如何选择合适的电源驱动LED照明应用

LED在许多照明应用中正在快速取代荧光灯泡和白炽灯泡。在过去，这些源可以直接从主电压驱动，但这对LED来说是不可能的。本文将介绍LED是什么，如何驱动它，以及如何为此要求选择合适的电源。

什么是LED？

像普通二极管一样，发光二极管（LED）使用半导体材料，其已被杂质“掺杂”以产生PN（正 - 负）结。电流很容易从P侧（阳极）流向N侧（阴极），但不能从另一个方向流动（见图1）。当置于由外部电源供电的电路中时，电流流动，电荷载流子（电子和空穴）从电极流入该结，这些电极处于不同的电压。电子和空穴被称为“带隙”的能量差分开。

图1：LED的N-和P-型掺杂。

当电子时遇到一个孔，它从较高能级到较低能级跨越带隙，释放带隙能量作为具有频率的光子，因此产生对应于带隙能量的颜色。这种关系可用以下公式表示：

WhereEg =带隙能量=普朗克常数c =光速λ=波长

表1显示了许多有色的波长和带隙能量

ColorWavelength（nm）带隙能量，E（eV）红外线λ》 760E 《1.63Red610 《λ《7601.63Orange590 《λ《6102.03Yellow570 《λ《5902.10Green500 《λ《5702.18Blue450 《λ《5002.48Violet400 《λ LED制造商可以“调谐”带隙能量并因此“调谐”所发射的光的波长。这是通过增加或减少杂质水平来实现的，例如，控制半导体的成分。添加更多杂质会降低带隙能量，增加发射光的波长。

LED的带隙随着温度的变化而变化，并且可以使用Varshni的参数（经验测量的值）来预测这种变化的程度。用于计算温度相关的带隙能量）。这种关系在下面的等式中描述：

WhereEg =带隙能量T =温度（K）α，β= Varshni参数

由于α和β都是指定LED的常数，温度升高，LED的带隙能量略有下降。如前所述，减小带隙能量将增加发射光的波长并略微改变发射光的颜色。这被称为温度依赖性光谱偏移LED的性能特征

其中I =二极管正向电流Is =反向偏置饱和电流VDD =二极管正向电压=二极管理想因子VT =热电压k =玻尔兹曼常数q =电子上的电荷T =温度

由于在固定温度T下给定LED的n，k，q和Is是恒定的，因此可以使用LED的VI曲线绘制这个等式如图2所示：

图2：LED电流与电压（25°C）。

Shockley公式还告诉我们LED的正向电压是温度依赖。对于固定的正向电流，随着温度的升高，LED的正向电压降低。这是因为饱和电流Is也取决于温度，可以使用以下公式估算：

接下来，如果我们看一下特征光通量与电流的经验数据曲线（见图3），以及LED的光通量与温度曲线（见图4），我们可以得出两个重要结论：1。 LED在较低的电流水平下运行得更有效（它们具有更高的亮度/W值）。例如，我们可以使用Cree的XM-L高通量LED的数字 。在3 A（和25°C）下驱动LED时，它将发出976流明的亮度。这样做所需的功率为3 A * 3.34 V或10.02 W，效率为97.4 lm/W.

图3：LED光通量与电流的关系（25° C）。

图4：LED光通量与温度的关系（3 A）但是，当LED以1.5 A驱动时，它将发出590流明。所需功率为1.5 A * 3.14 V或4.71 W，效率为125.3 lm/W，显着改善。这种更高的效率意味着LED在较低电流下产生的废热（自加热）较少，可以改变发射光的波长和强度，并通过提高结温来改变正向电压。 》 2。如已经提到的，温度的升高将降低维持恒定电流所需的正向电压（和功率）。然而，流明输出也将下降，并且规模更大。这意味着即使需要更少的功率来维持恒定的电流水平，较低的流明输出将意味着LED的整体效率将下降。

为什么我需要为LED使用驱动器？ 》选择合适的电源是确保LED获得最佳性能的关键。 LED的长寿命促使人们认为最薄弱的环节现在是电源。 Excelsys选择了英国威廉希尔公司网站 ，市场领先的组件和热管理威廉希尔官方网站 ，以便为终身匹配数字的客户提供解决方案。我们还采用了许多符合LED市场要求的设计特性：

IP67等级，防水金属外壳，可能是盆栽的

LED是非线性的具有与温度相关的正向电压的器件（If与Vf） - 即需要通过调节电流来控制

LED是具有正向电压要求的低压DC器件。 LED也需要防止损坏

白炽灯泡是纯电阻性负载，而LED则不是。

驱动器需要在所有线路和负载条件下提供接近1的功率因数

高效率（由灯具设计师要求的每瓦特流明驱动）

高可靠性

长寿命（电源现在被认为是链条中最薄弱的环节）需要数万小时

UL8750批准

未来的设计将有与电源通信的能力

现在我知道为什么需要LED驱动器，我应该使用恒流驱动器还是恒压驱动器？

我们已经说明LED是电流驱动器件那么为什么公司为LED驱动器提供恒流（CC）和恒压（CV）解决方案？

这是为了给灯具设计师提供优化系统的多种选择。如果串联使用多串LED，最有效的驱动方法是使用恒流电源并将LED直接连接到电源端子。但是，如果LED串并联连接，则尝试匹配所有串中的电流可能存在问题。可能的替代方案是放置外部元件或有源电路来控制电流。这可能导致每瓦流明总效率略低，但它允许用户充分灵活地确保相同的电流并行流过许多LED串。

CC模式和CV之间有什么区别模式？图5，6和7显示了电源的三种不同操作模式的特征。在每个图上，轴是相同的。

X轴显示负载增加，Y轴显示模块的输出电压。蓝线是电压，绿线是输出电流。

您将注意到图5所示的恒压电源的性能。正如术语所示，它显示了一个提供恒定电压的单元。负荷增加。负载电流根据系统的要求而上升，并且将继续增加到电源将进入电流限制模式的点，以防止损坏动力传动系。在Excelsys目录中，这由LDV和LXV产品系列表示。许多常见的电压要求和一些不常见的电压都包含在这些范围内。

图5：恒定电压：Excelsys LDV和LXV范围。

图6：恒定电流：Excelsys LDC，LXC和LXD范围。

图7：CC和CV模式：Excelsys LBD产品系列。图6显示了恒定电流驱动器的行为方式。随着负载增加，输出电流将保持固定，电压也相应降低。这包括Excelsys LDC，LXC和LXD产品系列。

Excelsys的最新设计采用两种操作模式，并将它们组合到一个设计中。从图7中，您可以看到该单元最初将如何表现为恒定电压单位。一旦达到负载电流max，控制环路就会将电源电流保持在恒定值并相应地降低输出电压。这种方法对终端设计人员有很多好处，因为如果选择正确，CC和CV模式设计都可以通过一个电源实现。

我们可以看到这些设计模式中的每一个如何用于实现解决方案不同的照明应用。

案例研究1：

案例研究2：

应用：高棚照明

LED 9个LED串联配置

每个LED的Vf在8 V至10 V之间

客户以700 mA驱动LED

Pout = 700 mA （正向电流）* 90（串联9个二极管的最大值Vf）=最小值为63瓦

电压范围为72至90伏

LXC75 700 mA部件提供的解决方案

或者，LDB产品可用于将电流限制在700 mA

Excelsys产品组合为用户提供了一系列产品，可为任何应用要求提供解决方案。是。我们提供恒定电流，恒定电压和可调光恒定电流型号，功率范围广泛。这些功率从25瓦开始，持续高达300瓦。