LED脈沖電流驅(qū)動與發(fā)光效率的研究

溫懷疆

(浙江傳媒學院 電子信息學院，浙江 杭州 310018)

引言

白光LED是2l世紀最具潛力的環(huán)保照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、高可靠性等特點，符合當前低碳經(jīng)濟的需求，現(xiàn)今工業(yè)量產(chǎn)白光LED發(fā)光效率已能夠達到100lm/W 以上[1]，將成為市場上主流照明光源。

眾所周知，影響發(fā)光效率的主要因素有內(nèi)量子效率和外量子效率，但實際上驅(qū)動方式對于內(nèi)量子效率和外量子效率也會有一定的間接影響。目前LED 驅(qū)動電路種類繁多，從小功率的簡單阻容降壓限流驅(qū)動，到功率管線性恒流驅(qū)動和開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)的脈沖電流驅(qū)動[2-4]。本文將主要研究不同形式的電流脈沖注入方式下與LED發(fā)光效率的關(guān)系。

1 LED的脈沖驅(qū)動

LED驅(qū)動方式目前主要有恒電流驅(qū)動和脈沖電流驅(qū)動。恒流驅(qū)動是比較好的方式，但考慮到LED的大電流和低電壓特性，目前多數(shù)LED采用脈沖驅(qū)動方式，這種驅(qū)動方式的電源利用效率比較高，但在沒有對輸出電源進行良好濾波的情況下，其脈動成分比較高。

采用脈沖電流驅(qū)動時, 有兩個重要的因素要考慮：一是最大安全峰值電流與占空比的關(guān)系；二是在不同大小脈沖電流驅(qū)動條件下，LED的長期光性能。當脈沖電流的占空比一定時, 所輸出的平均亮度就取決于驅(qū)動脈沖的最大安全峰值電流，該最大峰值電流取決于LED的電流密度, 即在LED不被損壞且其光輸出衰減在允許范圍內(nèi)的前提下, LED晶片每平方米允許通過的最大電流, 單位為A/m2[5]。

脈沖驅(qū)動使LED在一個周期脈沖內(nèi)時亮時暗，由于人眼的“視覺暫留”效應，當頻率超過100 Hz時，人眼最終看到的就是平均亮度[6]，這種驅(qū)動可以用于LED顯示屏或是分區(qū)控制亮度的節(jié)能LED背光屏。脈沖驅(qū)動通過調(diào)整亮和暗的時間比例實現(xiàn)亮度控制。當LED接通時的最大電流為Ip。開關(guān)開閉周期為T，每次閉合時間ton，即占空比為D=ton/T時，LED的平均電流Ia為：

(1)

由式(1)可知，當T不變(即開關(guān)頻率固定)時，只要改變導通時間t，就可以改變LED兩端的平均電流，從而改變LED的亮度。

脈沖電流幅值的確定和重復頻率的選擇是LED脈沖驅(qū)動需要重點考慮的，即當脈沖驅(qū)動電流的平均值Ia應與直流驅(qū)動的電流值相同時，才能得到與直流驅(qū)動方式相當?shù)陌l(fā)光強度。如圖1所示，平均電流是瞬間電流i的時間積分。對于矩形波，有

(2)

(3)

式中:IF為直流額定驅(qū)動電流值；Ia這脈沖驅(qū)動電流平均值；Ip為脈沖電流幅值；ton/T為占空比。

為了使脈沖驅(qū)動方式下的平均電流Ia與直流額定驅(qū)動電流IF相同，則需使其脈沖電流幅值Ip滿足：

(4)

圖1 LED的脈沖驅(qū)動Fig.1 The drive pulse of LED

通常我們會認為LED的發(fā)光強度基本上正比于通過LED器件的電流，因此當脈沖電流的平均電流與直流電流相等的條件下，LED的發(fā)光亮度一樣。實際是否如此，下面我們將進行相應的研究。

2 實驗及研究方法

本次實驗和研究中主要選擇兩大類LED器件，一種是φ5mm的小型白光LED，另一種是國產(chǎn)1W白光LED。實驗采用球型光度計和熒光光度計測光系統(tǒng)來測量LED的光通量，整個實驗系統(tǒng)由多功能可調(diào)信號發(fā)生器、壓控電流源以及光通量測量的裝置組成，其系統(tǒng)圖如圖2所示，其中可調(diào)信號發(fā)生器可輸出直流分量和交流分量都可調(diào)的方波、三角波以及正弦波電壓信號，去控制壓控電流源輸出的電流信號。壓控電流源系統(tǒng)的核心器件采用音頻線性功率放大器LM3886，其電壓轉(zhuǎn)換速率較高，可以達到19V/μs，同時輸出電流也可達4A，從實際研究的結(jié)果來看，這個可控脈沖源的效果很好，當脈沖頻率達到200kHz，脈寬只有2～3μs時，波形仍能保持良好的上升沿和下降沿，上升沿和下降沿可以做到小于1μs。

相關(guān)技術(shù)文獻[7]認為：用高幅值的脈沖電流驅(qū)動LED，通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比獲得較合適的平均電流，這樣可以降低功耗。脈沖電流驅(qū)動LED可比直接恒流驅(qū)動的LED更亮，即獲得同樣的發(fā)光亮度，脈沖電流驅(qū)動方式比直流電流驅(qū)動方式所需要的平均電流值更小。采用脈沖電流驅(qū)動LED，與恒流控制方式相比，其控制效率比較高，另外還可去掉或減小限流電阻。因此，采用脈沖驅(qū)動方式更有利于節(jié)能。

根據(jù)筆者之前對脈沖法測量LED結(jié)溫進行研究的結(jié)果顯示：即使是有若干個很窄的連續(xù)脈沖電流注入LED，其結(jié)溫也會有較明顯的上升[8]，而結(jié)溫的上升會使其結(jié)電壓線性下降，相應的LED兩端承受的電功率也會隨之下降，光通量必然會下降，會對LED的發(fā)光效率產(chǎn)生負面影響。

圖2 實驗系統(tǒng)圖Fig.2 Pulse experiment system diagram

當采用脈沖方式驅(qū)動LED時，脈沖電流的波形形式以及工作頻率與發(fā)光效率可能存在一定的關(guān)系，有文獻顯示：當頻率超過一定范圍，器件將無法正常工作，LED的工作頻率是10 MHz到幾百MHz范圍內(nèi)[7]?；谝陨显蛞约胺治?，設(shè)計了脈沖電流幅值占空比與發(fā)光效率、電流波形種類與發(fā)光效率、脈沖頻率(周期)與發(fā)光效率之間關(guān)系等幾個方面的實驗進行了較詳細的測量和研究。

3 實驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 脈沖電流幅值占空比與發(fā)光效率的關(guān)系

在進行發(fā)光效率測量時，首先要進行輸入LED電功率的測量，LED電功率的計算方法為：

P0=IaUa=IpDUa=IFUa

(5)

式中：P0為輸入LED電功率；為Ia為脈沖驅(qū)動電流平均值；Ip為脈沖電流幅值；IF為定工作電流；Ua為平均電流響應電壓；D為占空比。

圖3為兩種LED在多倍額定工作電流脈沖作用下的LED的V-A特性，從圖3中可以看出其V-A特性遠沒有普通二極管那樣理想，其動態(tài)電阻也要比普通二極管大很多。

圖3 多倍額定電流下LED的V-A特性Fig.3 LED V-A characteristics at many times rated current

發(fā)光效率的計算公式為：

式中：η為發(fā)光效率；Φ為光通量。

圖4是以兩個φ5mm的LED為測量對象，取額定工作電流IF=20mA，脈沖頻率取3kHz,按前面關(guān)系式(2)-式(4)要求，分別測量1IF(占空比100%)、2.5IF(占空比40%)、5IF(占空比20%)、10IF(占空比10%)、20IF(占空比5%)以及30IF(占空比3.33%)這幾種具有相同平均電流值的脈沖電流下，LED發(fā)出的光通量，結(jié)合圖3數(shù)據(jù)以及式(5)-式(6)，計算出對應的發(fā)光效率，所繪制的發(fā)光效率與占空比的關(guān)系曲線。從曲線中可以看出，在平均電流相等的情況下，脈沖幅度越高，LED的發(fā)光效率越低，其變化規(guī)律為非線性。

出現(xiàn)以上現(xiàn)象，其主要原因是隨著注入電流的增加，注入勢阱中的電子數(shù)量也增加，擴散出勢阱的電子越多，內(nèi)量子的效率越低[9-10]。

如圖5所示，在電流為I時，電子擴散到位置a處，并且隨著外加電流I的增加，a也將增大。把電子濃度分布近似成一定斜率的線段。勢阱區(qū)域是0～x0，在勢阱左側(cè)是N型半導體，在勢阱右側(cè)是P型半導體?？梢酝瞥鲭娮訚舛确植迹?/p>

(6)

在(0，x0)中的電子總數(shù)：

(7)

在(x0，a)內(nèi)的電子總數(shù)：

(8)

圖5 勢阱中電子濃度分布Fig.5 The electron concentration distribution in potential wel1

其中勢阱內(nèi)的電子總數(shù)和總共注入電子數(shù)量之比記為M，稱為有效電子比例。M越大，內(nèi)量子效率越高。

(9)

M對a求導得：

(10)

即隨著注入電子數(shù)量的增加，a也逐漸增大。a越大，M越小，內(nèi)量子效率也越小。

隨著注入電子數(shù)量的增加，使更多的電子擴散出勢阱，發(fā)生無輻射復合，降低了芯片的內(nèi)量子效率，進而降低了發(fā)光效率[11]。這剛好說明高峰值電流窄脈沖的驅(qū)動方式也可以影響LED的內(nèi)量子效率。

