自恢复保险丝在LED产品中的应用电路
自恢复保险丝在led产品中的应用电路
一、刚刚开始起步成本高
照明成本不仅涉及灯具的初始成本，还涉及灯具所消耗的能源成本，灯具无法正常工作时更换灯具所需的劳动成本，以及所需灯具更换的平均频率。从这一概念出发就很容易理解，为什么led光源是白炽灯光源价格的50倍左右时，led交通信号灯的市场就开始启动，而当达到28倍时，就已形成新兴产业。目前半导体照明主要以光色照明和特殊照明为主，以后将向普通照明扩展。具体来讲，近几年内，半导体照明市场将广泛应用在各种信号灯、景观照明、橱窗照明、建筑照明、广场和街道的美化、家庭装饰照明、公共娱乐场所美化和舞台效果照明等领域。事实上，我们身边已经随处可见它的身影：电脑显示灯、手机按键和屏幕的背光源、汽车尾灯、建筑物灯光、交通信号灯……等等。 二、不一致性带来的问题： 理论上led都一样，都是能发光的二极管，而实际上所有led的电性能都是有差异的，众多的厂家都在抢生产进度、抓数量；每个厂家的生产工艺是不一致的，甚至相差很大，就是同一厂家的不同时间的工艺都是有差异的；生产发光二极管的半导体材料的纯度要求非常高，不同厂家使用的半导体原材料的纯度是有差异的，这就使led的发光强度与驱动电流是不完全相同的，或者相差很大，而且耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了；由于封装工艺和封装材料的不同，使得整体的散热能力是不一样的，所有的厂家都在研究和开发新材料，以求解决组合材料的热彭胀与散热的问题。由此不难看出,led发光二极管在短期内仍存在个体之间的很大的差异，如果每个灯只用一个led，那是很好控制的，而且是真正的长寿命，例如电视机、dvd上的电源指示灯就是如此；而当我们用led制作照明灯具时，就不是用单个的led，而是用多个，或上百上千个led排成阵列接入电路，再者，需要的亮度就不是指示灯所能做到的，而电流大了、小了亮度都要减弱，且会使寿命大打折扣，甚而致于未出厂就坏掉了；因led的差异性总是存在的，在多个led组成的连路中，当有几个坏掉时(通常是短路)，会使电流增大而损坏其他的led。这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。
三、驱动电路复杂成本高、故障率高 a.在电压匹配方面，led不象普通的白炽灯泡，可以直接连接220v的交流市电。led是2--3.伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的led灯，要配备不同的电源适配器。 b.在电流供应方面，led的正常工作电流在15ma-18ma，供电电流小于15ma时led的发光强度不够，而大于20ma时，发光了强度也会减弱，同时发热大增，老化加快、寿命缩短，当超过40ma时会很快损坏。为了延长led照明灯的使用寿命，简易电源是不能使用的，而常用集成电路电源、电子变压器、分离元件电源等，但都要设计恒流源电路和恒压源电路供电的方式，大电流驱动时，要配大功率管或可控硅器件，另加保护电路，这样就使led的电源供应器电路很复杂，故障率增加。元件成本、生产成本、服务成本都将升高。而目前led本身的成本就高，加上电源的成本，这就大大地限制了市场的竞争力与购买群体，led照明灯的优势大打折扣，这也是制约其发展与普及的又一关键问题。 四、解决问题的方法与可行性分析： 解决问题的方法可用自复位过流保护器whptc元件
如果用whptc过流保护器作保护，将是另外一种结果，从原理可知，当电路的电流超过规定值时会讯速的自动保护，在排除故障后又自动复位，无需人工更换。对led而言，电压的变化不是led损坏的直接原因，而电流的增大才是led的真正杀手。显而易见，利用whptc的这个特性，在led的电路保护上具有绝对的优势，让简易电源供电变为现实。实践证明，在led电路出现故障以前就有效保护了。在简易电源上，这个优势特别突出。对如下3图分析可见，因有了whptc后可省去恒流、恒压电路， led的质量也提高了。器件成本、生产成本、故障率、服务成本等，都大大降低。也大大增加了产品的市场竞争力。所以谁先使用whptc，谁先占领市场。 使用whptc前后的拓扑结构比较图
浅谈led产品老化 我们在应用led时经常会出现这样种问题，led焊在产品上刚开始的时候是正常工作的，但点亮一段时间以后就会出现暗光、闪动、故障、间断亮等现象，给产品带来严重的损害。引起这种现象的原因大致有：
1．应用产品时，焊接制程有问题，例如焊接温度过高焊接时间过长，没有做好防静电工作等，这些问题95％以上是封装过程造成。
