LED之前世今生及其驅(qū)動(dòng)概述

　　想象一下收到一個(gè)燈泡作為禮物會(huì)是什么樣的情形。用于替代螺旋燈泡的LED燈稀少而昂貴，我居然在去年圣誕節(jié)的時(shí)候收到了這樣一份禮物。不過(guò)我們正逐漸走向這樣一個(gè)交叉路口：led燈將越來(lái)越普及，價(jià)格越來(lái)越便宜，到一定程度時(shí)，它們將擔(dān)負(fù)起為世界照明的重?fù)?dān)。

　　我們并不是簡(jiǎn)單地將采用LED技術(shù)的新型燈泡狀物體扭進(jìn)舊裝置中。今后再也沒(méi)有必要把光源看成是一次性物品。很快，燈泡(包括點(diǎn)亮的部分)的使用壽命將超過(guò)燈泡用戶的壽命。此外，由于LED燈是瞬時(shí)開(kāi)啟和關(guān)斷的，并且電源周期不會(huì)造成其使用壽命縮短，因此我們可以只在需要時(shí)打開(kāi)LED燈。

　　這對(duì)于使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)潛在優(yōu)勢(shì)，對(duì)于城市和建筑所有者來(lái)說(shuō)則有可能實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)能。甚至最后警察和私人保安都傾向于只在響應(yīng)運(yùn)動(dòng)傳感器時(shí)才打開(kāi)夜間照明燈，因?yàn)檫@種燈可以幫助他們分辨壞人在哪里。不過(guò)，這種技術(shù)確實(shí)處于其發(fā)展的初期階段，它需要一些時(shí)間來(lái)逐漸適應(yīng)。

　　LED的物理原理

　　任何二極管處于傳導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，無(wú)論電子與空穴何時(shí)復(fù)合，都會(huì)以光子的形式散發(fā)一定的能量。光色(光子的能量)取決于半導(dǎo)體材料的能帶隙。砷化鋁鎵(AlGaAs)和其他材料發(fā)紅光。氮化銦鎵(InGaN)發(fā)綠光。硒化鋅(ZnSe)發(fā)藍(lán)光。

　　可以通過(guò)整合紅光二極管、綠光二極管和藍(lán)光二極管來(lái)產(chǎn)生白光。不過(guò)，我們非常熟悉的高亮度(HB)白光二極管整合的是藍(lán)光InGaN二極管和黃 色熒光粉(一般為摻鈰釔鋁石榴石，Ce3+:YAG)。

　　當(dāng)白光LED使用熒光粉時(shí)會(huì)發(fā)生非常有意思的、有用的事情。在稱為斯托克斯(Stokes)位移的量子效應(yīng)期間，熒光粉層發(fā)出的光子所具備的能量低于其從藍(lán)光LED吸收的光子的能量(圖1)。在高亮度白光LED中，一小部分藍(lán)光發(fā)生斯托克斯位移后具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。這是好事情，因?yàn)檫@使得LED廠商可以使用許多不同顏色的熒光粉層，從而擴(kuò)展發(fā)射光譜，有效地提高LED的顯色指數(shù)(CRI)。

也就是說(shuō)，對(duì)于LED來(lái)講，不應(yīng)該只考慮白光，而應(yīng)該盡可能地精確反映LED燈照射的物體的所有顏色。CRI是一個(gè)相當(dāng)難以度量的指標(biāo)，它表示被人工照明的物體的顏色與在實(shí)際太陽(yáng)光下所顯示的顏色的接近程度，我們用該指標(biāo)作為“白”光的標(biāo)準(zhǔn)。

采用熒光粉的白光LED獲得的高CRI是有代價(jià)的，因?yàn)樗雇锌怂刮灰茣?huì)造成白光LED的效率低于單色LED的效率。不過(guò)對(duì)于大多數(shù)普通的照明應(yīng)用而言，高CRI勝過(guò)效率。

　　持續(xù)不斷的改進(jìn)

　　根據(jù)可與摩爾定律媲美的海茲定律(以Roland Haitz命名)，商業(yè)LED的最大光輸出每36個(gè)月左右會(huì)翻一番。該定律對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有著極大的作用?；旧希瑥默F(xiàn)在起一年半內(nèi)主流的LED都將可以提供如今最貴的LED的光輸出。借助未來(lái)的產(chǎn)品，最先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)將采用越來(lái)越少的LED。

　　推動(dòng)海茲定律的其中一個(gè)因素與難以獲取二極管半導(dǎo)體材料的光子有關(guān)，這種材料往往具有比較高的折射率。如果光子無(wú)法通過(guò)半導(dǎo)體材料與其周?chē)目諝?或真空)之間的接觸面，它就會(huì)反射回半導(dǎo)體材料中，并被這種材料吸收。

　　如果半導(dǎo)體材料是立方體形狀，它只會(huì)或多或多地發(fā)出與立方體的一面或另一面垂直的光。(回顧一下Physics 102和有關(guān)討論“臨界角”的光學(xué)章節(jié)部分。)因此，僅僅是切割LED晶圓，并將這些芯片當(dāng)作某種半導(dǎo)體器件，顯然是不符合要求的。

　　如果你從未處理過(guò)平面基板上沉積的二極管處延材料，那么你可能會(huì)想到模仿金剛石刀具來(lái)在這種材料上雕琢小平面。不過(guò)最切實(shí)可行的做法是，將LED放在折射率介于半導(dǎo)體材料與空氣之間的透明塑料材料中，同時(shí)將團(tuán)狀的塑料塑造成球形或半球形，從而增加兩個(gè)表面的臨界角。

