大功率白光LED驱动技术

天狼晓月

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。