié)溫越高，光通量衰減越快，結(jié)溫與光通量衰減基本上呈線性關(guān)系。以光通量衰減到80%計(jì)算LED的工作期限，在結(jié)溫為105℃時(shí)，約10000小時(shí)，在結(jié)溫為65℃是，工作期限約為8萬(wàn)小時(shí)，因此控制結(jié)溫，就可以延緩光通量衰減的時(shí)間，也就是延長(zhǎng)LED使用期限。

2 LED脈沖驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

本文基于溫度傳感器控制的LED脈沖驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的主要思想是：LED是以額定電流啟動(dòng)和工作的，通過(guò)LED的電流為方波，隨著照明時(shí)間的增加，LED的溫度升高時(shí)，根據(jù)LED伏安曲線的溫度特性，控制通過(guò)LED上的電流脈沖的導(dǎo)通比，減少流過(guò)LED上的電流，達(dá)到控制LED的工作溫度，從而減少光衰，延長(zhǎng)LED的使用壽命。

2.1 脈沖電源設(shè)計(jì)的工作原理

基于溫度傳感器控制的LED脈沖驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的原理如圖3所示，220V交流電壓經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓形成由脈沖發(fā)生器控制的驅(qū)動(dòng)電路，脈沖發(fā)生器的工作頻率設(shè)計(jì)在300Hz～400Hz之間，脈沖的導(dǎo)通比由溫度傳感器控制，當(dāng)溫度在常溫時(shí)脈沖導(dǎo)通比設(shè)計(jì)為90%，隨著溫度升高，導(dǎo)通比將逐步下降，因此流過(guò)LED的電流將逐漸地減少，從而使LED的溫度降低。

圖3 基于溫度傳感器控制的LED脈沖驅(qū)動(dòng)電源的原理框圖

2.2 脈沖驅(qū)動(dòng)電源的電路設(shè)計(jì)

脈沖發(fā)生電路是非常成熟的電路，應(yīng)用也比較廣泛，選擇使用脈沖發(fā)生電路的原則是線路簡(jiǎn)潔、可靠性高、壽命長(zhǎng)；本文采用典型的555時(shí)基電路作為脈沖發(fā)生電路，555時(shí)基電路具有工作電壓寬，易于調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。圖4為使用溫度傳感器調(diào)節(jié)脈沖的電源電路線路圖，其中Rt為溫度傳感器，脈沖寬度由Rt、R1、R2和C1的參數(shù)決定，Q1為功率開(kāi)關(guān)三極管，R3為限流電阻。

圖4 為使用溫度傳感器調(diào)節(jié)脈沖的電源線路圖

圖5 Rt阻值與溫度的關(guān)系曲線

2.3 相關(guān)器件的選擇和參數(shù)計(jì)算

溫度傳感器Rt采用負(fù)溫度系數(shù)的半導(dǎo)體熱敏電阻，型號(hào)采用MF11系列，其電阻與溫度的關(guān)系曲線如圖5所示，在常溫下25℃時(shí)電阻值約為8.2K，在85℃時(shí)電阻值約為1.5K?？紤]到LED在25℃時(shí)電路的導(dǎo)通比為90%，在85℃時(shí)導(dǎo)通比為75%，根據(jù)555時(shí)基電路的頻率周期計(jì)算公式，占空比D為：

25℃時(shí)：Rt＝8.2K，85℃時(shí)：Rt＝1.4K，計(jì)算：R2 =1.13K，取 R2 =1.2K；R1 =0.86K，取 R1=0.82K；工作頻率設(shè)計(jì)為400HZ，C1取值為1.2uF。占空比由90%調(diào)節(jié)到75%，通過(guò)LED管芯的電流可以下降16.7%，足以限制和保護(hù)LED的溫度當(dāng)電源的不超過(guò)85℃，從而解決LED的發(fā)熱和光衰問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

LED照明電源設(shè)計(jì)的不合理，不僅將大部分的電功率轉(zhuǎn)化為熱量，同時(shí)還需要設(shè)計(jì)比較大的散熱器，這樣電路不僅復(fù)雜，故障率還高，使用壽命短、生產(chǎn)成本也將升高，大大地限制了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力與購(gòu)買(mǎi)群。將目前LED恒流或恒壓驅(qū)動(dòng)的電源，設(shè)計(jì)成用溫度傳感器控制的脈沖驅(qū)動(dòng)電源，不僅電路簡(jiǎn)潔，還可以從根本上解決LED照明中的散熱問(wèn)題，節(jié)約成本，提高效率，延長(zhǎng)LED照明的工作壽命，是當(dāng)前推廣LED照明行之有效的途徑和手段。

[1] 胡險(xiǎn)峰, 朱世國(guó)PN結(jié)正向伏安特性曲線隨溫度的變化物理實(shí)驗(yàn), 2003. 10.

[2] 程江華, 謝劍斌, 丁文霞, 等. 白光LED電源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 電子技術(shù), 2005, (8).

[3] 國(guó)家半島體照明產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟. 中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展年鑒(2006). 科學(xué)出版社, 2006.

[4] 周志敏, 周紀(jì)海, 紀(jì)愛(ài)華, 等. LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京: 人民郵電出版社, 2006.