选择采用恒压电源还是恒流电源给LED供电问题讨论

现在有关这个问题有很多各种不同似是而非的说法，有人说：在LED的伏安特性上，电压定了，电流也就定了。所以采用恒压和恒流效果是一样的。有人说LED并联时就应该采用恒压电源供电，而LED串联时就应该采用恒流电源供电;有人说，因为LED是恒流器件，所以要用恒流源供电;有人说，采用市电供电时就应该采用恒压电源供电，采用蓄电池供电时，就应该采用恒流电源供电。至于为什么这样要求，似乎谁也说不明白。 　　那么，到底是应该采用恒压电源，还是恒流电源供电呢? 　　首先来看一下LED到底是什么样的器件。因为LED的亮度是和它的正向电流成正比，而且一些LED的结构决定了它的散热也就是功耗。所以大多数LED会给出额定电流，例如Φ5为20mA，1W的为350mA…等，但这并不等于LED只能工作于这些额定电流，更不意味着LED就是一个恒流器件。例如Cree的1瓦LED和3瓦LED是同一型号，电流从350mA加大到700mA，功率就从1W加大成3W，所以这个LED可以工作在350-700mA之间的任意值。 　　要深入了解这个问题首先要知道LED的伏安特性。 　　1.LED的伏安特性 　　LED的中文名字就是发光二极管，所以它本身就是一个二极管。它的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似。只不过通常曲线很陡。例如一个20mA的草帽LED的伏安特性如图1所示。 　　假如用干电池或蓄电池供电，那么因为LED伏安特性的非线性，很小的电压变化就会引起很大的电流变化，上图中电源电压在3.3V时正向电流为20mA的LED，如果用3节干电池供电，新的电池电压超过1.5V，3节就是4.5V，LED的电流就会超过100mA，很快就会烧坏。对于1W的大功率LED也是如此，图2是某公司1W的LED伏安特性，而一个12V蓄电池的电压，在充满电到快放完电的电压可以从14.5V降到10.5V。相差将近20%。从伏安特性上可以看出，电源电压的10%的变化(3.4V-3.1V)，就会引起正向电流的3.5倍的变化(从350mA变到100mA)。 　　2.伏安特性的温度系数 　　到现在为止，还有很多人以为LED电压定了，电流也就定了，所以采用恒压和恒流是一样的。实际上，LED的伏安特性并不是固定的，而是随温度而变化的，所以电压定了，电流并不一定，而是随温度变化的。这是因为是LED是一个二极管，它的伏安特性具有负温度系数的特点。 　　温度系数通常是-2mV/度(-1.5—2.5mV/°C),也就是随着温度的升高，其伏安特性左移，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会增加。而LED本身的效率很低，温升很高，加电以后，假如散热不好，其温度很容易上升到八、九十度以上。假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA，而温度升高到85度时，电流就会增加到35-37mA，而其亮度并不增加。电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。 　　而且如果不用恒流源而用恒压源供电时，常温下工作在20mA时,到了-40度时,电流就会降低至8-10mA,亮度会降低。 　　对于1W的大功率LED芯片，情况也是一样，而且由于功率大，散热更不容易，温升问题更加严重。 　　可以说，除了散热问题以外，采用恒压电源供电是引起光衰的主要原因。所以原则上来说，LED是禁止采用恒压电源供电的。 　　3.用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流? 　　串联电阻只有限流的作用，也就是如果电源电压比LED串联以后的电压还要高，那么就需要串联电阻来限流，以免损坏LED。但是如果想要用串联电阻来减小温度的影响，它的作用是很小的，这可以从伏安特性上看出，串联电阻以后的确可以减小温升带来的电流升高，电阻越大，电流随温度变化越小，但是只是减小，并不能消除。 　　而且很明显，电阻将带来额外的功耗，使得LED的总体效率降低。假定所用的LED为1W的LED，其电流为0.35A。假定串联的电阻为100欧姆，所消耗的功率就高达12.25W显然是不能接受的，即使把电阻降低到10欧姆，其功耗仍然有1.225W。比LED本身的功耗还要大。为了减小这种功耗，就必须把电阻再减小。然而，减小电阻的结果是使得由温升所引起的电流变化还是照样加大。所以，串联电阻决不是一个好办法。 　　