白光发光二极管在照明应用中的阵列方式及匹配

２０１２年３月　光源与照明　２０１２年第１期　白光发光二极管在照明应用中　的阵列方式及匹配　杨光中国科学技术大学国家同步辐射实验室（安徽合肥２３００２９）　摘要白光发光二极管（ＬＥＤ）在照明应用中具有突出的技术优势，被誉为新一代照明光源的代表。文章主要介绍了白光发光　二极管（ＬＥＤ）照明自身的光学特性、电学特性以及驱动电源的输出形式，并在各自相互比较的基础上探讨了不同结构ＬＥＤ阵列的　构成方式、工作特点、使用优势，以及与驱动电源的输出匹配等相关问题。此外介绍了照明应用中的要求和注意事项。　关键词　白光发光二极管（ＬＥＤ）照明；阵列方式；应用；匹配　０前言　ＬＥＤ光源也因具有相对较低的市场进入门槛而易于为　市场所接受和使用。　就目前而言，虽然白光发光二极管（ＬＥＤ）的发　光效率已经大于１００　ｌｍ／Ｗ，并且采用大规模集成芯片　１　ＬＥＤ阵列的构成及特点　封装技术，形成了功率为几十瓦甚至数百瓦ＬＥＤ超大　依据白光ＬＥＤ照明光源的光学特性，ＬＥＤ阵列　功率器件的出现，从而使只采用单颗ＬＥＤ就能满足有　的构成具有自身的特点。由于在照明应用中ＬＥＤ阵列　效照明光输出的要求变为现实。尽管如此，制约它们　与ＬＥＤ恒流驱动电源之间需要紧密配合，因此在具体　应用于固态照明领域的主要因素，除了在使用中的配　讨论ＬＥＤ阵列的构成问题之前，首先介绍ＬＥＤ恒流　光特性、发热过于集中以及器件本身造价过高外，还　驱动电源的输出方式及特点。　有发光效率相对较低以及应对室外严酷环境能力有限　１．１　ＬＥＤ恒流驱动电源的输出方式　等诸多不利因素。而市面上广泛应用、价格低廉的功　ＬＥＤ恒流驱动电源的输出方式主要有单端输出型　率为１　Ｗ的白光ＬＥＤ，由于具有性能一致性好、发热　驱动电源（Ａ）、多路并联型（ＤＣ总线）驱动电源（Ｂ）　量低、热点分散、易于散热、光效率高、易于变化组　和多端输出型驱动电源（Ｃ）三种类型。其中（Ａ）为　合及易于调控等特点，已经成为ＬＥＤ照明器件的主　基本类型，其他两种（Ｂ）和（Ｃ）都是在此基础上衍　流。再通过多种阵列的构成方式，在大、中、小不同　生出来的。其原理示意及技术性能的综合评价分别见　功率的照明方面得到了广泛的应用，由其开发出的　图１和表１所示，限于篇幅不再赘述。　，　ｌ　，　Ｉ　恒流电源　高频ＬＥＤ　Ｖｅ　ｌｌ　ｂ　高频ＬＥＤ　ｆ　二　２竺Ｉ　＋ＩＬ　　高频ＬＥＤ　Ｊ　恒流电源　ｌ　恒流电源　单端输出型驱动电源（Ａ）　姜　多端输出型驱动电源（Ｃ）　图１　ＬＥＤ恒流驱动电源输出的原理示意（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）　・５・　２０１２年３月　光源与照明　２０１２年第１期　ＬＥＤ审　单元　ＬＥＤ单端并一串联④　ＬＥＤ单端并一串联⑤　ＬＥＤ多端并一串一并联⑥　图３　ＬＥＤ单端并一串联④及衍生的阵列方式⑤⑥　２．２．２衍生的阵列分为两个方面来分析　在⑥中采用的是多端并一串一并联的阵列方式，　为了进一步增加照明光源ＬＥＤ的光输出以及提高　主要是为了配合具有多路输出（　－、　、…　）的　整体的可靠性，采用多路并联的方式就形成了⑤中的　驱动电源。由于每一路输出电流（厶－、厶ｚ、…厶。）为独　单端并一串一并联的阵列方式，电路的分析与２．２．１中　立控制的，因此具有恒流输出精度高，可靠性好等特　的分析相似，只是每一最小单元并联ＬＥＤ间的电　点，整体的使用性能相对来说就更好。同样，阵列⑥　流（厶　、厶。。