白炽灯虽能发出连续光谱,却常用于交通号志等只需绿光、红光和黄光的场合。这类应用须在白炽灯外加装一个特定颜色的滤片,但它会造成六成的光能浪费。LED则能产生特定颜色的光,而且只要接通电源即可立即发亮,不像白炽灯需要200MS的反应时间,因此汽车产业早就将LED用于车灯。另外,DLP视讯应用也以LED作为光源,利用高速开关的LED取代原有机械组件。
    LED的I-V特性
    图1是典型INGAALPLED的正向电压特性。LED电路模型可表示为一个电压源串联一个电阻,这个简单模型与实际测量结果很吻合。电压源为负温度系数,因此正向电压会随着接面温度升高而下降。INGAALP LED(黄色与琥珀红)的温度系数在-3.0~-5.2MV/K之间,INGAN LED(蓝、绿和白色)则介于-3.6~-5.2MV/K之间。负温度系数是造成LED很难并联的原因之一,因为越热的组件会汲取越多的电流,越多的电流又会让它的温度进一步升高,最后就变成热失控。
图2  LED效率在电流超过1A后开始下降
    图3是把三角纹波电流加到直流输出电流后,输出光强度减少的情形。由于纹波电流的频率在多数情形下都远超过人眼所能分辨的80HZ,再加上人眼对光强度的反应又呈现指数关系,只要光强度减少不超过20%就不会被发现,因此就算LED电流的纹波很大,光强度也不会明显减弱。
图4 接面温度升高会缩短LED的使用寿命
    图5是纹波电流造成LED功耗增加的情形。由于纹波频率比LED的热时间常数高,因此就算纹波电流很大 (以及峰值功耗很大)也不会影响峰值接面温度——这个温度主要是由平均功耗决定。LED的大部份电压降就像是一个电压源,所以电流波形不会对功耗造成影响。然而电压降中仍会有某些电阻分量,这部份的功耗等于电阻值乘以均方根电流的平方。
图6 降压式LED驱动器会将输入电压转换为较低电压
    如果输出电压永远大于输入电压,图7所示的升压转换架构就是最佳选择。这个设计除了控制电路外,同样会使用内含功率开关的组件U1。功率开关导通时,电流会通过电感到地。开关截止时,U1接脚1的电压会上升直到D1导通,电感也会经由输出电容C3和多个串联的LED开始放电。多数应用会利用C3稳定LED电流,若没有该电容,LED电流会变成在零与电感电流之间交替切换的不连续电流,不仅会降低LED的亮度,还会产生更多热量而缩短LED寿命。此电路也和前面一样利用电阻感测LED电流,再根据结果调整负载周期。注意,此架构很大的缺点是没有提供短路保护,输出端短路会造成庞大电流通过电感与二极管,将导致电路故障或输入电压大幅下降。
图8 升降压架构支持很大的输入电压范围
    控制回路设计
    LED电源供应的电流回路设计要比传统电源供应的电压回路简单。电流回路的复杂性是由输出滤波架构决定的。图9就是三种常见架构,分别是单纯的电感滤波器(A)、典型的电源供应滤波器(B)和改良型滤波器设计(C)。
图10  三种滤波器架构的增益与相位图
    电路A是相当稳定的一阶系统响应,其中,直流增益是由压控电压源、LED阻抗所构成的分压器以及电流感测电阻所决定,系统极点则由输出电感与电路阻抗决定。补偿电路设计也很简单,只要使用乙类放大器即可。
    电路B由于包含输出电容,所以会有二阶响应。增加输出电容是因为某些应用在电磁干扰或散热因素的考虑下,不能容忍LED出现太大的纹波电流,因此需要输出电容来消除纹波电流。这个电路的直流增益与前面的电路相同,但它会在输出电感和电容所决定的频率点上产生一对复数极点。由于滤波电路的总相位移为180°,因此补偿电路设计必须谨慎以免系统不稳定。补偿电路设计与采用丙类放大器的传统电压模式电源供应很类似,但比电路A多出两颗零件和输出电容。
    电路C则会重新安排输出电容的位置,使电路补偿更容易。LED两端的纹波电压与电路B很类似,只不过电感纹波电流会通过电流感测电阻R105,这在计算功耗时必须考虑。此电路的补偿设计几乎和电路A同样简单,直流增益也与前面两种电路相同。电路共有1个零点和2个极点,零点由电容和LED串联电阻产生。第一个极点由输出电容和电流感测电阻决定,第二个极点由电流感测电阻和输出电感决定。当频率很高时,此电路的响应与电路A相同。
    调光
    许多应用都需要LED调光功能,像是显示器亮度控制和建筑照明调整。LED调光方式有两种,一种是减少LED电流,另一种是让LED快速导通和截止。由于输出光强度不全与电流成正比,LED光谱在电流低于额定值时还常会移动,所以减少LED电流不是很有效率的做法。另外,人类的亮度感受还与光强度成指数关系,需大幅改变电流才能达到调光效果,这对电路设计造成很大影响,例如,电路容差(CIRCUIT TOLERANCE)就能让3%的满负载电流误差在10%负载时增为30%以上。