恒流二极管及其在驱动led中的应用

恒流二极管及其在驱动LED中的应用茅于海很早就已经出现了恒流二极管，但是这种二极管并没有引起人们的关注，因为它只是用于某些仪器仪表中作为电流的标准。然而近来随着LED产业的蓬勃发展，这种二极管突然引起了广泛的兴趣。很多国外的大公司都开发出这种产品以供驱动LED，这是因为LED必须采用恒流源作为驱动的原因。下面我们将要深入讨论一下恒流二极管的性能和应用。一什么是恒流二极管理想的恒流源是一种内阻为无穷大的器件，不论其两端电压为何值，其流经的电流永远不变。当然这种器件是不可能存在的。实际的恒流二极管相当于一个在一定工作电压范围内（例如25100V），其电流恒定为某一值（例如20MA）。其等效电路如图1所示。图1恒流二极管的等效电路其内阻为Z，并联的电容大约为410PF。其典型的伏安特性如图2所示。图2恒流二极管的典型伏安特性它在某一个电压范围内有一段恒流区间，在这个区间，流经的电流几乎不变，VL为到达IL的电压值，IL大约为08IP，VB为击穿电压值。但是实际的恒流二极管并不是那么理想。图3是美国SUPERTEX的CL1恒流二极管的特性。它的电流仍然会随电压而有所增加。图3实际的恒流二极管的伏安特性恒流二极管的另一个特性就是它的温度特性，温度特性通常用相对值/C或绝对值A/C来表示。这个温度系数通常是负值。其值取决于恒流的值，恒流值越大，温度系数也越大，通常在0406之间。为了达到恒流的目的当然不希望电流随温度变动，所以通常需要采用温度补偿措施（图4）。图4恒流二极管的温度补偿措施采用温度补偿以后就可以把电流的温度系数降低到很小的数字，例如SUPERTEX公司的CL1的电流温度系数只有85A/C。二恒流二极管的构成最简单的恒流二极管就是采用一个结型场效应管（图5）。图5用一个结型场效应管构成恒流二极管用两个晶体三极管，也可以构成一个恒流源（图6）。图6用两个三极管构成一个恒流源其电流为IVBE/R1，它虽然很简单，但是缺点是不同型号的管子，其BE电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。所以很难批量生产。为了克服这个缺点，就采用结型场效应管来代替晶体管。同时在反馈回路里采用一个运放图6采用结型场效应管和运放的恒流源其电流IVIN/R1，这个恒流源还需要一个基准电压VIN，最简单的基准电压就是齐纳二极管，所以也可以利用一个齐纳二极管和一个三极管或场效应管来构成恒流源。图7采用齐纳二极管的恒流源其所恒定的电流IVDVBE/R1。但是，所有以上结构都是利用现有的半导体器件来构成恒流源。实际上现在已经可以根据对恒流特性的要求，构成专门的半导体器件而能具有所要求的恒流特性。其构成如图8所示。图8专门的恒流二极管结构当一个反向偏压加到PN结的阴极和阳极时，这个恒流二极管开始导通，当反向偏压增加到VL时（见图2），其电流由于N区的体电阻也跟着增加，当电流增加到曲线的拐点时，在N区和P型栅之间形成一个耗尽层。这个耗尽层减小了N区中电流的路径也就减慢了电流的增加速度。结果这个耗尽层遇到了P型栅于是就产生了夹断效应，这使得电流变成恒定而几乎和所加电压无关，直到所加电压达到一个击穿点VB。如果所加电压反过来，那么就相当于一个正向电压加到一个PN结，其特性就和一个普通二极管加上正向电压时一样。实际所采用的恒流二极管可分为4条管脚，3条管脚，和2条管脚三种结构和封装（图9）。图93种封装的恒流二极管其中4条管脚的恒流二极管主要用于可调恒流电流。