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很早就已經(jīng)出現了恒流二極管，但是這種二極管并沒(méi)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準。然而近來(lái)隨著(zhù)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(kāi)發(fā)出這種產(chǎn)品以供驅動(dòng)LED，這是因為L(cháng)ED必須采用恒流源作為驅動(dòng)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用。 一．什么是恒流二極管 理想的恒流源是一種內阻為無(wú)窮大的器件，不論其兩端電壓為何值，其流經(jīng)的電流永遠不變。當然這種器件是不可能存在的。實(shí)際的恒流二極管相當于一個(gè)在一定工作電壓范圍內（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
圖2. 恒流二極管的典型伏安特性
圖3. 實(shí)際的恒流二極管的伏安特性
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降低到很小的數字，例如Supertex公司的CL1的電流溫度系數只有-8.5μA/°C。 二．恒流二極管的構成 最簡(jiǎn)單的恒流二極管就是采用一個(gè)結型場(chǎng)效應管（圖5）。
圖5. 用一個(gè)結型場(chǎng)效應管構成恒流二極管 用兩個(gè)晶體三極管，也可以構成一個(gè)恒流源（圖6）。
圖6. 用兩個(gè)三極管構成一個(gè)恒流源 其電流為：I = Vbe/R1， 它雖然很簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)是不同型號的管子，其be電壓不是一個(gè)固定值，即使是相同型號，也有一定的個(gè)體差異。所以很難批量生產(chǎn)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，就采用結型場(chǎng)效應管來(lái)代替晶體管。同時(shí)在反饋回路里采用一個(gè)運放
圖6. 采用結型場(chǎng)效應管和運放的恒流源 其電流：I = Vin/R1，這個(gè)恒流源還需要一個(gè)基準電壓Vin，最簡(jiǎn)單的基準電壓就是齊納二極管，所以也可以利用一個(gè)齊納二極管和一個(gè)三極管或場(chǎng)效應管來(lái)構成恒流源。
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，所有以上結構都是利用現有的半導體器件來(lái)構成恒流源。實(shí)際上現在已經(jīng)可以根據對恒流特性的要求，構成專(zhuān)門(mén)的半導體器件而能具有所要求的恒流特性。其構成如圖8所示。
圖8. 專(zhuān)門(mén)的恒流二極管結構 當一個(gè)反向偏壓加到PN結的陰極和陽(yáng)極時(shí)，這個(gè)恒流二極管開(kāi)始導通，當反向偏壓增加到VL時(shí)（見(jiàn)圖2），其電流由于N區的體電阻也跟著(zhù)增加，當電流增加到曲線(xiàn)的拐點(diǎn)時(shí)，在N區和P型柵之間形成一個(gè)耗盡層。這個(gè)耗盡層減小了N區中電流的路徑也就減慢了電流的增加速度。結果這個(gè)耗盡層遇到了P型柵于是就產(chǎn)生了夾斷效應，這使得電流變成恒定而幾乎和所加電壓無(wú)關(guān)，直到所加電壓達到一個(gè)擊穿點(diǎn)Vb。如果所加電壓反過(guò)來(lái)，那么就相當于一個(gè)正向電壓加到一個(gè)PN結，其特性就和一個(gè)普通二極管加上正向電壓時(shí)一樣。 實(shí)際所采用的恒流二極管可分為4條管腳，3條管腳，和2條管腳三種結構和封裝（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恒流電流。 三．幾種恒流二極管的參數 下面列出幾種常用的恒流二極管的參數
由于恒流二極管要吸收市電電壓的變化而有可能會(huì )承受很高的電壓，假如電流也很大的話(huà)，它的功耗有可能會(huì )相當大，也就必須要有很好的散熱，以免損壞內部的芯片。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在它的熱阻。下面就來(lái)看一下各種封裝的熱阻。
由表中可見(jiàn)，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11W。不過(guò)如果整個(gè)系統設計于這樣高的耗散功率也說(shuō)明其效率不高，是需要避免的。 五．恒流二極管作為L(cháng)ED的驅動(dòng)源 我們知道LED必須采用恒流源來(lái)驅動(dòng)，否則由于它的負溫度系數，而會(huì )使電流急劇上升導致結溫升高，壽命縮短。而恒流二極管的恒流作用恰恰可以用來(lái)驅動(dòng)LED。最簡(jiǎn)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驅動(dòng)時(shí)必須注意選擇恰當的電流和耐壓。 3.1 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(wú)法工作的。通常這個(gè)Vk大約在5-10V左右，所以大多數采用電池供電的LED是無(wú)法工作的。 3.2 最大電流 由于恒流二極管的功耗受到限制，所以過(guò)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。 3.3 目前比較合適的使用場(chǎng)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動(dòng)源。其負載是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(gè)并聯(lián)。
