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大功率白光LED驱动技术

时间:2007-01-24   来源:   作者:Panic   点击:……  字体大小:【

大功率LED的一些基本资料 

我有一部山地自行车,一直想装一个LED车头灯。有在市场了解一些成品的资料,发现要么太贵,要么性能很差。

大约2006年4月份,我萌生了自己DIY一个的想法。

中间的过程很曲折,所以我决定把这个过程写成一个连载,以方便阅读。这是连载的第一篇,主要介绍大功率LED的一些基本资料。

LED目前相对其他光源的优势主要体现在体积,光效和寿命上,LED和其他光源的对比请参考这一篇文章《白光LED和其他光源的比较》

白光LED的发光原理很特别,是采用蓝光核心,外加荧光粉,荧光粉依靠核心的激发产生复色光,和蓝光混合之后,视觉上感觉是白色的。根据荧光粉的构成比例不同,白光LED也有不同色温的产品。

大功率LED目前比较普遍的产品有两种,一种是单核心(发光体),一种是多核心。

单核心产品在体积和重量等方面占有很大优势,而且接近点光源,可以获得良好的聚光效果,也能产生均匀的漫射,因此用途最广。主要的用途是LED手电,头灯,小型便携式照明设备,小型闪光灯等。

缺点也很明显,因为空间有限,单体功率不容易做大,功率提升到一定程度后,需要的散热设备占据了LED的大部分封装空间。

多核心产品是采用多个单核心的发光体,按照一定的规律排成发光体阵列,然后用串连和并联的方式连接起来,封装在同一个散热基板上。

多核心的优点是很容易制作超过10W的产品,缺点是发光体面积大,不容易实现聚焦。而且随着功率增长,驱动需求也大幅度提高,相当多的多核心产品都要求10V甚至接近20V的驱动电压和1A左右的驱动电流。


这里我们只讨论单核心的产品,以Lumileds的产品系列为例:(公司的网址是www.luxeonstar.com,这个公司的产品遍及全球,其他公司也有一些与其兼容的产品)

Lumileds的白光LED主要有1W,3W,5W和K2系列。1W,3W和5W产品都有额定的驱动电压和电流,而K2则允许相当宽的驱动范围,最大电流高达1.5A。

LED的个体差异比较大,一般我们认为,LED的正向压降在3.0V到4.0V之间,额定状态下,1W的驱动电流是350mA,3W是700mA-1A,而5W是700mA,依靠接近7V的正向压降提升功率。

包括台湾在内的一些地方厂家,使用Lumileds的核心,自己做封装,生产了和Lumileds系列完全兼容的产品,价格上便宜一些,性能上相差也不大,只是批量产品的个体差异相对比较大。

LED的色温和光效都不是恒定值,随着驱动电流的升高,色温会逐渐向暖色变化,而光效在电流达到一定数值之后,会随着驱动电流的继续增加而持续降低。

光效开始降低的那个驱动电流,实际上比额定电流小非常多,这个时候LED拥有最高的光效。但是为什么不把这个电流作为LED的额定驱动电流呢?很多人会有这个疑问。原因很简单,大功率LED的存在,是以其能在有限空间内发挥更大的功率而设计的,并不是单纯追求高光效。

最终LED能够造成的实际照明效果,更多的是由外部的光学配件决定,大功率LED把核心压缩在一个接近点光源的状态,极大提高了对外部光学设备的利用率,从而有效的提升了最终的照明效果(从这个角度讲,多核心LED是对这个优点的抹杀)。


LED的失效形式,除了物理破坏,反向击穿等之外,主要是热损坏,这使得对LED的保护主要集中在散热上。而且,如果散热良好,大功率 LED即使工作在超过其额定功率的状态,也不会有很明显的损坏,这和PC上对CPU超频使用非常相似,因此LED的用户也把这种超功率使用叫做“超频”。

由于热损坏是一种需要时间累积的破坏,因此LED短时间内工作在远高于额定的状态,一般也不会造成永久性的损坏。这个特性使得LED可以用平均电流符合其额定值,但是瞬间电流高于其额定值的脉冲电流驱动。

举个例子:比如3W LED的额定驱动电流为700mA,那么我可以使用一个1.4A,占空比为50%的方波驱动。这个时候LED的平均功率仍然接近其额定值。但是由于LED在1.4A下的光效远低于700mA,所以尽管功率接近,但是实际亮度却会降低。

对于大功率LED的亮度调节,一般都是采用电流调节,但是官方推荐的方式却是用PWM调节。这是为什么呢?其实原因也很简单。

由于LED的电流/光通量曲线并非线性,单纯调节电流并不能得到线性的光照效果,而PWM方式则可以更好的得到线性的结果。同时LED的色温随驱动电流变化,降低电流之后有可能会使得色温偏离需求,而PWM方式只要开启状态的电流能够达到色温的要求,则最终色温也一定满足要求。

以上是大功率白光LED的一些资料,可能会和其他无论是官方还是权威的有所不同,不过这些都是实际使用和测试的结果,相信更加具有参考的价值。

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