做LED設(shè)計(jì) 要搞明白這兩件事

我們?cè)?nbsp;LED 設(shè)計(jì)過程中，可能會(huì)有一些關(guān)鍵參數(shù)的含義并不是很清楚。本文著重分享一些LED容易忽略的關(guān)鍵參數(shù)。然后針對(duì)LED調(diào)光應(yīng)用，介紹兩種常見的PWM調(diào)光方法。

01 LED關(guān)鍵參數(shù)

1.1 主波長與峰值波長

我們?cè)诳磾?shù)據(jù)手冊(cè)的時(shí)候，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)有兩種不同的波長參數(shù)：“峰值波長”和 “主波長” 。

我們以Kingbright 的 APT1608SURCK舉例，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè),  當(dāng)電流為20mA的時(shí)候，APT1608SURCK峰值波長為645nm，主波長為630nm

峰值波長 λP（Peak Wavelength ) : 定義為光譜輻射功率最大處所對(duì)應(yīng)的波長。簡(jiǎn)單的說就是它不代表人肉眼能看到的波長而是光學(xué)檢測(cè)器能看到的波長。

主波長 λD（Dominant Wavelength）：眼睛能看到光源發(fā)出的主要光的顏色所對(duì)應(yīng)的波長為主波長；通?？吹降囊皇?，它并非是單一波長的光，它是由很多波長的光組合而成的。我們?nèi)搜鄹惺艿降氖歉鞑ㄩL作用的綜合結(jié)果，感覺它對(duì)應(yīng)于一個(gè)單一波長的光，這個(gè)波長值就是主波長λD。

一般來說，這兩個(gè)參數(shù)并沒有太大的不同，但在使用這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行選料時(shí)可以考慮我們的應(yīng)用。例如，

◆ 如果LED用于光學(xué)儀器并且機(jī)器用于識(shí)別波長，則應(yīng)使用峰值波長進(jìn)行LED選料。

◆ 如果LED用于為顯示器提供背光或以其他方式照亮或指示操作人員的某些內(nèi)容，則應(yīng)使用主波長進(jìn)行LED選料。

1.2 流明（Lumens）

流明是指用于測(cè)量光源發(fā)光強(qiáng)度的單位。如果說波長決定了我們看到LED的顏色，那么流明就決定了我們看到LED的亮度。

我們還是以Kingbright 的 APT1608SURCK舉例：

根據(jù) 數(shù)據(jù)手冊(cè)在測(cè)試電流20mA下，LED流明最小可以到達(dá)120 mcd，典型值230mcd

亮度單位 mcd

發(fā)光二極管的亮度一般用發(fā)光強(qiáng)度 (Luminous Intensity) 表示,單位是坎德拉 cd。

一般而言，蠟燭光的發(fā)光強(qiáng)度大約為1cd。mcd即毫坎德拉， 1cd（坎德拉）= 1000mcd（毫坎德拉）。也就是說230mcd相當(dāng)于1/4蠟燭的亮度。

1.3 色溫CCT

相關(guān)色溫（ CCT ） ——是指以開氏度數(shù)（K）為單位的LED光度表示方式。

舉例：Luminus的 MP-2016-1100-27-90

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，色溫在2700K

CCT 小于 5,000 K 時(shí)，計(jì)算 CRI 采用的參照光源符合黑體輻射源的光譜功率分布 (SPD) 規(guī)律。CCT 大于 5,000 K 時(shí)，則采用由日光數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的假象 SPD。這兩種參照光源最初選定，以便接近白熾燈泡和日光。上圖所示為日光與一些常見光源（含白光 LED）的 SPD 對(duì)比。

1.4 顯色指數(shù) CRI

顯色指數(shù) —— 是指LED光源與自然光源之間的對(duì)比百分比。CRI（顯色指數(shù)）的范圍為0 - 100%。光源的CRI是指與陽光（陽光為100%）相比，光源重現(xiàn)物體顏色的最精確表示的能力。CRI并非用于測(cè)量的亮度或強(qiáng)度。CRI越高，在還原物體的精確顏色方面，光源就越接近陽光。

