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?yàn)樗皇怯糜谀承﹥x器儀表中作為電流的標(biāo)準(zhǔn),。然而近來(lái)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(guó)外的大公司都開發(fā)出這種產(chǎn)品以供驅(qū)動(dòng)LED,，這是因?yàn)長(zhǎng)ED必須采用恒流源作為驅(qū)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(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(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(yuǎn)不變,。當(dāng)然這種器件是不可能存在的。實(shí)際的恒流二極管相當(dāng)于一個(gè)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(gè)電壓范圍內(nèi)有一段恒流區(qū)間,，在這個(gè)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(shí)際的恒流二極管并不是那么理想。圖3是美國(guó)Supertex的CL1恒流二極管的特性,。它的電流仍然會(huì)隨電壓而有所增加,。
圖3. 實(shí)際的恒流二極管的伏安特性
恒流二極管的另一個(gè)特性就是它的溫度特性，溫度特性通常用相對(duì)值%/°C或絕對(duì)值μA/°C來(lái)表示,。這個(gè)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(dòng),，所以通常需要采用溫度補(bǔ)償措施（圖4）,。
圖4. 恒流二極管的溫度補(bǔ)償措施
采用溫度補(bǔ)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(jiǎn)單的恒流二極管就是采用一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（圖5）。
圖5. 用一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成恒流二極管
用兩個(gè)晶體三極管,，也可以構(gòu)成一個(gè)恒流源（圖6）,。
圖6. 用兩個(gè)三極管構(gòu)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(hào)的管子,，其be電壓不是一個(gè)固定值，即使是相同型號(hào),，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(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)代替晶體管,。同時(shí)在反饋回路里采用一個(gè)運(yùn)放
圖6. 采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和運(yùn)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(zhǔn)電壓Vin,，最簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)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(yīng)管來(lái)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(lái)構(gòu)成恒流源。實(shí)際上現(xiàn)在已經(jīng)可以根據(jù)對(duì)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)
當(dāng)一個(gè)反向偏壓加到PN結(jié)的陰極和陽(yáng)極時(shí)，這個(gè)恒流二極管開始導(dǎo)通,，當(dāng)反向偏壓增加到VL時(shí)（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(diǎn)時(shí),，在N區(qū)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(qū)中電流的路徑也就減慢了電流的增加速度。結(jié)果這個(gè)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(wú)關(guān),，直到所加電壓達(dá)到一個(gè)擊穿點(diǎn)Vb。如果所加電壓反過來(lái),，那么就相當(dāng)于一個(gè)正向電壓加到一個(gè)PN結(jié),，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(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)
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(huì)承受很高的電壓,，假如電流也很大的話，它的功耗有可能會(huì)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(lái)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)源
我們知道LED必須采用恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng),，否則由于它的負(fù)溫度系數(shù),，而會(huì)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(lái)驅(qū)動(dòng)LED,。最簡(jiǎn)單的方法就是直接和LED串聯(lián),。但是我們?cè)诎押懔鞫O管用于LED驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意選擇恰當(dāng)?shù)碾娏骱湍蛪骸?/p>
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(wú)法工作的,。通常這個(gè)Vk大約在5-10V左右,，所以大多數(shù)采用電池供電的LED是無(wú)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 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(qū)動(dòng)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(gè)并聯(lián),。
圖10. 采用恒流二極管作為L(zhǎng)ED驅(qū)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,，用在220V市電電源里,，都還只能對(duì)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(shí)候恒流二極管上沒有壓降,，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(dá)96%（當(dāng)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(dá)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)過整流后的電壓。因?yàn)長(zhǎng)ED伏安特性的非線性,，所以很難用公式來(lái)表示,。總之,，當(dāng)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)跟著變暗,。
下面舉一個(gè)實(shí)測(cè)的結(jié)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(cè)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(shí)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(wú)法恒流時(shí),，它的效率還能高達(dá)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。
5.4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（見圖11）,?？梢园压β室驍?shù)提高到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
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(guó)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,，其電原理圖見圖12,。
圖12. 非隔離式電源原理圖
這個(gè)電源的基本指標(biāo)如下：
圖13. NCP1014LEDGT外形圖
其實(shí)這個(gè)電源的核心就是一個(gè)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(shí)際上是一個(gè)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(guó)能源之星的要求,。輸入端的L1,C1,C2是一個(gè)防電磁干擾EMI的濾波器,。它的缺點(diǎn)是非隔離，所以220V會(huì)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(wú)法出口歐盟的。
六,、使用恒流二極管時(shí)的性能擴(kuò)展
在選用現(xiàn)有的各種型號(hào)恒流二極管時(shí)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(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?yàn)楹懔鞫O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
其實(shí)這種方法在批量生產(chǎn)中是行不通的,，因?yàn)楦鱾€(gè)晶體三極管的β有所不同，輸出的恒流值也不同,。除非對(duì)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(duì)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(xiàn)成的恒流二極管的耐壓往往不夠高,，當(dāng)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(dān)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(dá)70V，功耗2.38W,，還需要很好的散熱器散熱,。
下面是實(shí)測(cè)的結(jié)果。
在最高輸入電壓時(shí)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(shí)的PWM調(diào)光（圖17）
圖17. 用PWM信號(hào)來(lái)對(duì)恒流二極管供電的LED調(diào)光
采用PWM信號(hào)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(yǔ)
采用恒流二極管作為L(zhǎng)ED的恒流驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)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(fù)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(bǔ)償?shù)姆桨?。這些都是在使用時(shí)需要考慮的,。