中心議題:
- 恒流二極管的基本原理、構(gòu)成、參數(shù)和散熱
- 恒流二極管用作LED的驅(qū)動源
- 使用恒流二極管時的性能擴(kuò)張
很早就已經(jīng)出現(xiàn)了恒流二極管,但是這種二極管并沒有引起人們的關(guān)注,因為它只是用于某些儀器儀表中作為電流的標(biāo)準(zhǔn)。然而近來隨著LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,這種二極管突然引起了廣泛的興趣。很多國外的大公司都開發(fā)出這種產(chǎn)品以供驅(qū)動LED,這是因為LED必須采用恒流源作為驅(qū)動的原因。下面我們將要深入討論一下恒流二極管的性能和應(yīng)用。
一. 什么是恒流二極管
理想的恒流源是一種內(nèi)阻為無窮大的器件,不論其兩端電壓為何值,其流經(jīng)的電流永遠(yuǎn)不變。當(dāng)然這種器件是不可能存在的。實際的恒流二極管相當(dāng)于一個在一定工作電壓范圍內(nèi)(例如25-100V),其電流恒定為某一值(例如20mA)。其等效電路如圖1所示。
圖1. 恒流二極管的等效電路
其內(nèi)阻為Z,并聯(lián)的電容大約為4-10pF。其典型的伏安特性如圖2所示。
圖2. 恒流二極管的典型伏安特性
它在某一個電壓范圍內(nèi)有一段恒流區(qū)間,在這個區(qū)間,流經(jīng)的電流幾乎不變,VL為到達(dá)IL的電壓值,IL大約為0.8Ip,Vb為擊穿電壓值。但是實際的恒流二極管并不是那么理想。圖3是美國Supertex的CL1恒流二極管的特性。它的電流仍然會隨電壓而有所增加。
圖3. 實際的恒流二極管的伏安特性[page]
恒流二極管的另一個特性就是它的溫度特性,溫度特性通常用相對值%/°C或絕對值μA/°C來表示。這個溫度系數(shù)通常是負(fù)值。其值取決于恒流的值,恒流值越大,溫度系數(shù)也越大,通常在-0.4%~-0.6%之間。為了達(dá)到恒流的目的當(dāng)然不希望電流隨溫度變動,所以通常需要采用溫度補償措施(圖4)。
圖4. 恒流二極管的溫度補償措施
采用溫度補償以后就可以把電流的溫度系數(shù)降低到很小的數(shù)字,例如Supertex公司的CL1的電流溫度系數(shù)只有-8.5μA/°C。
二. 恒流二極管的構(gòu)成
最簡單的恒流二極管就是采用一個結(jié)型場效應(yīng)管(圖5)。
圖5. 用一個結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成恒流二極管
用兩個晶體三極管,也可以構(gòu)成一個恒流源(圖6)。
圖6. 用兩個三極管構(gòu)成一個恒流源
其電流為:I = Vbe/R1,
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它雖然很簡單,但是缺點是不同型號的管子,其be電壓不是一個固定值,即使是相同型號,也有一定的個體差異。所以很難批量生產(chǎn)。為了克服這個缺點,就采用結(jié)型場效應(yīng)管來代替晶體管。同時在反饋回路里采用一個運放
圖6. 采用結(jié)型場效應(yīng)管和運放的恒流源
其電流:I = Vin/R1,這個恒流源還需要一個基準(zhǔn)電壓Vin,最簡單的基準(zhǔn)電壓就是齊納二極管,所以也可以利用一個齊納二極管和一個三極管或場效應(yīng)管來構(gòu)成恒流源。
圖7. 采用齊納二極管的恒流源
其所恒定的電流:I = (Vd-Vbe)/R1。
但是,所有以上結(jié)構(gòu)都是利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件來構(gòu)成恒流源。實際上現(xiàn)在已經(jīng)可以根據(jù)對恒流特性的要求,構(gòu)成專門的半導(dǎo)體器件而能具有所要求的恒流特性。其構(gòu)成如圖8所示。
圖8. 專門的恒流二極管結(jié)構(gòu)[page]
當(dāng)一個反向偏壓加到PN結(jié)的陰極和陽極時,這個恒流二極管開始導(dǎo)通,當(dāng)反向偏壓增加到VL時(見圖2),其電流由于N區(qū)的體電阻也跟著增加,當(dāng)電流增加到曲線的拐點時,在N區(qū)和P型柵之間形成一個耗盡層。這個耗盡層減小了N區(qū)中電流的路徑也就減慢了電流的增加速度。結(jié)果這個耗盡層遇到了P型柵于是就產(chǎn)生了夾斷效應(yīng),這使得電流變成恒定而幾乎和所加電壓無關(guān),直到所加電壓達(dá)到一個擊穿點Vb。如果所加電壓反過來,那么就相當(dāng)于一個正向電壓加到一個PN結(jié),其特性就和一個普通二極管加上正向電壓時一樣。