舉例：Luminus 的 MP-2016-1100-27-90

根據(jù) 數(shù)據(jù)手冊(cè)，在測(cè)試電流60mA條件下，顯色指數(shù)CRI 有90%

在攝影師的工作室中，高顯色指數(shù)照明尤為重要；對(duì)于街道照明，則為獲得能效而犧牲了顯色指數(shù)。

一般來說，冷白光熒光燈的 CRI 大概在 62，但熒光燈含有 CRI 值為 80 或以上的稀土熒光粉。汞蒸氣燈性能差，CRI 為 45，鹵素?zé)粜阅芎?，CRI  不低于 90，而緊湊型熒光燈 (CFL) 的 CRI 在 80 左右。

1.5 Bin分級(jí)

分級(jí) ——用于將LED進(jìn)行分類排序，使同級(jí)別的LED擁有相似的光輸出。分級(jí)可以理解為根據(jù)LED光的色度，亮度等不同參數(shù)歸類到不同的級(jí)別。

我們以Cree 的 CXA2520-0000-000N00R250F舉例：

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，CXA2520-0000-000N00R250F 色溫5000K, 最小顯色指數(shù)70

某些廠家為了更好的將LED分類，會(huì)對(duì)LED進(jìn)行色度測(cè)試，并放置在由以下邊界坐標(biāo)定義的區(qū)域之一

根據(jù)上圖，該LED在50F組，因此將落入3A,3B,3C,3D區(qū)域。

02 LED PWM 調(diào)光應(yīng)用

傳統(tǒng)模擬調(diào)光法存在一些明顯的缺點(diǎn)。其中主要有能效影響（輸出亮度 (lm)/輸入功率 (W)）、由于最小正向電流閾值造成的受限對(duì)比度、精確控制典型 LED 驅(qū)動(dòng)器較大范圍輸出電流的設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加，以及影響最大的是，LED 的相關(guān)色溫 (CCT) 隨正向電壓/正向電流變化而變化。

廠商規(guī)定了 LED 在特定正向電壓/正向電流工作點(diǎn)下的 CCT。設(shè)計(jì)人員從特定 CCT“分檔”中選擇 LED，他們知道從該分檔中選擇的所有產(chǎn)品都將發(fā)出幾乎相同的 CCT。雖然領(lǐng)先制造商通常還提供 CCT 如何隨正向電壓/正向電流變化的信息，但他們并不保證特定產(chǎn)品在超出推薦參數(shù)以外的工作點(diǎn)的性能。尤其是，LED制造商不保證來自相同分檔的器件在建議工作點(diǎn)以外的任何點(diǎn)產(chǎn)生相同的 CCT。下圖說明了 OSRAM LED 的色度坐標(biāo)（決定其 CCT）如何隨正向電流變化。

LED 的色度和 CCT 隨正向電壓變化。在較大范圍的正向電流中，可以通過肉眼觀察這些變化。（來源：OSRAM）

LED亮度在非常低的直流電流下一般會(huì)有很大的光輸出誤差。當(dāng)LED偏置小于其額定電流的0.1%時(shí)，這些誤差就會(huì)發(fā)生。真正的PWM避免了這種情況，因?yàn)長ED電流是恒定的，在所有亮度水平下都接近高電平。

介紹兩種常見的PWM調(diào)光方法：

2.1 帶低通濾波PWM調(diào)光

我們以TI LED驅(qū)動(dòng)器TPS61165舉例：下圖是一個(gè)具有低通濾波PWM輸入的典型的LED驅(qū)動(dòng)器升壓電路，使用的是照明用白色LED。

(圖片來源于TI)

上面的電路中，LED驅(qū)動(dòng)器中結(jié)合了一個(gè)LPF，并結(jié)合了一個(gè)外部復(fù)位。邏輯電平PWM信號(hào)被緩沖和電平移位，因此它在參考電壓(VBG)和地（GND）之間擺動(dòng)。然后，濾波后的信號(hào)用作升壓誤差放大器的參考，迫使FB節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)到VREF，以便設(shè)置LED電流通過低側(cè)電阻R1。