3.2 脈沖頻率、占空比與發(fā)光效率的關(guān)系

圖6是以一個1W白光LED為測量對象，研究LED發(fā)光效率與不同占空比和不同頻率脈沖電流之間的關(guān)系所得到的曲線。在這次研究中，取1W白光LED的額定電流IF=340mA，分別取脈沖幅值340mA和680mA，占空比分別為40%、20%和10%，測量當脈沖電流的頻率從100Hz～20kHz時，LED的發(fā)光效率變化。從圖6中可以看出，如果采用脈沖驅(qū)動，頻率在200～2000Hz之間發(fā)光效率較高，過高和過低的頻率都會使LED的發(fā)光效率有所降低；在平均電流相等的情況下，脈沖幅度高發(fā)光效率低。在相同幅值電流下，占空比低的發(fā)光效率高，特別是在額定工作電流幅值下，減小占空比，LED的發(fā)光效率提升很快，10%占空比的效率可高于40%占空比的效率近30%，相比之下兩倍額定工作電流幅值下，減小占空比，LED的發(fā)光效率提升就不那么快了。

以上研究結(jié)論應用到LED背光源或顯示屏，從驅(qū)動頻率方面考慮建議驅(qū)動頻率不宜太高；從占空比角度考慮建議采用功率余量大的LED，這樣輸入額定值的低占空比的脈沖電流，可使其整體發(fā)光效率更高些，并有助于延長LED的壽命。

3.3 電流波形、紋波系數(shù)與發(fā)光效率的關(guān)系

圖7是以一個1W白光LED為測量對象，研究LED的發(fā)光效率與不同電流波形、不同紋波系數(shù)之間的關(guān)系所得到的曲線。在研究中，分別給LED注入方波、三角波和正弦波三種不同形式的脈沖電流，并且調(diào)節(jié)輸出到實驗系統(tǒng)壓控電流源的信號，使該信號的紋波系數(shù)在0.01～1之間變化，而整體電流的平均值與LED的額定工作電流相等，從而來研究

圖6 脈沖頻率、占空比與發(fā)光效率的關(guān)系Fig.6 The relationship of pulse frequency, duty ratio and luminous efficacy

該系數(shù)對LED發(fā)光效率的影響。紋波系數(shù)定義如下：

(11)

式中：Ip為峰值電流；Iv為谷值電流；Ia為平均電流。對于LED驅(qū)動，Ip、Iv均為正向電流。

圖7 紋波系數(shù)對發(fā)光效率的影響Fig.7 Effect of the influence ripple on LED luminous efficacy

從圖7中可以看出，對于LED的驅(qū)動來說，紋波系數(shù)越小發(fā)光效率越高，即驅(qū)動電流中的交流成分越小，發(fā)光效率越高，顯然恒流驅(qū)動最好，如果實際應用中紋波系數(shù)控制在0.2以下，發(fā)光效率與恒流驅(qū)動幾乎相差無幾；對于相同的電流驅(qū)動波形不同的紋波系數(shù)，光效最大可以分別相差5.5%(三角波)、7.2%(正弦波)和10.1%(方波)，另外同樣紋波系數(shù)為1的脈沖電流，三角波電流的LED發(fā)光效率大于正弦波電流和方波電流的，它們之間分別有1.5%和2.8%的差距。

目前為提高電源變換效率，LED廣泛采用220VAC-DC變換的脈沖電流驅(qū)動方式，但其輸出原始波形基本上是紋波系數(shù)接近1的方波，這樣看來提高LED發(fā)光效率與提高驅(qū)動電源效率還是一對矛盾，因此目前多數(shù)脈沖電流源，都會在LED端并上一個濾波電容，以降低紋波系數(shù)，提高發(fā)光效率。筆者測量了某品牌5W LED燈的紋波電壓為1.54V，紋波波形為近似三角波，平均電壓為16.48V，頻率為66kHz，紋波系數(shù)經(jīng)測量為4.7%，加了4.7μF的濾波電容，LED基本處于一個比較良好的工作狀態(tài)。但一些廠商考慮到高頻大容量電容的成本、壽命、體積等問題，可能會減小這個電容，盡管這樣會降低LED的光效。

4 結(jié)論

LED有恒壓、恒流和脈沖等幾種驅(qū)動方式，恒壓驅(qū)動容易使LED過載損壞，線性恒流驅(qū)動效果好，但電源效率不容易做高，從而影響LED的整體效率，因此DC-DC或AC-DC變換的脈沖驅(qū)動還是目前LED驅(qū)動的主要方式。本文研究揭示了LED脈沖驅(qū)動中幾個可能影響發(fā)光效率的問題：①高峰值低占空比的脈沖電流驅(qū)動，LED的發(fā)光效率會受到較嚴重的影響，從理論的推導也得到相關(guān)的映證，這點與文獻[4]所提供的結(jié)論有明顯差異；②脈沖驅(qū)動的頻率在200～2000Hz范圍內(nèi)，LED有相對較高的發(fā)光效率，這與文獻[4]所述LED的工作頻率范圍也有所不同；③額定電流值的低占空比的脈沖驅(qū)動，LED的發(fā)光效率會得到一定的提高；④脈沖電流的波形和紋波系數(shù)對LED的發(fā)光效率都會有一定影響，在參加測試的三角波、正弦波和方波三種電流波形中，三角波驅(qū)動光效最高，方波最低。此外脈沖電流驅(qū)動的紋波越大，LED的發(fā)光效率越低。

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