圖10. 采用恒流二極管作為L(cháng)ED驅動(dòng)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(shí)，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(lái)說(shuō)，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(guò)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%，就相當于整流后為290~187V，電壓變化103V。已經(jīng)超過(guò)其耐壓了。假如所用的LED為80顆，那么總電壓為264V，正好相當于220V經(jīng)過(guò)橋式整流以后的值。這時(shí)候恒流二極管上沒(méi)有壓降，但是這時(shí)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(shí)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96%（當然還要考慮整流器的效率，實(shí)際上還會(huì )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(shí)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(shí)候它和LED就會(huì )達到一個(gè)新的平衡點(diǎn)，那就是二者的電壓和等于市電電壓經(jīng)過(guò)整流后的電壓。因為L(cháng)ED伏安特性的非線(xiàn)性，所以很難用公式來(lái)表示�？傊�，當市電電壓降低時(shí)，LED中的電流就會(huì )隨市電電壓的降低而降低。其亮度也會(huì )跟著(zhù)變暗。 下面舉一個(gè)實(shí)測的結果為例，這是一個(gè)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(shí)，所測得的結果如下表所示。
由表中可知，當市電電壓在200~225VAC的服務(wù)內變化時(shí)基本上可以保持恒流在27.1~27.8mA的范圍內，而且效率在82.5%~95.79%范圍內，即使在輸入電壓過(guò)低而無(wú)法恒流時(shí)，它的效率還能高達98-99%，這是采用恒流二極管的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。 它的唯一的缺點(diǎn)是功率因素比較低，只有0.535~0.543。 3.4無(wú)源功率因素校正 如果需要提高功率因素可以采用無(wú)源功率因素校正（見(jiàn)圖11）�？梢园压β室驍堤岣叩�0.9左右，但是會(huì )增加兩個(gè)大電解電容（22uF，250V）和三個(gè)二極管，在球泡燈里會(huì )受到體積的限制，而且成本會(huì )提高、效率也會(huì )降低。
圖11 無(wú)源功率因素校正 3.5有源功率因數校正 假如要求更高的功率因數，就可以采用有源功率因數校正。 美國安森美公司加了一個(gè)功率因素校正芯片NCP1014的恒流二極管的電源，其電原理圖見(jiàn)圖12。
圖12. 非隔離式電源原理圖 這個(gè)電源的基本指標如下：
圖13. NCP1014LEDGT外形圖 六．使用恒流二極管時(shí)的性能擴展 在選用現有的各種型號恒流二極管時(shí)經(jīng)常遇到所需要的電流或電壓不能滿(mǎn)足要求的情況。下面介紹幾種方法解決這些問(wèn)題。 6.1 加大恒流電流 為了加大電流，最簡(jiǎn)單的方法就是用幾個(gè)恒流二極管并聯(lián)（圖12），
圖12. 多個(gè)恒流二極管并聯(lián)以增大電流 但是這會(huì )增加成本，因為恒流二極管比較貴。另一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，就是用一個(gè)晶體三極管來(lái)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(shí)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(guò)三極管放大β倍以后再供給負載。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 其實(shí)這種方法在批量生產(chǎn)中是行不通的，因為各個(gè)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(huì )增加成本。但可以用于對恒流值的精確度要求不高的場(chǎng)合。 6.2 增高耐壓 有不少現成的恒流二極管的耐壓往往不夠高，當然最簡(jiǎn)單的方法就是用兩個(gè)或幾個(gè)恒流二極管串聯(lián)。同樣這樣成本就會(huì )增高。也可以用增加一些其它器件來(lái)提高。 1.串聯(lián)齊納管 最簡(jiǎn)單的方法就是和恒流二極管串聯(lián)一個(gè)齊納二極管來(lái)提高耐壓（圖15）。
圖15 采用齊納二極管來(lái)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(gè)電壓時(shí)，也就無(wú)法恒流。 2.串聯(lián)一個(gè)MOS管來(lái)增加耐壓（圖16）
圖16. 串聯(lián)一個(gè)MOS管來(lái)增加恒流二極管的耐壓 但是這時(shí)由于MOS管承擔了大部分耐壓，因而其功耗很大，效率降低。有一個(gè)實(shí)例采用了75個(gè)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(shí)，MOS管上壓降達70V，功耗2.38W，還需要很好的散熱器散熱。 下面是實(shí)測的結果。
在最高輸入電壓時(shí)的總效率只有67%，所以還是應當采用足夠耐壓的恒流二極管。 6.3 采用恒流二極管時(shí)的PWM調光（圖17）
圖17. 用PWM信號來(lái)對恒流二極管供電的LED調光 采用PWM信號調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(kāi)斷管腳的至少3條管腳的恒流二極管。 七．結束語(yǔ) 采用恒流二極管作為L(cháng)ED的恒流驅動(dòng)具有結構簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。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。負載只能是多個(gè)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(huì )有功率因素不高的缺點(diǎn)，而必須采用無(wú)源功率因素補償的方案。這些都是在使用時(shí)需要考慮的。 來(lái)源：電子工程網(wǎng) |