2．led本身质量或生产制程造成。 预防方法有：
1.做好焊接制程的控制。
2.对产品进行老化测试。
老化是电子产品可靠性的重要保证，是产品生产的最后必不可少的一步。led产品在老化后可以提升效能，并有助于后期使用的效能稳定。led老化测试在产品质量控制是一个非常重要的环节，但在很多时候往往被忽视，无法进行正确有效的老化。led老化测试是根据产品的故障率曲线即浴盆曲线的特征而采取的对策，以此来提高产品的可靠性，但这种方法并不是必需的，毕竟老化测试是以牺牲单颗led产品的寿命为代价的。
led老化方式包括恒流老化及恒压老化。恒流源是指电流在任何时间都恒定不变的。有频率的问题，就不是恒流了。那是交流或脉动电流。交流或脉动电流源可以设计成有效值恒定不变，但这种电源无法称做「恒流源」。恒流老化是最符合led电流工作特征，是最科学的led老化方式；过电流冲击老化也是厂家最新采用的一种老化手段，通过使用频率可调，电流可调的恒流源进行此类老化，以期在短时间内判断led的质量预期寿命，并且可挑出很多常规老化无法挑出的隐患led。 有效防止高温失灵-ptc热敏电阻用作led限流器 近年来，发光二极管(简称led)的发展已取得巨大进步：已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率led。不久之后，led照明的成本将降至与传统冷阴极荧光灯(简称ccfl)类似的水平。这使得人们对led的下述应用兴趣日浓： 汽车照明灯、建筑物内外的led光源、以及笔记本电脑或电视机lcd屏的背光。 大功率led技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。就像所有其它半导体一样，led不能过热，以免加速输出的减弱，或者导致最坏状况：完全失效。与白炽灯相比，虽然大功率led具有更高效率，但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。因而，可靠的运作就需要良好的散热，并要求在设计阶段就考虑高温环境。 设计led驱动电路尺寸时，也必须考虑温度因素：必须选择其正向电流，以确保即使环境温度达到最高值，led芯片也不会过热。随着温度的升高，就需要通过降低最高容许电流，即降低额定值，来实现降温。led制造商把降额曲线纳入其产品规格中。有关此类曲线，参见图1。
图1 led降频曲线
利用无温度依赖性的电源运行led存在弊端：在高温区域内，led则超出规格范围运行。此外，当处于低温区域时，照明源就由明显低于最大容许电流(参见图1红色曲线)的电流供电。如图1的绿色曲线所示，通过led驱动电路中的正温度系数热敏电阻(简称ptc热敏电阻)来控制led电流是一个重大改进。这至少可以带来下列好处：
*在室温下增加正向电流，从而增加光输出
*因为可以减少led使用量，所以可以使用价格较低的驱动集成电路(简称ic)乃至一个不带温度管理的驱动电路来节约成本
*实现无需ic控制的驱动电路设计，此电路亦可使led电流随温度改变
*能够使用较便宜减额值较高安全裕量较小的led
*过热保护功能提高了可靠性
*带散热片的热机械设计更为简单
大多数led用驱动电路形式具有一个共同点：即流经led的正向电流是通过固定电阻进行设置(参见图2)。一般说来，流经led iled的电流取决于rout，即iled ~ 1/rout。由于rout不随温度而变，因此led电流也不受温度影响。
将固定电阻换成随温度变化的电路，即可实现对led电流的温度管理。下列图表阐明了如何使用ptc热敏电阻来改善标准电路。
示例1：有反馈回路的恒流源
图2中电路1为常用的驱动电路。其恒流源包括一条反馈回路。当调节电阻两端的反馈电压达到因ic而异的vfb时，led电流就不变了。led电流因而被稳定在iled=vfb/rout。
图2 led的传统驱动方式
图3所示为上一电路改良型：此电路借由ptc热敏电阻，生成随温度变化的led电流。通过正确选择ptc热敏电阻、rseries以及rparallel，此电路与专用驱动ic和led组合相匹配。其中，led电流可经由下列方程式计算得出：
图3所示电路阐明了led电流(参见图3)的温度依赖性。与针对最高运行温度为60度的恒流源相比较，使用ptc热敏电阻后led电流可在0度和40度之间提升达40%，并且led亮度也能提高同等百分比。
图3 采用ptc热敏电阻的温度监测和电流降频
示例2：调节电阻与led无串联的恒流源
