恒流二极管及其在驱动LED中的应用[4]

　　五. 恒流二极管作为LED的驱动源

　　我们知道LED必须采用恒流源来驱动，否则由于它的负温度系数，而会使电流急剧上升导致结温升高，寿命缩短。而恒流二极管的恒流作用恰恰可以用来驱动LED。最简单的方法就是直接和LED串联。但是我们在把恒流二极管用于LED驱动时必须注意选择恰当的电流和耐压。

　　3.1 最低电压

　　由于恒流二极管需要一定的电压Vk才能够进入恒流，所以太低的电源电压是无法工作的。通常这个Vk大约在5-10V左右，所以大多数采用电池供电的LED是无法工作的。

　　3.2 最大电流由于恒流二极管的功耗受到限制，所以过大的电流也是不合适的。例如1W的LED通常需要350mA，恒流二极管就很难提供。

　　3.3 目前比较合适的使用场合就是交流市电供电的LED灯具，采用很多小功率LED串联，也就是高压小电流的情况是最为合适。

　　图10就是一种用于球泡灯的恒流二极管驱动源。其负载是80颗3014，总功率为8W。所用的恒流二极管也是恒流在30mA。假如手头的恒流二极管只有5mA的，就需要6个并联。

　　图10. 采用恒流二极管作为LED驱动电源

　　在这里，恒流二极管的作用就是要在输入市电电压变化时，保持输出电流不变。但是由于恒流二极管的耐压有一定的限制，所以它所能吸收的电源电压变化也是有限的。就拿100V耐压的CRD来说，用在220V市电电源里，都还只能对付有限的电压变化。220V经过桥式整流以后它的输出直流电压大约为264V。如果市电变化+10%，~-15%，就相当于整流后为290~187V，电压变化103V。已经超过其耐压了。假如所用的LED为80颗，那么总电压为264V，正好相当于220V经过桥式整流以后的值。这时候恒流二极管上没有压降，但是这时候它是不能工作的而至少需要10V压降，也就是要求整流后电压为274V，市电电压为228VAC。那时候恒流二极管压降为最小，功耗也最小，只有0.03Ax10V=0.3W，整体效率为最高可达96%(当然还要考虑整流器的效率，实际上还会低一些)。如果市电增高至242VAC，那么恒流二极管电压就增高为26.4V，其功耗也增加到0.79W，这时候效率就等于91%。

　　如果市电电压低于228V，是不是恒流二极管就不工作呢?并不是，但的确是不恒流了，这时候它和LED就会达到一个新的平衡点，那就是二者的电压和等于市电电压经过整流后的电压。因为LED伏安特性的非线性，所以很难用公式来表示。总之，当市电电压降低时，LED中的电流就会随市电电压的降低而降低。其亮度也会跟着变暗。

　　下面举一个实测的结果为例，这是一个80颗3014串联的球泡灯，采用了5颗Semitek 的S-562T并联。它在不同的输入市电电压时，所测得的结果如下表所示。

　　由表中可知，当市电电压在200~225VAC的服务内变化时基本上可以保持恒流在27.1~27.8mA的范围内，而且效率在82.5%~95.79%范围内，即使在输入电压过低而无法恒流时，它的效率还能高达98-99%，这是采用恒流二极管的一个很大的优点。

　　它的唯一的缺点是功率因素比较低，只有0.535~0.543。

　　3.4无源功率因素校正

　　如果需要提高功率因素可以采用无源功率因素校正(见图11)。可以把功率因数提高到0.9左右，但是会增加两个大电解电容(22uF，250V)和三个二极管，在球泡灯里会受到体积的限制，而且成本会提高、效率也会降低。

　　图11 无源功率因素校正

　　3.5有源功率因数校正

　　假如要求更高的功率因数，就可以采用有源功率因数校正。

　　美国安森美公司加了一个功率因素校正芯片NCP1014的恒流二极管的电源，其电原理图见图12。

　　图12. 非隔离式电源原理图

　　这个电源的基本指标如下：
 

图13. NCP1014LEDGT外形图

　　其实这个电源的核心就是一个恒流二极管NSI45025，以确保LED恒流在25mA。所以它只能用于小功率贴片式的LED。其中外加的集成电路NCP1014实际上是一个有源式的功率因数校正(PFC)，可以把它的功率因数提高到>0.9以满足美国能源之星的要求。输入端的L1,C1,C2是一个防电磁干扰EMI的滤波器。它的缺点是非隔离，所以220V会直接加到负载LED上。但是欧盟IEC 61347-2-13 (5/2006)标准规定在LED负载端电压不可超过25VAC或35VDC。所以采用非隔离电源是无法出口欧盟的。