標準和白光二極管LED的基礎知識與驅動原理

　本文描述了新、舊類型LED的特性，以及對驅動電源的性能要求。很多年來，發光二極管(LED)廣泛的應用于狀態顯示與點陣顯示板?，F在，不僅可以選擇近期剛剛研發出來的藍光和白光產品(普遍用于便攜設備)，而且也能在已有的綠光、紅光和黃光產品中選擇。例如，白光LED被認為是彩色顯示器的理想背光源。但是，必須注意這些新型LED產品的固有特性，需要為其設計適當的供電電源。
標準紅光、綠光和黃光LED
　　使LED工作的最簡單的方式是，用一個電壓源通過串接一個電阻與LED相連。只要工作電壓(VB)保持恒定，LED就可以發出恒定強度的光(盡管隨著環境溫度的升高光強會減小)。通過改變串聯電阻的阻值能夠將光強調節至所需要的強度。
　　對于5mm直徑的標準LED，圖1給出了其正向導通電壓(VF)與正向電流(IF)的函數曲線。 注意LED的正向壓降隨著正向電流的增大而增加。假定工作于10mA正向電流的綠光LED應該有5V的恒定工作電壓，那么串接電阻RV 等于(5V -VF,10mA)/10mA = 300。如數據表中所給出的典型工作條件下的曲線圖(圖2)所示，其正向導通電壓為2V。?

　　圖1. 標準紅光、綠光和黃光LED具有1.4V至2.6V的正向導通電壓范圍。當正向電流低于10mA時，正向導通電壓僅僅改變幾百毫伏。

　　圖2. 串聯電阻和穩壓源提供了簡單的LED驅動方式。
　　這類商用二極管采用GaAsP (磷砷化鎵)制成。易于控制，并且被絕大多數工程師所熟知，它們具有如下優點：
　　所產生的色彩(發射波長)在正向電流、工作電壓以及環境溫度變化時保持相當的穩定性。標準綠光LED發射大約565nm的波長，容差僅有25nm。由于色彩差異非常小，在同時并聯驅動幾個這樣的LED時不會出現問題(如圖3所示)。正向導通電壓的正常變化會使光強產生微弱的差異，但這是次要的。通常可以忽略同一廠商、同一批次的LED之間的差異。
　　正向電流高至大約10mA時，正向電壓變化很小。紅光LED的變化量大約為200mV，其它色彩大約為400mV (如圖1所示)。
　　相比之下，對于低于10mA的正向電流，藍光和白光LED的正向電壓變化更小?？梢灾苯邮褂帽阋说?a href="http://www.xsypw.cn/v/tag/2692/" target="_blank">鋰電池或三節NiMH電池驅動。

　　圖3. 該圖給出了同時并聯驅動幾個紅光、黃光或者綠光LED的結構，具有很小的色彩差異或亮度差異。
因此，驅動標準LED的電流消耗非常低。如果LED的驅動電壓高于其最大的正向電壓，則并不需要升壓轉換器或者復雜昂貴的電流源。
　　LED甚至可以直接由鋰電池或者3節NiMH電池來驅動，只要因電池放電而導致的亮度減弱可以滿足該應用的要求即可。
藍光LED
　　在很長的一段時間內都無法提供發射藍光的LED。設計工程師僅能采用已有的色彩：紅色、綠色和黃色。早期的“藍光”器件并不是真正的藍光LED，而是包圍有藍色散射材料的白熾燈。
　　幾年前，使用純凈的碳化硅(SiC)材料研制出了第一個“真正的藍光”LED，但是它們的發光效率非常低。下一代器件使用了氮化鎵基料，其發光效率可以達到最初產品的數倍。當前制造藍光LED的晶體外延材料是氮化銦鎵(InGaN)。發射波長的范圍為450nm至470nm，氮化銦鎵LED可以產生五倍于氮化鎵LED的光強。
白光LED
　　真正發射白光的LED是不存在的。這樣的器件非常難以制造，因為LED的特點是只發射一個波長。白色并不出現在色彩的光譜上；一種替代的方法是，利用不同波長合成白色光。
　　白光LED設計中采用了一個小竅門。在發射藍光的InGaN基料上覆蓋轉換材料，這種材料在受到藍光激勵時會發出黃光。于是得到了藍光和黃光的混合物，在肉眼看來就是白色的(如圖4所示)。

　　圖4. 白光LED的發射波長(實線)包括藍光和黃光區域的峰值，但是在肉眼看來就是白色。肉眼的相對光敏感性(虛線)如圖所示。
　　白光LED的色彩由色彩坐標定義。X和Y坐標的數值根據國際照明委員會(CIE)的15.2規范的要求計算得到。 白光LED的數據資料通常會詳細說明隨著正向電流增加而引起的色彩坐標的變化(如圖5所示)。?