图2所示电路2为另一常见的恒流源电路：电流通过连接驱动ic的电阻得以确定。然而在这种情况下，调节电阻并未与led串联。rset和iled之间的比率由ic规格明确。因此，运用20kω的串联电阻和tle4241g型驱动ic，最终产生的led电流为30ma。图4所示为标准电路改良型，其中也含有一个ptc热敏电阻，尽管此处采用whptc热敏电阻。在感测温度，元件电阻可达4.7kω，且容许误差值为±5℃(标准系列)或±3℃(容许误差值精确系列)。
图4所示为随外界温度而变化的led电流。固定电阻rseries容许误差范围小，在低温时支配总电阻。只有在低于ptc热敏电阻的感测温度大约15 k时，由于ptc热敏电阻的阻值开始增加，电流才会开始下降。在感测温度(总电阻=rseries+rptc=19.5kω+4.7kω=24.2kω)时的电流大约为23ma。ptc电阻在温度更高时急剧上升，迅速引发断路，从而避免因温度过高出现故障。
图4 无分流测量之温度记录
示例3：无ic简单驱动电路
如图2所示电路3，led也可在无驱动ic的情况下工作。图示电路是通过车用电池驱动单一200ma led。稳压器生成5 v的稳定电源电压vstab，以避免电源电压出现波动。led在vstab处运作，电流则通过与led串联的电阻元件rout决定。在这类电路中，通过下一则等式可算出独立于温度的正向电流，在此等式中，vdiode是一个led的正向电压：
另一做法是将whptc的径向引线式ptc热敏电阻以及两个固定电阻相组合后，替代上述固定电阻，如图所示。
由于led电流的绝大部分流经ptc热敏电阻本身，因此需要选择一个较大的径向引线式元件。ptc将因为流经电阻本身的电流而导致发热，因此会一直减少电流，无论环境温度为何(如图5所示)。并联两个或更多片式ptc热敏电阻会将电流分流，但此方案仍存在局限性。
图5 无需ic的温度补偿驱动电路
电流值主要是通过适当选择两个固定电阻来设置的。这两个电阻也在改进电路方面也起到重要作用，因为它们将产生的led正向电流的允差保持在较低水平。这在正常工作温度范围内尤其重要，因为此时ptc热敏电阻本身的阻值允差仍较高。第二个并联固定电阻也能确保ptc不会在极端高温情况下彻底关闭led，因此，电流不会降至低于下列等式计算的所得值：
这项性能在例如汽车电子这样的应用中极其重要，因为安全要求不允许照明灯彻底关闭。
背景资料：led的温度依赖性
像所有半导体一样，led的最高容许结点温度不能超过，以免导致过早老化或者完全失效。如果结点温度要保持在临界值以下，那么外界温度升高时，最高容许正向电流则必须下降。不过，如果运用散热器，在特定的外界温度时正向电流可以增加。led的光输出随着芯片结点温度的升高而下降。上述情况主要发生在红色和黄色led，白色led则与温度关系较小。光照效率和正向电流保持同步增长，不过，安装在结层和环境之间的led所具备的高热阻率可以降低乃至逆转这种作用，这是因为随着结点温度的上升，发射光会降低。
此外，当结点温度上升且led正向电压与温度保持同步增长时，发射光的主波长会以+0.1 nm / k的典型速率增长。 各种白光led驱动电路特性评比 1996年，日亚化学的中村氏发现蓝光led之后，白光led就被视为照明光源最具发展潜力的组件，因此，有关白光led性能的改善与商品化应用，立即成为各国研究的焦点。目前,白光led已经分别应用于公共场所的步道灯、汽车照明、交通号志、可携式电子产品、液晶显示器等领域。由于白光led还具备丰富的三原色色温与高发光效率的特性，一般认为非常适用于液晶显示器的背光照明光源，因此，各厂商陆续推出白光led专用驱动电路与相关组件。鉴于此，本文就led专用驱动电路的特性与今后的发展动向进行简单阐述。 1 定电流驱动的理由
1.1 白光led的光度以顺向电流规范
白光led的顺向电压通常被规范成20ma时，最小为3.0v，最大为4.0v，也就是若单纯施加一定的顺向电压时，顺向电流会作大范围的变化。
图1是从a、b两家led企业的产品中随机取三种白光led样品进行顺向电压与顺向电流特性检测的结果。根据检测结果显示，若利用3.4v顺向电压驱动上述六种白光led时，顺向电流会在10~44ma范围内大幅变动。表1为白光led的电气与光学特性。
由于白光led的光度与色度是以定电流方式量测的，所以，为获得预期的亮度与色度，通常是用定电流驱动。
表2为光学坐标的等级（rank）（if=25ma，ta=250c）。
1.2 避免顺向电流超越容许电流值
为确保白光led的可靠性，基本上就是需要设法避免顺向电流超过白光led的绝对最大设计值（定格值）。
图2中，白光led的定格最大顺向电流为30ma，随着周围温度的上升，容许顺向电流则持续衰减，如果周围温度为50℃，通常顺向电流就不能超过20ma。此外，利用定电压的驱动方式不易控制流入led的电流值，因此就无法维持led的可靠性。