4.几个LED并联，能不能用恒压电源? 　　由于LED伏安特性的离散性，不但不同厂家生产的同样瓦数的LED伏安特性不一样，就是同一厂家生产的同一型号的LED其伏安特性也是不同的。 　　很明显，假如用恒压电源3.4V供电，显然流过每个LED的电流都不一样，每个LED的亮度也就不一样。所以不能采用恒压电源供电。 　　5.多个LED并联后，采用恒压电源供电，能不能用不同的串联电阻来使电流平衡? 　　在常温下是可以的，但在温升以后就不能保持了。图6中就显示了这个问题，常温下的LED伏安特性以实线表示，两个LED的伏安特性在斜率上略有区别，在用恒压电源Vo供电时，选用不同的电阻，可以得到同样的正向电流Io。但是当温度升高时，其伏安特性左移，如虚线所示。因为还是原来的恒压和原来的电阻，此时的电流却变成了I1和I2。不等于原来的Io了。 　　6.N个LED串联后，假如用恒压电源供电，其温度效应(由温升而引起的电流增加)将会扩大N倍，这是因为所有LED串联以后相当于各个LED的伏安特性沿电压轴串联。 　　温升以后，N个伏安特性都左移，就使电流的增加也加大了N倍。如果采用恒流电源供电，那么温升以后，仍然能够保持电流恒定为Io。 　　7.多个LED串联时，采用恒流电源供电时，可以利用伏安特性的温度效应推测其结温的上升度数 　　在很多应用中(例如日光灯、路灯)，往往将很多LED串联，这时候，LED的温度系数效应就更加明显。因为采用恒流电源供电时其效果相当于把每一个LED的伏安特性沿电压轴叠加。假如温升为60度，那么伏安特性将会向左偏移0.12V，如果10个LED串联，所有伏安特性全部左移，总偏移就会达到1.2V。这是相当可观的数字。 　　反过来也可以利用LED的这种特性来测量其结温，例如有一个10串3并的LED组合，在接上恒流电源以后，测得其正向压降从32.3V降低到30.6V。变化达1.7V。那么可以推测其结温升高为1.7/10/.002=85度。 　　8.恒流供电时，在串并联电路中如何保证每串的电流均衡 　　假如用恒流电源只供给一串LED，那当然是最理想的了。但是，假如要供给几串并联的LED那如何能保证每串中的电流一样呢? 　　是的，假如用恒流源供给几串并联的LED，由于LED伏安特性的离散性，各串的电流是一定不一样的。但是实际上，由于各串LED不大可能某一串里都是正向电压偏低的，另一串里都是正向电压偏高的。而是会相对均匀分布，所以各串之间的电流不会相差很大。 　　9.在恒流供电的串并联电路中，如何避免因某个LED损坏所引起的问题 　　假如只是两串并联，而且其中某一串的一个LED坏了(开路)，这时候不但这一串不亮，而且所有的电流都会流到另一串，使得另一串的电流加大一倍，用不了多久也会坏掉。为了避免一个坏了一串不亮，那么可以采用全部并串联的方法，也就是每串中的任何一个都和其他串中的同样位置的LED并联。 　　这样，任何一个坏了(开路)，只是这一个不亮，其余的LED仍然都亮。但是假如并联的LED只有两串，其中有一个LED开路了，电流就都流到和它并联的另一个LED中去，它的电流也加大一倍，使得这一个LED寿命不长，很快烧掉;假如烧坏是开路，那么就会导致所有LED全部不亮，但其它的LED损害并不严重，因为没有长期工作于过流状态。 　　为了减小某一个LED损坏以后对其它LED的影响，希望并联的LED串数越多越好。图8中画出了3串5并而且同行相并的图。这时候，某一个LED坏了，总电流分散到其余的4个LED中，总电流在每一行所有并联的LED中分配，正向电压偏低的LED分到的电流就会大一些。但不致造成太大的危害。 　　而且只是这一行的电流分到其余4路中去，而其它几行都还是和原来一样。假如LED坏的时候是短路而不是开路，那么这一行的其它几个LED就都不亮了。 　　当然为了避免这个现象，最好的办法是在每个LED上都并联一个稳压管，而各串之间不要并联。这时候任何一个LED坏了(开路)，稳压管就导通，电流的分配关系变化很小。短路则就是少一个LED发光。 　　总结以上叙述可以列表如下： 　　那么是不是恒压电源在LED照明中就无用武之地了呢?完全不是这样。 　　10.在市电LED路灯中采用恒压开关电源加恒流模块的方法供电 　　任何市电供电的系统里，都需要一个AC/DC的开关电源。有两种供电方法，一种是在开关电源里加上恒流反馈控制电路，保证输出电流恒定。但是这种方法大多只能单路大电流输出，而且恒流的精度不高。还有一种是，前面采用恒压电源，后面加很多路恒流模块，这种方案灵活性很高，恒流精度也高。例如一个150W-300W的市电LED路灯供电方案图如下：