　　圖5. 正向電流的變化改變了白光LED (OSRAM Opto Semiconductors的LE Q983)的色彩坐標，并因此改變了白光質量。
　　不幸的是，采用InGaN技術的LED并不像標準綠光、紅光和黃光那樣容易控制。InGaN LED的顯示波長(色彩)會隨著正向電流而改變(如圖6所示)。例如，白光LED所呈現的色彩變化產生于轉換材料的不同濃度，以及藍光發光InGaN材料隨著正向電壓的變化而產生波長變化。從圖5可以看到色彩的變化，X和Y坐標的移動意味著色彩的改變(如前所述，白光LED沒有明確的波長。)?

　　圖6. 增加的正向電流通過改變其發射波長而改變了藍光LED的色彩。
　　當正向電流高至10mA時，正向電壓的變化很大。變化量的范圍大約為800mV (有些二極管型號變化會更大一些)。電池放電引起的工作電壓的變化因此會改變色彩，因為工作電壓的變化改變了正向電流。在10mA正向電流時，正向電壓大約為3.4V (該數值會隨供應商的不同而有所不同，范圍從3.1V至4.0V)。同樣，不同LED之間的電流-電壓特性也有較大差異。直接用電池驅動LED是很困難的，因為絕大數電池會隨著放電使電壓低于LED所需要的最小正向導通電壓。

驅動并聯白光LED
　　許多便攜式或采用電池供電的設備使用白光LED作為背光。特別是PDA彩色顯示器需要白色背景光，以恢復所希望的色彩，恢復色彩要與原物很接近。未來的3G手機支持圖片和視頻數據，這也需要白色背光。數碼照相機、MP3播放器和其它視頻、音頻設備也包括需要白色背光的顯示器。
　　在絕大多數應用中，單個白光LED是不夠的，需要同時驅動幾個LED。必須采用特定的操作，以確保它們的強度和色彩一致，即使是在電池放電或其它條件變化時。
　　圖7給出了一組隨機挑選的白光LED的電流-電壓曲線。在這些LED上加載3.3V電壓(上端虛線)會產生2mA至5mA范圍的正向電流，導致不同亮度的白光。該區域中(如圖5所示) Y坐標變化很劇烈，會導致顯示色彩的不真實。同樣，LED也具有不同的光強，這會產生不均勻的亮度。另外一個問題是所需的最小供電電壓，LED要求高于3V的電壓驅動，若低于該電壓，幾個LED可能會完全變暗。

　　圖7. 曲線顯示了不同白光LED的電流-電壓特性之間的相當大的差異，甚至是從同一產品批次中隨機挑選的LED。因此，用恒定的3.3V驅動這樣幾個并聯的LED會導致不同亮度的白光(上虛線)。
　　鋰電池在完全充滿電時可以提供4.2V的輸出電壓，在很短的一段工作時間內會下降到標稱的3.5V。由于電池放電，其輸出電壓會進一步下降到3.0V。如果白光LED直接由電池驅動，如圖3所示，則會產生如下問題：
　　首先，當電池充滿電時，所有的二極管都被點亮，但會具有不同的光強和色彩。當電池電壓下降至其標稱電壓時，光強減弱，并且白光間的差異變得更大。因此，設計人員必須考慮電池電壓和二極管正向電壓的數值，而需要計算串聯電阻的阻值。(隨著電池徹底放電，部分LED將會完全熄滅。)
帶有電流控制的電荷泵
　　LED供電電源的目標是提供一個足夠高的輸出電壓，并且在并聯連接的LED上加載同樣的電流。注意(如圖5所示)，如果并聯配置的所有LED具有一致的電流，那么所有的LED將會具有相同的色彩坐標。Maxim提供帶有電流控制的電荷泵，以實現這一目標(MAX1912)。
　　圖8所示的三個并聯的LED，電荷泵具有較大量程，可以提高輸入電壓至1.5倍。早期的電荷泵只能簡單的使輸入電壓倍壓，而新的技術則提供了更好的效率。將輸入電壓升高至恰好可以驅動LED工作的電平。連接至SET (10引腳)的電阻網絡保證所有LED的電流一致。內部電路保持SET電平在200mV，這樣就可以計算出流經每個LED的電流ILED = 200mV/10? = 20mA。如果某些二極管需要較低的電流，可以同時并聯驅動3個以上的LED，MAX1912的輸出電流可達60mA。進一步的應用和圖表可以參考MAX1912數據資料。