實際所采用的恒流二極管可分為4條管腳,3條管腳,和2條管腳三種結(jié)構(gòu)和封裝(圖9)。
圖9. 3種封裝的恒流二極管
其中4條管腳的恒流二極管主要用于可調(diào)恒流電流。
三. 幾種恒流二極管的參數(shù)
下面列出幾種常用的恒流二極管的參數(shù)
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四. 恒流二極管的散熱
由于恒流二極管要吸收市電電壓的變化而有可能會承受很高的電壓,假如電流也很大的話,它的功耗有可能會相當(dāng)大,也就必須要有很好的散熱,以免損壞內(nèi)部的芯片。恒流二極管的散熱主要取決于它的管殼封裝。各種不同封裝的散熱能力主要表現(xiàn)在它的熱阻。下面就來看一下各種封裝的熱阻。
由表中可見,On-semi公司的NSI50350ADT4G所采用的D-PAK具有最小的熱阻,其耗散功率高達(dá)11W。不過如果整個系統(tǒng)設(shè)計于這樣高的耗散功率也說明其效率不高,是需要避免的。
五. 恒流二極管作為LED的驅(qū)動源
我們知道LED必須采用恒流源來驅(qū)動,否則由于它的負(fù)溫度系數(shù),而會使電流急劇上升導(dǎo)致結(jié)溫升高,壽命縮短。而恒流二極管的恒流作用恰恰可以用來驅(qū)動LED。最簡單的方法就是直接和LED串聯(lián)。但是我們在把恒流二極管用于LED驅(qū)動時必須注意選擇恰當(dāng)?shù)碾娏骱湍蛪骸?br />
5.1 最低電壓
由于恒流二極管需要一定的電壓Vk才能夠進(jìn)入恒流,所以太低的電源電壓是無法工作的。通常這個Vk大約在5-10V左右,所以大多數(shù)采用電池供電的LED是無法工作的。
5.2 最大電流
由于恒流二極管的功耗受到限制,所以過大的電流也是不合適的。例如1W的LED通常需要350mA,恒流二極管就很難提供。
5.3 采用恒流二極管作為LED驅(qū)動電源
目前比較合適的使用場合就是交流市電供電的LED燈具,采用很多小功率LED串聯(lián),也就是高壓小電流的情況是最為合適。
圖10就是一種用于球泡燈的恒流二極管驅(qū)動源。其負(fù)載是80顆3014,總功率為8W。所用的恒流二極管也是恒流在30mA。假如手頭的恒流二極管只有5mA的,就需要6個并聯(lián)。
圖10. 采用恒流二極管作為LED驅(qū)動電源
在這里,恒流二極管的作用就是要在輸入市電電壓變化時,保持輸出電流不變。但是由于恒流二極管的耐壓有一定的限制,所以它所能吸收的電源電壓變化也是有限的。就拿100V耐壓的CRD來說,用在220V市電電源里,都還只能對付有限的電壓變化。220V經(jīng)過橋式整流以后它的輸出直流電壓大約為264V。如果市電變化+10%,~-15%,就相當(dāng)于整流后為290~187V,電壓變化103V。已經(jīng)超過其耐壓了。假如所用的LED為80顆,那么總電壓為264V,正好相當(dāng)于220V經(jīng)過橋式整流以后的值。這時候恒流二極管上沒有壓降,但是這時候它是不能工作的而至少需要10V壓降,也就是要求整流后電壓為274V,市電電壓為228VAC。那時候恒流二極管壓降為最小,功耗也最小,只有0.03Ax10V=0.3W,整體效率為最高可達(dá)96%(當(dāng)然還要考慮整流器的效率,實際上還會低一些)。如果市電增高至242VAC,那么恒流二極管電壓就增高為26.4V,其功耗也增加到0.79W,這時候效率就等于91%。
如果市電電壓低于228V,是不是恒流二極管就不工作呢?并不是,但的確是不恒流了,這時候它和LED就會達(dá)到一個新的平衡點,那就是二者的電壓和等于市電電壓經(jīng)過整流后的電壓。因為LED伏安特性的非線性,所以很難用公式來表示??傊?,當(dāng)市電電壓降低時,LED中的電流就會隨市電電壓的降低而降低。其亮度也會跟著變暗。
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下面舉一個實測的結(jié)果為例,這是一個80顆3014串聯(lián)的球泡燈,采用了5顆Semitek 的S-562T并聯(lián)。它在不同的輸入市電電壓時,所測得的結(jié)果如下表所示。
由表中可知,當(dāng)市電電壓在200~225VAC的服務(wù)內(nèi)變化時基本上可以保持恒流在27.1~27.8mA的范圍內(nèi),而且效率在82.5%~95.79%范圍內(nèi),即使在輸入電壓過低而無法恒流時,它的效率還能高達(dá)98-99%,這是采用恒流二極管的一個很大的優(yōu)點。
它的唯一的缺點是功率因素比較低,只有0.535~0.543。
5.4無源功率因素校正
如果需要提高功率因素可以采用無源功率因素校正(見圖11)??梢园压β室驍?shù)提高到0.9左右,但是會增加兩個大電解電容(22uF,250V)和三個二極管,在球泡燈里會受到體積的限制,而且成本會提高、效率也會降低。
圖11 無源功率因素校正
5.5有源功率因數(shù)校正
假如要求更高的功率因數(shù),就可以采用有源功率因數(shù)校正。
美國安森美公司加了一個功率因素校正芯片NCP1014的恒流二極管的電源,其電原理圖見圖12。
圖12. 非隔離式電源原理圖[page]
這個電源的基本指標(biāo)如下:
圖13. NCP1014LEDGT外形圖
其實這個電源的核心就是一個恒流二極管NSI45025,以確保LED恒流在25mA。所以它只能用于小功率貼片式的LED。其中外加的集成電路NCP1014實際上是一個有源式的功率因數(shù)校正(PFC),可以把它的功率因數(shù)提高到>0.9以滿足美國能源之星的要求。輸入端的L1,C1,C2是一個防電磁干擾EMI的濾波器。它的缺點是非隔離,所以220V會直接加到負(fù)載LED上。但是歐盟IEC 61347-2-13 (5/2006)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在LED負(fù)載端電壓不可超過25VAC或35VDC。所以采用非隔離電源是無法出口歐盟的。
六. 使用恒流二極管時的性能擴(kuò)展
在選用現(xiàn)有的各種型號恒流二極管時經(jīng)常遇到所需要的電流或電壓不能滿足要求的情況。下面介紹幾種方法解決這些問題。
6.1 加大恒流電流
為了加大電流,最簡單的方法就是用幾個恒流二極管并聯(lián)(圖12),
圖12. 多個恒流二極管并聯(lián)以增大電流
但是這會增加成本,因為恒流二極管比較貴。另一個簡單的方法,就是用一個晶體三極管來加大電流。圖13表明了采用NPN和PNP三極管進(jìn)行電流放大的電原理圖。
圖13. 采用NPN和PNP三極管加大恒流電流
它們實際上都是利用小電流恒流二極管提供三極管的基極電流,經(jīng)過三極管放大β倍以后再供給負(fù)載。圖14表明其輸出電流和R1的關(guān)系。
圖14. 放大以后的恒流特性[page]
其實這種方法在批量生產(chǎn)中是行不通的,因為各個晶體三極管的β有所不同,輸出的恒流值也不同。除非對三極管的β值進(jìn)行挑選分檔,那也會增加成本。但可以用于對恒流值的精確度要求不高的場合。
6.2 增高耐壓
有不少現(xiàn)成的恒流二極管的耐壓往往不夠高,當(dāng)然最簡單的方法就是用兩個或幾個恒流二極管串聯(lián)。同樣這樣成本就會增高。也可以用增加一些其它器件來提高。
1. 串聯(lián)齊納管
最簡單的方法就是和恒流二極管串聯(lián)一個齊納二極管來提高耐壓(圖15)。
圖15 采用齊納二極管來增高耐壓
這種方法可將起始電壓提高到齊納二極管的電壓V2,但是在低于這個電壓時,也就無法恒流。
2. 串聯(lián)一個MOS管來增加耐壓(圖16)
圖16. 串聯(lián)一個MOS管來增加恒流二極管的耐壓
但是這時由于MOS管承擔(dān)了大部分耐壓,因而其功耗很大,效率降低。有一個實例采用了75個小功率LED串聯(lián)后,再兩串并聯(lián)。恒流于34mA。在最高輸入電壓時,MOS管上壓降達(dá)70V,功耗2.38W,還需要很好的散熱器散熱。
下面是實測的結(jié)果。
在最高輸入電壓時的總效率只有67%,所以還是應(yīng)當(dāng)采用足夠耐壓的恒流二極管。
6.3 采用恒流二極管時的PWM調(diào)光(圖17)
圖17. 用PWM信號來對恒流二極管供電的LED調(diào)光
采用PWM信號調(diào)光以后可以避免由于改變電流而引起的光譜偏移。但是不能采用只有兩條管腳的恒流二極管,而必須采用帶有控制開斷管腳的至少3條管腳的恒流二極管
七. 結(jié)束語
采用恒流二極管作為LED的恒流驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉的優(yōu)點。尤其適合于小功率市電LED燈具,如球泡燈和日光燈和吸頂燈。但是由于受到功耗的限制,它只能用于高壓小電流的情況。負(fù)載只能是多個小功率LED的串聯(lián)或是采用集成的“高壓LED”。而且,如果直接采用交流整流,電容濾波的方案,會有功率因素不高的缺點,而必須采用無源功率因素補償?shù)姆桨浮_@些都是在使用時需要考慮的。