、…厶　．　）以及每一整串间的电流（厶－、　、　也可以配合（Ｂ）的输出方式。　…　）分配较为复杂，要做到尽量相等。当某一个ＬＥＤ　２．３　ＬＥＤ单端串一并一串联及衍生的阵列方式　开路时只会稍微影响到本串回路ＬＥＤ的光输出，而整　ＬＥＤ单端串一并一串联及衍生的阵列方式的原理　个照明光源仍然可以提供几乎不变的光输出，因此可　见图４所示，主要包含基本的阵列⑦、衍生出来的阵　靠性更好。存在的不足还是前面提到的需要引人串联　列形式⑧即单端串一并一串一并联及多端串一并一串　电阻Ｒ　－Ｒ　来平衡每一串的电流，增加了驱动电源的　一并联⑨。　损耗，降低了光源的整体效率。　ＬＥＤ审　ＬＥＤ单端串一并一串联⑦　ＬＥＤ单端并一串一并联⑧ＬＥＤ多端串一并一串一并联⑨　图４　ＬＥＤ单端串一并一串联⑦及衍生的阵列方式⑧⑨　概括起来，上述的ＬＥＤ阵列方式具有如下的特点：　参照比较，主要的特点也是输出功率更大。　２．３．１通过比较可见，将④的每一单元中采用多颗ＬＥＤ　同样如此，在⑨中采用的是多端串一并一串一并　串联时就构成了⑦中的单端串一并一串联阵列方式。　联型阵列方式，也由⑦变化而来。主要是为了配合具　具体特点与④的特点相仿，可以参照和比较，不再重　有多路输出的驱动电源而设计的，具有电流恒流精度　复，只是可以获得更大的光输出功率。　高，相互影响小，输出功率大，可靠性好等特点，当　２．３．２再将⑦进行并联扩展就形成了⑧的阵列方式，主　然阵列⑧也可以配合（Ｂ）的输出方式，在此不作详　要是为了增加ＬＥＤ照明光源的光输出以及提高整体的　述，可自行分析。　可靠性。此阵列的特点与⑥所列举的相仿，可以相互　２．４　ＬＥＤ阵列方式的汇总比较　・７・　２０１２年３月　光源与照明　２０１２年第１期　上面一共罗列了９种（①～⑨）ＬＥＤ照明的阵列　相同外，还要考虑到每一串大电流大小相等的问题，　方式，基本上涵盖了照明的应用范围，大致的变化规　使整个光源的每个ＬＥＤ光输出尽量相同，即总体光输　律是：阵列的构成方式由简单到复杂、光源的光输出　出的均匀性和一致性好。　功率由小到大、照明的可靠性也由低到高。为了便于　３．２　ＬＥＤ阵列与驱动电源匹配汇总　比较各自的性能特点，特汇总于表２。　以上主要讨论了ＬＥＤ阵列方式与驱动电源的匹配　表２　ＬＥＤ阵列方式的汇总比较　问题。为了便于比较各自的性能特点并进行综合评价，　项目　阵　列　特列出表３，供参考比较。　①　②　③　④　⑤　⑥　⑦　⑧　⑨　表３　ＬＥＤ阵列方式与驱动电源的匹配汇总　光输出　小　中小中小　中　中　中大中大大　大　可靠性　差　较差　好　较好好　好　好较好好　ＬＥＤ阵列方式　与驱动输出的匹配　结构　简单　简单较复杂复杂复杂复杂复杂复杂复杂　①、②、④、⑤、⑦、⑧　（Ａ）　③、⑥、⑨　（Ｂ）、（Ｃ）　３　ＬＥＤ阵列与驱动电源的匹配及汇总　４结束语　在ＬＥＤ照明应用中，驱动电源的输出及匹配主要　在目前的条件下，白光ＬＥＤ照明的应用仍然需要　涵盖两个方面：一是驱动电源的输出形式和ＬＥＤ阵列　采用具有一定规则要求的阵列方式来达到总光输出量　的构成方式；二是如何进行两者间的合理匹配。　的要求。本文主要从构成白光ＬＥＤ阵列的方式和特　虽然三种ＬＥＤ驱动电源都能够驱动ＬＥＤ阵列工　点、使用条件及场合，以及驱动电源的输出形式和特　作，但并非都适合所有ＬＥＤ阵列的构成方式。为了便　于有针对性的探讨问题，下面讨论时假设驱动电源的　性出发，探讨了ＬＥＤ阵列与驱动电源输出之间合理匹　输出电流、电压参数都满足被连接的ＬＥＤ阵列的要求。　