　　圖8. IC內部包括電荷泵和電流控制，電荷泵為白光LED提供足夠的驅動電壓，而電流控制通過給每個LED加載同樣的電流來確保均勻的白光。
簡單電流控制
　　如果系統提供高于二極管正向導通電壓的電平，白光LED可以很容易的被驅動。例如，數碼照相機通常包括一個+5V供電電源。如果那樣的話，就不需要升壓功能，因為供電電壓足以驅動LED。對于圖8所示電路，應該選擇一個匹配的電流源。比如，MAX1916可以同時驅動3個并聯的LED (如圖9所示)。

　　圖9. 單個外部電阻(RSET)設定流經每個LED的電流數值。在IC的使能引腳(EN)上加載脈寬調制信號可以實現簡單的亮度控制(調光功能)。
　　工作簡單：電阻RSET設定加載至所連LED的電流。這種方法占用很少的PCB空間。除IC (小巧的6引腳SOT23封裝)和幾個旁路電容之外，僅需要一個外部電阻。IC具有極好的電流匹配，不同LED之間差別0.3%。這種結構提供了相同的色彩區域，因此每個LED具有一致的白光亮度。
調光改變光強
　　某些便攜式設備根據環境光線條件來調節其光輸出亮度，有些設備在一段較短的空閑時間之后通過軟件降低其光強。這都要求LED具有可調光強，并且這樣的調節應該以同樣的方式去影響每路正向電流，以避免可能的色彩坐標偏移。利用小型數模轉換器控制流經RSET電阻的電流可以得到均勻的亮度。
　　6位分辨率的轉換器，比如帶有I2C接口的MAX5362或者帶有SPI接口的MAX5365，能夠提供32級亮度調節(如圖10所示)。由于正向電流會影響色彩坐標，因此LED白光會隨著光強的變化而改變。但是這并不是問題，因為相同的正向電流會使得這個組里的每個二極管都發出同樣的光。

　　圖10. 數模轉換器通過一致改變LED的正向電流來控制LED的調光。
使色彩坐標不發生移動的調光方案叫做脈寬調制。它能夠由絕大多數可以提供使能或者關斷控制的電源器件實現。例如，通過拉低EN電平禁止器件工作時，MAX1916可以將流經LED的泄漏電流限定在1μA，使發射光為零。拉高EN電平可以管理可控的LED正向電流。如果給EN引腳加脈寬調制信號，那么亮度就與該信號的占空比成正比。
　　由于流經每個LED的正向電流持續保持一致，因而色彩坐標不會偏移。但是，肉眼會感覺到占空比改變帶來的光強變化。人眼無法分辨超過25Hz的頻率，因此200-300Hz的開關頻率是PWM調光的很好選擇。更高的頻率會產生問題，用來切換LED開關的短暫時間間隔內色彩坐標會發生變化。PWM信號可以由微處理器的I/O引腳或其外設提供?？商峁┑膬啥鹊燃壢Q于所用的計數寄存器的字節長度。
開關模式升壓轉換器，具有電流控制
　　除了前面所提到的電荷泵(MAX1912)之外，還可以實現帶有電流控制的升壓轉換器。比如，開關模式電壓轉換器MAX1848，可以產生最高至13V的輸出電壓，足以驅動三個串聯的LED (如圖11所示)。這種方法也許是最簡潔的，因為所有串接的LED具有完全相同的電流。LED電流由RSENSE與加載在CTRL輸入上的電壓共同決定。?

　　圖11. 開關模式升壓轉換器可以驅動幾個串聯的LED。這些LED都具有相同的正向電流，該電流(比如)由數模轉換器通過CTRL輸入來控制。
MAX1848可以根據前面所描述的任一方法來實現調光功能。通過LED的正向電流與加載在CTRL引腳的電壓成正比。由于當加載在CTRL上的電壓低于100mV時MAX1848會進入關斷模式，這樣也可以實現PWM調光功能。
概述
　　如果能夠通過使LED正向電流相等而確保白光發射的均勻性，則可以并聯驅動白光LED。為驅動LED，應該選擇可控的電流源或者帶有電流控制的步進轉換器。采用電荷泵或者開關升壓轉換器可以實現這樣的與幾個標準產品的結合。
參考文獻
數據資料："LR5360, LS5360, LY5360, LG5360", OSRAM Opto Semiconductors, Regensburg, 2001.
"Driving InGaN-Based LED in Parallel Circuits," Gerhard Scharf, OSRAM Opto Semiconductors, 2001年11月.
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數據資料：MAX1912, Maxim Integrated Products, 2002: