[发明专利]一种提高发光二极管发光效能的驱动方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高发光二极管(light emitting diode，LED)发光效能的驱动方法和驱动系统。

背景技术

由于近年来在固态照明技术上取得的巨大进展，发光二极管的发光性能目前已经接近于传统光源。其在提供使用寿命、流明维持率、显色性能、可靠性及操作安全性方面，均超越传统电灯泡和荧光灯管。由于LED的操作电压非常低，灯管驱动器的设计相对较容易，并且更加可靠，这是因为与荧光灯管相比，施加到驱动组件上的电压更小。而荧光灯管在启动期和调光过程中均需要高启动电压和精确控制灯丝上加热电流。因此LED的使用变得越来越普及，并且迅速替代了家庭、商业和工业的应用的白炽灯、卤素灯和荧光灯。

随着LED越来越多地用于各种照明应用，对具有优化控制电路的高效驱动器的需要变得更加重要。因为LED是电流驱动装置，其中的光是通过半导体结中的注入电洞和电子的结合来产生的。LED发光强度一般是通过控制流过该装置的正向电流来进行的。因为LED只在一个方向上导通电流，默认的LED驱动方法是使用恒定的直流(DC)电流，被称为振幅模式驱动技术。然而，有发现表明LED的峰值发射波长随着正向电流偏移，这将导致不同亮度水平上的色度变化。当LED被用于液晶显示屏(LCD)背光照明时，这一问题带来了重大的挑战，因为这时的色度的稳定性是极其重要的。白光可通过各个单独的LED生成的三原色来组合获得，或者可通过使用蓝色或紫外LED的荧光粉转换来产生。当不同正向电流驱动时，所有这些都易于产生色度变化。这使得当正向电流必须根据不同亮度水平进行连续调节，并且同时期望取得稳定的色度的应用上，振幅模式驱动技术无法兼备符合此两种要求所需的条件。甚至在没有进行调光操作时，LED非常小的动态电阻也会带来对直流电流控制精度的苛刻要求，因为波纹效应也会导致同样的色度变化问题。而且，当驱动多个LED时，LED串联连接的数量受到直流电源的输出电压所限制，因此常常需要使用升压装置才能达到所要求的电压水平。对于并联连接的LED来说，因为生产过程造成的差异、老化以及温度变化使得LED支路之间分配的电流不相等，也将导致发光强度和色度的分布不均匀，继而影响一致性。此外，LED最吸引人的特点之一是它们的超长寿命，因此LED驱动器也应该有相当的寿命。然而，用在直流电源输出端的典型电解电容器已经限制了这些驱动器寿命，特别是当驱动器必须在高环境温度下连续运行的时候，如在灯具内部或靠近大功率LED。

上面讨论的某些问题可以通过使用交流(AC)电流驱动LED来解决。如果直接使用市电供电作为电源，AC电流可以不需要进一步的功率转换而直接用于驱动LED。由于不存在电解电容，不仅降低了成本，也提高了LED驱动器的寿命。因为LED是单极装置，用于AC电流驱动的LED可连接为反式平行或组成全桥模块，从而使得在交流电的两个半周期中都可以产生光。然而，当流经各支路的LED电流的交流频率为50或60Hz时，光的质量会因闪烁而显著降低。为了消除这一问题，需使用高频AC电流，但这额外需要一个交流-交流功率转换阶段，这无疑将增加驱动器的复杂性和成本，抵消其可直接连接市电的优点。当使用AC电流时，可以对该电流加入高频率开关和控制占空比以求达到调光功能。由于采用了高频率开关，原来的50或60Hz的AC电流被周期性切断而形成脉冲电流。由此可见，使用脉冲电流驱动可以达到驱动和调光的双重功能。

使用脉冲直流电流驱动LED的技术通常被称作脉冲宽度调制(pulse-width-modulation，PWM)驱动技术。这是一种在高频下开启和关闭LED，并且通过调节占空比(装置开启的时间与开关周期的比率)，从而调节平均正向电流来控制发光强度的方法。因为在开关期间，峰值电流水平保持恒定，所以通过调节占空比来控制亮度水平不会对色度造成任何影响，因而改进了色度的稳定性。在实践中，峰值电流里常常出现一些波纹，这些波纹应该被尽量减少甚至消除以便平均驱动电流可以得到精确控制，尤其是在LED被用作液晶显示屏(LCD)的背光灯时。尽管改进了色度的稳定性和调光的良好功能性，PWM驱动却变得较复杂，因为通常需要将直流电源(交流-直流或直流-直流转换)与开关网络相结合，这增加了驱动器的复杂性。开关LED电流所产生的快速瞬变也会引起电磁干扰(EMI)问题，这必须通过增加成本的附加电磁兼容性(EMC)设计来克服。