三几种恒流二极管的参数下面列出几种常用的恒流二极管的参数公司及产品型号恒定电流电流温度系数电压范围功率耗散能力封装功能电路备注CL1SUPERTEX20/5MA85A/C590V900MWSOT89DPAK可用于小功率LED串联，电源电压可达220VACPSSI2021SAYNXP01550MA可调015/K1075V335MWSOT353SC88A恒定电流可用外部电阻调节，适用电压由功耗决定BCR402RINFINEON2060MA可调03/K918V330MWSOT143R适用电压过低，只能用于低压直流供电场合NSI45025T1GONSEMI25MA/15550V460MWPACKAGESOD123耐压较低用于120VACNSI50350ADT4G350MA/10555V11WPACKAGEDPAKCASE369C适用于120VACNSI50350AST3G350MA/10555V58WSMCCASE403适用于120VACS562TSEMITEKJAPAN56MA09图13NCP1014LEDGT外形图其实这个电源的核心就是一个恒流二极管NSI45025，以确保LED恒流在25MA。所以它只能用于小功率贴片式的LED。其中外加的集成电路NCP1014实际上是一个有源式的功率因数校正（PFC），可以把它的功率因数提高到09以满足美国能源之星的要求。输入端的L1,C1,C2是一个防电磁干扰EMI的滤波器。它的缺点是非隔离，所以220V会直接加到负载LED上。但是欧盟IEC613472135/2006标准规定在LED负载端电压不可超过25VAC或35VDC。所以采用非隔离电源是无法出口欧盟的。六使用恒流二极管时的性能扩展在选用现有的各种型号恒流二极管时经常遇到所需要的电流或电压不能满足要求的情况。下面介绍几种方法解决这些问题。61加大恒流电流为了加大电流，最简单的方法就是用几个恒流二极管并联（图12），图12多个恒流二极管并联以增大电流但是这会增加成本，因为恒流二极管比较贵。另一个简单的方法，就是用一个晶体三极管来加大电流。图13表明了采用NPN和PNP三极管进行电流放大的电原理图。图13采用NPN和PNP三极管加大恒流电流它们实际上都是利用小电流恒流二极管提供三极管的基极电流，经过三极管放大倍以后再供给负载。图14表明其输出电流和R1的关系。图14放大以后的恒流特性其实这种方法在批量生产中是行不通的，因为各个晶体三极管的有所不同，输出的恒流值也不同。除非对三极管的值进行挑选分档，那也会增加成本。但可以用于对恒流值的精确度要求不高的场合。62增高耐压有不少现成的恒流二极管的耐压往往不够高，当然最简单的方法就是用两个或几个恒流二极管串联。同样这样成本就会增高。也可以用增加一些其它器件来提高。1串联齐纳管最简单的方法就是和恒流二极管串联一个齐纳二极管来提高耐压（图15）。图15采用齐纳二极管来增高耐压这种方法可将起始电压提高到齐纳二极管的电压V2，但是在低于这个电压时，也就无法恒流。2串联一个MOS管来增加耐压（图16）图16串联一个MOS管来增加恒流二极管的耐压但是这时由于MOS管承担了大部分耐压，因而其功耗很大，效率降低。有一个实例采用了75个小功率LED串联后，再两串并联。恒流于34MA。在最高输入电压时，MOS管上压降达70V，功耗238W，还需要很好的散热器散热。下面是实测的结果。输入交流电压（V）输入功率（W）LED电流（MA）功率因素总效率18390934062490200101340610812201113406267424012235060967在最高输入电压时的总效率只有67，所以还是应当采用足够耐压的恒流二极管。63采用恒流二极管时的PWM调光（图17）图17用PWM信号来对恒流二极管供电的LED调光采用PWM信号调光以后可以避免由于改变电流而引起的光谱偏移。但是不能采用只有两条管脚的恒流二极管，而必须采用带有控制开断管脚的至少3条管脚的恒流二极管。七结束语采用恒流二极管作为LED的恒流驱动具有