配等相关问题，以及需要注意的有关事项。由此可见，　无论是对于合理科学的ＬＥＤ照明阵列方式，还是对于　３．１　ＬＥＤ阵列与驱动电源的匹配　具有良好性能驱动电源设计，甚至是生产上的方便可　３．１．１在ＬＥＤ阵列①和阵列②中，由于是单一的串联　方式，因此在与驱动电源匹配时可以依据要求来选用　靠、故障维修上的迅速快捷等，ＬＥＤ的阵列方式与驱　单端输出形式的驱动电源（Ａ）。需要注意的是：在②　动电源输出形式的匹配具有严格的技术要求。也就是　中每一串ＬＥＤ的电阻需要合理匹配，以消除单个ＬＥＤ　说，以上这些探讨和研究对于ＬＥＤ照明的推广和应用　的微小差异，以便保证各组ＬＥＤ流过的电流尽量相　而言都具有积极的现实意义。　等，使每串ＬＥＤ的光输出和整个光源的每个ＬＥＤ光　参考文献　输出都尽量相同。　【１】　毛兴武，周建军．新一代绿色光源ＬＥＤ及其应用技术ｆＭ】．　人民邮电出版社，２００８，０８．　３．１．２在ＬＥＤ阵列④、⑤、⑦、⑧中，电路的构成方　【２】　钟金元．ＬＥＤ驱动电路的研究【Ａ】．北京良业照明工程有限公　式较为复杂。由于是单端阵列，仍然可以选用单端输　司，ｗｅｎｋｕ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｒｎ／ｖｉｅｗ　２０１１，９．　出形式的驱动电源（Ａ）来匹配。主要涉及到的问题　【３】　周志敏等．ＬＥＤ驱动电路设计与应用【Ｍ】．人民邮电出版社，　２００６，１２．　是：在④、⑦中要合理选择单个ＬＥＤ串联电阻的大　［４】　翁寿松．白色发光二极管及其驱动电路［Ｊ】．电子元件应用，　小，保证流过的电流（厶　，，ｄ２，…　）尽量相等，使每　２００４（Ｏ５）．　串ＬＥＤ的光输出相同；在⑤、⑧中除了要考虑合理选　【５】关兵，徐大林等．ＬＥＤ驱动和匹配方式应用研究【Ｊ】，中国照　择单个（或单串）ＬＥＤ串联电阻的大小，保证流过每　明，２００７（１１）．　．　一小串回路的电流（　，，ｄ２，…　）尽量相等，使每　【６］ＬＥＤ灯的串并联方式对灯具寿命的影响【Ａ】．ＯＦｗｅｅｋ半导体　照明网，２０１１，０７。　一小串ＬＥＤ的光输出相同，此外还要考虑每一大串电　【７】颜重光．ＬＥＤ路灯驱动电路技术【Ａ］．ｗｅｎｋｕ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｒｎ／ｖｉｅｗ　流的大小相等问题，使得整个光源每个ＬＥＤ的光输出　２Ｏ１０。９．　尽可能相同。　［８】ＬＥＤ驱动器通用要求【Ａ】ｗｅｎｋｕ．ｂａｉｄｕ．ｃｏｒｎ／ｖｉｅｗ　２０１０，１０．　【９】不同功率等级的ＬＥＤ照明驱动器方案【Ａ］，ＯＦｗ￣ｋ半导体照　３．１＿３在ＬＥＤ阵列③、⑥、⑨中，由于是多端的并联　明网．１ｉｇｈｔｓ．ｏｆｗｃｃｋ．ｃｏｍ／２０ｏ９，ｏ７．　阵列形式，因此只能选择驱动电源的输出形式为（Ｂ）　【１０］魏惠凤，秦大为．大功率ＬＥＤ路灯驱动电源的设计们．电工　或（Ｃ）的电路来与之相匹配。需要注意的是：除了③　技术，２００９（５）：７８－８０　外，阵列⑥、⑨中涉及的均流问题较为复杂，除了要　【ｌｌ】王勇，李扬等．新型ＬＥＤ照明灯具驱动电路的研究与设计　［Ｊ】，仪器仪表用户Ｅ１Ｃ　２０１０，１７（３）：４３－４５　考虑合理选择单个（或单串）ＬＥＤ串联电阻的大小、　【１２］文　孙东．一种低压直流ＬＥＤ照明分级供电系统［Ｊ］．深圳信息　保证流过的电流尽量相等、使每个ＬＥＤ的光输出基本　职业技术学院学报，２０１０，８（２）：７３－７５　・８・