2 白光led的驱动方法
图3是驱动白光led常用的四种电源电路；图4是上述六种随机取样白光led稳定后的regulation精度特性。
图4的测试结果显示，regulator的负载特性出现在白光led的vf角落上，即图中的交叉点就是各白光led的稳定动作点。
2.1 使用电压regulator的驱动方式
图3（a）的电路分别使用可以控制led电流的电压regulator与ballast电阻，这种电路的优点是电压regulator种类丰富，设计者可以选择的自由度较大，而且与电压regulator、led的接点只有一点；缺点是ballast造成的电力损失会导致效率恶化。此外，led的顺向电流也无法获得精密控制。
图4（a）中可以看出，随机取样六个白光led的顺向电流，从14.2ma到18.4ma分布范围非常广，因此，a厂商led的（平均值）顺向电流高达2.0ma。相比之下，图4（b）电路使用的regulator虽然有小型、低成本的优点，缺点是可能会无法满足性能与可靠性的要求，也就是说本电路的实用性相对较弱。
2.2 使用定电流输出的电压regulator驱动方式
图3（b）的电路虽然可以使流入led的所有电流稳定化，不过为了匹配（matching）各led的电气特性，电路中特别设置了一组ballast电阻。
图3（b）中的max1910属于定电流输出型的电压regulator，虽然本电路使用同厂商、同批号（lot）的白光led，获得了极佳的匹配性，不过，在使用不同厂商与批号的led时，就会出现很大的特性差异分布。本电流regu-lator使用类似图3（a）的方式控制驱动电流，不过它却可以使ballast电阻的消费电力降低一半左右。
图4（b）的测试结果显示，流入六个随机取样白光led的电流，从15.4ma到19.6ma，变化范围非常大。因此，a厂商与b厂商两者的led是以平均17.5ma的电流驱动。此电路的缺点是ballast电阻造成的电力损失有残留之虞，而且又无法获得led电流的匹配性；不过整体而言，本电路兼具动作特性与简洁性，所以具有相当程度的使用价值。
2.3 使用输出型的multi pull电流regu-lator的驱动方式
图3（c）的电路可以使流入led的电流各自稳定化，因此不需要使用ballast电阻，电流的精度与匹配性regulator则由各自的电流regulator支配。
图3（c）中的max1570 ic可以使上述电流regulation达成2％标准的电流精度，与0.3％标准的电流匹配性等目标。
由max1570 ic构成的电流regulator为低drop out type，因此它的动作效率非常高。图4（c）的测试结果显示，使用图3（c）的驱动电路时，流入六个随机取样白光led稳定化的电流为17.5ma。
虽然regulator与led之间需要四个连接端子，不过此电路不需要ballast电阻，所以可以有效抑制封装面积，因此非常适合应用在封装空间极为狭窄的小型液晶面板等领域。
2.4 使用升压型电流regulator驱动的方式
图3（d）的电路是利用可以使电流稳定化的电感（inductor），构成所谓的高效率step up converter。本电路的最大特点是 feed back threshold电压，可以减少电流检测用电阻的电力损失。此外，led采用串联方式连接，所以流入白光led的电流即使是在各种要求下，都能够与led完全取得匹配。 有关电流的精度基本上取决于regu-lator的feed back threshold精度，因此不会受到led顺向电压的影响。
由max1848与max1561 ic构成的电流regulator的效率（pled/pin）分别是：三个led＋max1848，87％；六个led＋max-1561， 84％。
step up converter的另一优点是regu-lator与led之间需要两个连接端子，而且led的使用数量不会受到step up converter种类的影响，这意味着设计者会拥有更大的选择空间。因此，step up converter广泛应用在各种尺寸的液晶面板；电路的缺点是电感外形高度、组件成本偏高，有emi辐射干扰。
3 结束语
以上介绍了白光led常用的驱动电路，并通过实验方式深入探讨了各电路实际运行时的优缺点和特性。由于led结构的限制，因此会有波长与驱动电流精度不易控制等困扰，随着白光led背光模块应用需求的不断增加，如何改善上述波长与电流精度问题，同时降低驱动电路的制作成本，成为必须克服的问题。
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一、刚刚开始起步成本高
照明成本不仅涉及灯具的初始成本，还涉及灯具所消耗的能源成本，灯具无法正常工作时更换灯具所需的劳动成本，以及所需灯具更换的平均频率。从这一概念出发就很容易理解，为什么led光源是白炽灯光源价格的50倍左右时，led交通信号灯的市场就开始启动，而当达到28倍时，就已形成新兴产业。目前半导体照明主要以光色照明和特殊照明为主，以后将向普通照明扩展。具体来讲，近几年内，半导体照明市场将广泛应用在各种信号灯、景观照明、橱窗照明、建筑照明、广场和街道的美化、家庭装饰照明、公共娱乐场所美化和舞台效果照明等领域。事实上，我们身边已经随处可见它的身影：电脑显示灯、手机按键和屏幕的背光源、汽车尾灯、建筑物灯光、交通信号灯……等等。 二、不一致性带来的问题： 理论上led都一样，都是能发光的二极管，而实际上所有led的电性能都是有差异的，众多的厂家都在抢生产进度、抓数量；每个厂家的生产工艺是不一致的，甚至相差很大，就是同一厂家的不同时间的工艺都是有差异的；生产发光二极管的半导体材料的纯度要求非常高，不同厂家使用的半导体原材料的纯度是有差异的，这就使led的发光强度与驱动电流是不完全相同的，或者相差很大，而且耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了；由于封装工艺和封装材料的不同，使得整体的散热能力是不一样的，所有的厂家都在研究和开发新材料，以求解决组合材料的热彭胀与散热的问题。由此不难看出,led发光二极管在短期内仍存在个体之间的很大的差异，如果每个灯只用一个led，那是很好控制的，而且是真正的长寿命，例如电视机、dvd上的电源指示灯就是如此；而当我们用led制作照明灯具时，就不是用单个的led，而是用多个，或上百上千个led排成阵列接入电路，再者，需要的亮度就不是指示灯所能做到的，而电流大了、小了亮度都要减弱，且会使寿命大打折扣，甚而致于未出厂就坏掉了；因led的差异性总是存在的，在多个led组成的连路中，当有几个坏掉时(通常是短路)，会使电流增大而损坏其他的led。这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。
三、驱动电路复杂成本高、故障率高 a.在电压匹配方面，led不象普通的白炽灯泡，可以直接连接220v的交流市电。led是2--3.伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的led灯，要配备不同的电源适配器。 b.在电流供应方面，led的正常工作电流在15ma-18ma，供电电流小于15ma时led的发光强度不够，而大于20ma时，发光了强度也会减弱，同时发热大增，老化加快、寿命缩短，当超过40ma时会很快损坏。为了延长led照明灯的使用寿命，简易电源是不能使用的，而常用集成电路电源、电子变压器、分离元件电源等，但都要设计恒流源电路和恒压源电路供电的方式，大电流驱动时，要配大功率管或可控硅器件，另加保护电路，这样就使led的电源供应器电路很复杂，故障率增加。元件成本、生产成本、服务成本都将升高。而目前led本身的成本就高，加上电源的成本，这就大大地限制了市场的竞争力与购买群体，led照明灯的优势大打折扣，这也是制约其发展与普及的又一关键问题。 四、解决问题的方法与可行性分析： 解决问题的方法可用自复位过流保护器whptc元件
如果用whptc过流保护器作保护，将是另外一种结果，从原理可知，当电路的电流超过规定值时会讯速的自动保护，在排除故障后又自动复位，无需人工更换。对led而言，电压的变化不是led损坏的直接原因，而电流的增大才是led的真正杀手。显而易见，利用whptc的这个特性，在led的电路保护上具有绝对的优势，让简易电源供电变为现实。实践证明，在led电路出现故障以前就有效保护了。在简易电源上，这个优势特别突出。对如下3图分析可见，因有了whptc后可省去恒流、恒压电路， led的质量也提高了。器件成本、生产成本、故障率、服务成本等，都大大降低。也大大增加了产品的市场竞争力。所以谁先使用whptc，谁先占领市场。 使用whptc前后的拓扑结构比较图
浅谈led产品老化 我们在应用led时经常会出现这样种问题，led焊在产品上刚开始的时候是正常工作的，但点亮一段时间以后就会出现暗光、闪动、故障、间断亮等现象，给产品带来严重的损害。引起这种现象的原因大致有：
1．应用产品时，焊接制程有问题，例如焊接温度过高焊接时间过长，没有做好防静电工作等，这些问题95％以上是封装过程造成。
2．led本身质量或生产制程造成。 预防方法有：
1.做好焊接制程的控制。
2.对产品进行老化测试。
老化是电子产品可靠性的重要保证，是产品生产的最后必不可少的一步。led产品在老化后可以提升效能，并有助于后期使用的效能稳定。led老化测试在产品质量控制是一个非常重要的环节，但在很多时候往往被忽视，无法进行正确有效的老化。led老化测试是根据产品的故障率曲线即浴盆曲线的特征而采取的对策，以此来提高产品的可靠性，但这种方法并不是必需的，毕竟老化测试是以牺牲单颗led产品的寿命为代价的。
led老化方式包括恒流老化及恒压老化。恒流源是指电流在任何时间都恒定不变的。有频率的问题，就不是恒流了。那是交流或脉动电流。交流或脉动电流源可以设计成有效值恒定不变，但这种电源无法称做「恒流源」。恒流老化是最符合led电流工作特征，是最科学的led老化方式；过电流冲击老化也是厂家最新采用的一种老化手段，通过使用频率可调，电流可调的恒流源进行此类老化，以期在短时间内判断led的质量预期寿命，并且可挑出很多常规老化无法挑出的隐患led。 有效防止高温失灵-ptc热敏电阻用作led限流器 近年来，发光二极管(简称led)的发展已取得巨大进步：已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率led。不久之后，led照明的成本将降至与传统冷阴极荧光灯(简称ccfl)类似的水平。这使得人们对led的下述应用兴趣日浓： 汽车照明灯、建筑物内外的led光源、以及笔记本电脑或电视机lcd屏的背光。 大功率led技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。就像所有其它半导体一样，led不能过热，以免加速输出的减弱，或者导致最坏状况：完全失效。与白炽灯相比，虽然大功率led具有更高效率，但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。因而，可靠的运作就需要良好的散热，并要求在设计阶段就考虑高温环境。 设计led驱动电路尺寸时，也必须考虑温度因素：必须选择其正向电流，以确保即使环境温度达到最高值，led芯片也不会过热。随着温度的升高，就需要通过降低最高容许电流，即降低额定值，来实现降温。led制造商把降额曲线纳入其产品规格中。有关此类曲线，参见图1。
图1 led降频曲线
利用无温度依赖性的电源运行led存在弊端：在高温区域内，led则超出规格范围运行。此外，当处于低温区域时，照明源就由明显低于最大容许电流(参见图1红色曲线)的电流供电。如图1的绿色曲线所示，通过led驱动电路中的正温度系数热敏电阻(简称ptc热敏电阻)来控制led电流是一个重大改进。这至少可以带来下列好处：
*在室温下增加正向电流，从而增加光输出
*因为可以减少led使用量，所以可以使用价格较低的驱动集成电路(简称ic)乃至一个不带温度管理的驱动电路来节约成本
*实现无需ic控制的驱动电路设计，此电路亦可使led电流随温度改变
*能够使用较便宜减额值较高安全裕量较小的led
*过热保护功能提高了可靠性
*带散热片的热机械设计更为简单
大多数led用驱动电路形式具有一个共同点：即流经led的正向电流是通过固定电阻进行设置(参见图2)。一般说来，流经led iled的电流取决于rout，即iled ~ 1/rout。由于rout不随温度而变，因此led电流也不受温度影响。
将固定电阻换成随温度变化的电路，即可实现对led电流的温度管理。下列图表阐明了如何使用ptc热敏电阻来改善标准电路。
示例1：有反馈回路的恒流源
图2中电路1为常用的驱动电路。其恒流源包括一条反馈回路。当调节电阻两端的反馈电压达到因ic而异的vfb时，led电流就不变了。led电流因而被稳定在iled=vfb/rout。
图2 led的传统驱动方式
图3所示为上一电路改良型：此电路借由ptc热敏电阻，生成随温度变化的led电流。通过正确选择ptc热敏电阻、rseries以及rparallel，此电路与专用驱动ic和led组合相匹配。其中，led电流可经由下列方程式计算得出：
图3所示电路阐明了led电流(参见图3)的温度依赖性。与针对最高运行温度为60度的恒流源相比较，使用ptc热敏电阻后led电流可在0度和40度之间提升达40%，并且led亮度也能提高同等百分比。
图3 采用ptc热敏电阻的温度监测和电流降频
示例2：调节电阻与led无串联的恒流源
图2所示电路2为另一常见的恒流源电路：电流通过连接驱动ic的电阻得以确定。然而在这种情况下，调节电阻并未与led串联。rset和iled之间的比率由ic规格明确。因此，运用20kω的串联电阻和tle4241g型驱动ic，最终产生的led电流为30ma。图4所示为标准电路改良型，其中也含有一个ptc热敏电阻，尽管此处采用whptc热敏电阻。在感测温度，元件电阻可达4.7kω，且容许误差值为±5℃(标准系列)或±3℃(容许误差值精确系列)。
图4所示为随外界温度而变化的led电流。固定电阻rseries容许误差范围小，在低温时支配总电阻。只有在低于ptc热敏电阻的感测温度大约15 k时，由于ptc热敏电阻的阻值开始增加，电流才会开始下降。在感测温度(总电阻=rseries+rptc=19.5kω+4.7kω=24.2kω)时的电流大约为23ma。ptc电阻在温度更高时急剧上升，迅速引发断路，从而避免因温度过高出现故障。
图4 无分流测量之温度记录
示例3：无ic简单驱动电路
如图2所示电路3，led也可在无驱动ic的情况下工作。图示电路是通过车用电池驱动单一200ma led。稳压器生成5 v的稳定电源电压vstab，以避免电源电压出现波动。led在vstab处运作，电流则通过与led串联的电阻元件rout决定。在这类电路中，通过下一则等式可算出独立于温度的正向电流，在此等式中，vdiode是一个led的正向电压：
另一做法是将whptc的径向引线式ptc热敏电阻以及两个固定电阻相组合后，替代上述固定电阻，如图所示。
由于led电流的绝大部分流经ptc热敏电阻本身，因此需要选择一个较大的径向引线式元件。ptc将因为流经电阻本身的电流而导致发热，因此会一直减少电流，无论环境温度为何(如图5所示)。并联两个或更多片式ptc热敏电阻会将电流分流，但此方案仍存在局限性。
图5 无需ic的温度补偿驱动电路
电流值主要是通过适当选择两个固定电阻来设置的。这两个电阻也在改进电路方面也起到重要作用，因为它们将产生的led正向电流的允差保持在较低水平。这在正常工作温度范围内尤其重要，因为此时ptc热敏电阻本身的阻值允差仍较高。第二个并联固定电阻也能确保ptc不会在极端高温情况下彻底关闭led，因此，电流不会降至低于下列等式计算的所得值：
这项性能在例如汽车电子这样的应用中极其重要，因为安全要求不允许照明灯彻底关闭。
背景资料：led的温度依赖性
像所有半导体一样，led的最高容许结点温度不能超过，以免导致过早老化或者完全失效。如果结点温度要保持在临界值以下，那么外界温度升高时，最高容许正向电流则必须下降。不过，如果运用散热器，在特定的外界温度时正向电流可以增加。led的光输出随着芯片结点温度的升高而下降。上述情况主要发生在红色和黄色led，白色led则与温度关系较小。光照效率和正向电流保持同步增长，不过，安装在结层和环境之间的led所具备的高热阻率可以降低乃至逆转这种作用，这是因为随着结点温度的上升，发射光会降低。
此外，当结点温度上升且led正向电压与温度保持同步增长时，发射光的主波长会以+0.1 nm / k的典型速率增长。 各种白光led驱动电路特性评比 1996年，日亚化学的中村氏发现蓝光led之后，白光led就被视为照明光源最具发展潜力的组件，因此，有关白光led性能的改善与商品化应用，立即成为各国研究的焦点。目前,白光led已经分别应用于公共场所的步道灯、汽车照明、交通号志、可携式电子产品、液晶显示器等领域。由于白光led还具备丰富的三原色色温与高发光效率的特性，一般认为非常适用于液晶显示器的背光照明光源，因此，各厂商陆续推出白光led专用驱动电路与相关组件。鉴于此，本文就led专用驱动电路的特性与今后的发展动向进行简单阐述。 1 定电流驱动的理由
1.1 白光led的光度以顺向电流规范
白光led的顺向电压通常被规范成20ma时，最小为3.0v，最大为4.0v，也就是若单纯施加一定的顺向电压时，顺向电流会作大范围的变化。
图1是从a、b两家led企业的产品中随机取三种白光led样品进行顺向电压与顺向电流特性检测的结果。根据检测结果显示，若利用3.4v顺向电压驱动上述六种白光led时，顺向电流会在10~44ma范围内大幅变动。表1为白光led的电气与光学特性。
由于白光led的光度与色度是以定电流方式量测的，所以，为获得预期的亮度与色度，通常是用定电流驱动。
表2为光学坐标的等级（rank）（if=25ma，ta=250c）。
1.2 避免顺向电流超越容许电流值
为确保白光led的可靠性，基本上就是需要设法避免顺向电流超过白光led的绝对最大设计值（定格值）。
图2中，白光led的定格最大顺向电流为30ma，随着周围温度的上升，容许顺向电流则持续衰减，如果周围温度为50℃，通常顺向电流就不能超过20ma。此外，利用定电压的驱动方式不易控制流入led的电流值，因此就无法维持led的可靠性。
2 白光led的驱动方法
图3是驱动白光led常用的四种电源电路；图4是上述六种随机取样白光led稳定后的regulation精度特性。
图4的测试结果显示，regulator的负载特性出现在白光led的vf角落上，即图中的交叉点就是各白光led的稳定动作点。
2.1 使用电压regulator的驱动方式
图3（a）的电路分别使用可以控制led电流的电压regulator与ballast电阻，这种电路的优点是电压regulator种类丰富，设计者可以选择的自由度较大，而且与电压regulator、led的接点只有一点；缺点是ballast造成的电力损失会导致效率恶化。此外，led的顺向电流也无法获得精密控制。
图4（a）中可以看出，随机取样六个白光led的顺向电流，从14.2ma到18.4ma分布范围非常广，因此，a厂商led的（平均值）顺向电流高达2.0ma。相比之下，图4（b）电路使用的regulator虽然有小型、低成本的优点，缺点是可能会无法满足性能与可靠性的要求，也就是说本电路的实用性相对较弱。
2.2 使用定电流输出的电压regulator驱动方式
图3（b）的电路虽然可以使流入led的所有电流稳定化，不过为了匹配（matching）各led的电气特性，电路中特别设置了一组ballast电阻。
图3（b）中的max1910属于定电流输出型的电压regulator，虽然本电路使用同厂商、同批号（lot）的白光led，获得了极佳的匹配性，不过，在使用不同厂商与批号的led时，就会出现很大的特性差异分布。本电流regu-lator使用类似图3（a）的方式控制驱动电流，不过它却可以使ballast电阻的消费电力降低一半左右。
图4（b）的测试结果显示，流入六个随机取样白光led的电流，从15.4ma到19.6ma，变化范围非常大。因此，a厂商与b厂商两者的led是以平均17.5ma的电流驱动。此电路的缺点是ballast电阻造成的电力损失有残留之虞，而且又无法获得led电流的匹配性；不过整体而言，本电路兼具动作特性与简洁性，所以具有相当程度的使用价值。
2.3 使用输出型的multi pull电流regu-lator的驱动方式
图3（c）的电路可以使流入led的电流各自稳定化，因此不需要使用ballast电阻，电流的精度与匹配性regulator则由各自的电流regulator支配。
图3（c）中的max1570 ic可以使上述电流regulation达成2％标准的电流精度，与0.3％标准的电流匹配性等目标。
由max1570 ic构成的电流regulator为低drop out type，因此它的动作效率非常高。图4（c）的测试结果显示，使用图3（c）的驱动电路时，流入六个随机取样白光led稳定化的电流为17.5ma。
虽然regulator与led之间需要四个连接端子，不过此电路不需要ballast电阻，所以可以有效抑制封装面积，因此非常适合应用在封装空间极为狭窄的小型液晶面板等领域。
2.4 使用升压型电流regulator驱动的方式
图3（d）的电路是利用可以使电流稳定化的电感（inductor），构成所谓的高效率step up converter。本电路的最大特点是 feed back threshold电压，可以减少电流检测用电阻的电力损失。此外，led采用串联方式连接，所以流入白光led的电流即使是在各种要求下，都能够与led完全取得匹配。 有关电流的精度基本上取决于regu-lator的feed back threshold精度，因此不会受到led顺向电压的影响。
由max1848与max1561 ic构成的电流regulator的效率（pled/pin）分别是：三个led＋max1848，87％；六个led＋max-1561， 84％。
step up converter的另一优点是regu-lator与led之间需要两个连接端子，而且led的使用数量不会受到step up converter种类的影响，这意味着设计者会拥有更大的选择空间。因此，step up converter广泛应用在各种尺寸的液晶面板；电路的缺点是电感外形高度、组件成本偏高，有emi辐射干扰。
3 结束语
以上介绍了白光led常用的驱动电路，并通过实验方式深入探讨了各电路实际运行时的优缺点和特性。由于led结构的限制，因此会有波长与驱动电流精度不易控制等困扰，随着白光led背光模块应用需求的不断增加，如何改善上述波长与电流精度问题，同时降低驱动电路的制作成本，成为必须克服的问题。
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