为什么LED照明要用电流型驱动?为什么有些驱动方案怎么改都不靠谱?要知道这些问题的答案,我们先从LED的特性说起。
电子设计有一个重要的设计依据,就是设计对象的电子特性,对于LED来说就是伏安特性。什么是伏安特性?所谓“伏”就是电压的单位“伏特”,“安”就是电流的单位“安培”,所以伏安特性是描述一个电子器件电子特性的曲线,也就是当加在这个器件上有多少电压(或电流)时,会有多少电流(或电压)。
我介绍下常见的电子器件——电阻的伏安曲线(图1(a)),从(图1(a))中可以看出,当在电阻上施加1V的电压时,电阻上流过1A的电流,所以这个电阻在加1V的电压时其电阻为:1V/1A=1Ω,这里Ω是电阻阻值的单位,中文称为“欧米茄”,中文单位为“欧”。同样,在电阻上施加2V的电压,那么在电阻上就会产生2A的电流,所以电阻在加2V的电压时,其电阻一样是1Ω。从图上来看就是一条直线。
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图1:电阻和LED的伏安曲线,图中红色的直线表示电阻的伏安曲线,横轴表示电阻上施加的电压,竖轴表示在电阻上流过的电流。(a)表示电阻的伏安曲线,(b)表示LED的伏安曲线。 对比电阻,很明显LED的伏安曲线很不一样(图1(b)),和电阻相比最大的不同是,在0-1伏电压值区间,LED是不产生电流的,这个区域又可以被称为LED的“死区”。第二个不同是,当在LED上加上1V电压的时候,在LED上只有0.2A的电流,也就是说这个时候的电阻是:1V/0.2A=5Ω,而当电压增加到了2V的时候,在LED上的电流变成了2V/4A=0.5Ω。电阻减小到了原来的10%!对比刚刚所说的电阻,其阻值是不随电压的变化而变化的,而LED正好相反,其阻值是随着施加其上电压的变化而变化的。从图上就可以看到,LED的伏安曲线是越来越“斜”的。正是LED的这些特性,决定了LED的驱动设计。
首先,对于在一定的电压和电流状态下的LED工作,我们称之为LED的“工作点”。每个LED的“工作点”都由伏安曲线上的一对电压和电流值组成,表示当前情况下,LED工作的电压和电流情况。所以在理想状态下,只要能把LED的“工作点”固定在一个合理的电压电流值,到底是从“稳定电流”出发得到稳定的电压,还是从“稳定电压”出发得到稳定的电流,似乎并不是很要紧(见图2(a))。但是,愿望往往是美好的,所谓的“理想状态”,指的是“稳定”的电压或电流要没有一点变化!从图2(b)中就可以看出,在“工作点”产生相同变动的情况下,对应的电流变化要远大于电压的变化。这说明,对于LED器件来说,如何控制工作电流的变化是电路设计的主要问题。
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图2:LED的伏安曲线,图中红色的直线表示电阻的伏安曲线。横轴表示电阻上施加的电压,竖轴表示在电阻上流过的电流。图(a)中表示LED上的电压为V0和其上流过的电流为I0的工作状态。蓝色的箭头表示从稳定电流出发得到稳定的电压;绿色箭头表示从稳定的电压出发得到稳定的电流。图(b)表示当电流(或电压)变动时,相应的电压(或电流)和LED工作点的变动。