下面是TPS61165(低通濾波PWM)波形

(圖片來源于TI)

濾波PWM的主要缺點(diǎn)是:

1.當(dāng)PWM占空比從0到100%快速變化時(shí)，升壓輸出電壓的響應(yīng)緩慢。這主要是由于LED正向電壓的變化導(dǎo)致升壓輸出電壓需要在不同的電平之間轉(zhuǎn)換。

2.當(dāng)濾波后的參考電壓變得非常小時(shí)引入偏移誤差（offset errors）。

偏移誤差是這類控制的主要問題。由于VREF變得非常低(低占空比)，誤差放大器的偏移量成為參考電壓的很大一部分。為了糾正這一點(diǎn)，要么必須進(jìn)行微調(diào)，要么必須使用更復(fù)雜的偏移抵消放大器。圖3顯示了LED電流設(shè)定點(diǎn)上偏移電壓(VOS)的有效框圖。這可以建模為誤差放大器+輸入處參考電壓的偏移(VOS可以是正的也可以是負(fù)的)。對(duì)于正VOS， D = 0時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的最小LED電流。

(圖片來源于TI)

2.2 采樣PWM調(diào)光

對(duì)低通濾波PWM調(diào)光方法的改進(jìn)是對(duì)PWM進(jìn)行采樣，PWM輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，并將該數(shù)字代碼應(yīng)用于內(nèi)部DAC。因?yàn)檫@是為更高性能的LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的，所以這主要用在集成電流源的產(chǎn)品上。此外，這些器件提供了將PWM輸入與I2C占空比代碼相結(jié)合的能力。

舉例：TI 的 LM36923

PWM采樣調(diào)光典型框圖

(圖片來源于TI)

由于采樣把PWM轉(zhuǎn)換為代碼，因此偏移電壓的問題變成了LSB大小問題。這可以從下圖中看到，其中最小電流為50μA(相當(dāng)于LM36923器件11位調(diào)光響應(yīng)中的代碼1)。并且包括了超時(shí)計(jì)數(shù)器，以確保0占空比下的0電流。

(圖片來源于TI)

采樣PWM的主要缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)采樣器所需的靜態(tài)電流較高。這主要是由于使用的是高頻振蕩器。

采樣PWM (相對(duì)于濾波PWM)的主要優(yōu)點(diǎn)如下:

1.允許將PWM輸入映射到指數(shù)調(diào)光曲線(或任何其他可用的映射模式)。

2.允許LED電流在占空比變化之間斜坡。使用可編程斜坡可以將低分辨率PWM占空比輸入轉(zhuǎn)換為更高分辨率的電流斜坡。

3.數(shù)字濾波器(可編程遲滯)可用于消除可能導(dǎo)致LED亮度閃爍的PWM輸入中的抖動(dòng)。

4.允許低頻PWM輸入。由于PWM輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼，因此避免了低頻PWM所需的大型低通濾波器。

5.允許更快地響應(yīng)占空比的變化。由于PWM采樣時(shí)鐘遠(yuǎn)高于PWM輸入頻率，因此可以在單個(gè)PWM周期內(nèi)解釋占空比的任何變化。然而，當(dāng)PWM占空比偏差較大時(shí)，LED電壓的波動(dòng)會(huì)成為瓶頸。

總結(jié)

隨著傳統(tǒng)照明到發(fā)光二極管 (LED) 的快速發(fā)展, 設(shè)計(jì)人員的難點(diǎn)在于，與傳統(tǒng)白熾燈或日光燈照明不同，要在保持光線質(zhì)量的同時(shí)對(duì) LED 調(diào)光并非易事。雖可進(jìn)行模擬調(diào)光，但這會(huì)造成明顯的色度和發(fā)射光“溫度”偏移。了解LED的關(guān)鍵參數(shù)與LED調(diào)光的方法，幫你事半功倍。