　　基本LED驅(qū)動(dòng)

　　LED的驅(qū)動(dòng)應(yīng)該比較簡(jiǎn)單。它們是二極管，具有一定的正向壓降，其光輸出取決于電流，任何給定的二極管都有一個(gè)電流極限值。這看起來(lái)像一組可管理的參數(shù)，不過(guò)情況開(kāi)始變得越來(lái)越復(fù)雜。就傳統(tǒng)二極管而言，LED電流隨電壓呈指數(shù)級(jí)變化。(這就是肖克利(Shockley)二極管方程)

　　不必多說(shuō)，這里討論的不是歐姆定律。電壓的微小變化會(huì)導(dǎo)致電流發(fā)生很大的變化。這就是為什么在多數(shù)情況下LED采用恒流源驅(qū)動(dòng)的原因。采用一組手表電池供電的便宜的袖珍手電筒是一個(gè)值得注意卻不吸引人的特例。這些電池很貴，但使用時(shí)間卻不長(zhǎng)。優(yōu)質(zhì)手電筒采用傳統(tǒng)電池和微型升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)器。這種手電筒價(jià)格昂貴，不過(guò)可以讓傳統(tǒng)的AAA堿性電池工作幾個(gè)月的時(shí)間。

　　多個(gè)LED

　　在考慮驅(qū)動(dòng)電路之前，需要進(jìn)行早期的設(shè)計(jì)決策，包括陣列中LED互連的配置。除了袖珍手電筒之外，很少有應(yīng)用只采用單個(gè)LED。無(wú)論是街燈中的屏幕背光LED陣列，還是替代白熾燈或熒光燈的LED方案，大多數(shù)設(shè)計(jì)都需要多個(gè)LED。

　　設(shè)計(jì)人員必須首先作出的其中一個(gè)決策是以串聯(lián)、并聯(lián)還是作為L(zhǎng)ED串的并聯(lián)陣列方式驅(qū)動(dòng)LED。一般來(lái)講，以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)許多單個(gè)LED并不可取，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致非均勻電流共享(即使LED全部具有相同的額定正向壓降)。

　　采用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)LED的方式又會(huì)引起單個(gè)LED出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)打開(kāi)的情況下出現(xiàn)的問(wèn)題。在每個(gè)LED處采用并聯(lián)的齊納二極管或硅控整流器(SCR)可以解決這個(gè)問(wèn)題，不過(guò)成本比較高。SCR比較具有吸引力，因?yàn)樵诒仨毺幚硎ED時(shí)，它們的功耗較低。

　　最佳的策略也許是承認(rèn)單個(gè)LED失效與整個(gè)LED串失效一樣嚴(yán)重，然后實(shí)現(xiàn)魯棒的熱設(shè)計(jì)，最大限度地減少所有LED在應(yīng)有的產(chǎn)品使用壽命內(nèi)發(fā)生熱應(yīng)力引起的故障的機(jī)會(huì)。

　　如果設(shè)計(jì)人員采用多個(gè)并聯(lián)LED串，那么與采用較少具有足夠輸出能力的驅(qū)動(dòng)器(理想情況下是一個(gè))來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián)LED串相比，每個(gè)LED串采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器所花費(fèi)的成本將更高。

　　采用多個(gè)LED串往往會(huì)引起電流共享問(wèn)題，這樣就需要采用第一個(gè)案例中的LED串，不過(guò)仍有必要針對(duì)每個(gè)LED串采用一個(gè)鎮(zhèn)流電阻。設(shè)計(jì)人員可以計(jì)算電阻值，假設(shè)目標(biāo)為通過(guò)LED串的正壓降的變化控制在±10%以內(nèi)，并且假設(shè)需要匹配每個(gè)并聯(lián)LED串中的電流，以便該電流的變化控制在±20%以內(nèi)。

　　假設(shè)對(duì)于每個(gè)LED串而言，LED正向壓降與通過(guò)鎮(zhèn)流電阻的電壓之和應(yīng)等于驅(qū)動(dòng)器標(biāo)稱輸出電壓的80%。根據(jù)這一點(diǎn)即可算出鎮(zhèn)流電阻和恒流驅(qū)動(dòng)器的額定電流。另一個(gè)比較簡(jiǎn)單的方案是購(gòu)買(mǎi)匹配且交叉連接的串聯(lián)/并聯(lián)LED串陣列，如Philips公司的Luxeon Flood產(chǎn)品。

　　動(dòng)態(tài)背光

　　普通的照明陣列與背光陣列除了光輸出、陣列間隔和更均勻的照明效果之外就幾乎不存在其它差別了。不過(guò)當(dāng)背光強(qiáng)度與移動(dòng)視頻圖像動(dòng)態(tài)匹配時(shí)，情況有所變化。

　　動(dòng)態(tài)背光可以產(chǎn)生與背光屏幕上的圖像流明值相對(duì)應(yīng)的局部背光強(qiáng)度變化，其日益普及的原因有兩個(gè)。

　　首先，動(dòng)態(tài)背光會(huì)增加被顯示圖像的明顯動(dòng)態(tài)范圍(或?qū)Ρ榷?。其次，通過(guò)對(duì)背光中的部分LED進(jìn)行節(jié)流，動(dòng)態(tài)背光可以降低總能耗。它對(duì)于在商店中通過(guò)比較顯示屏選擇高端電視機(jī)的顧客有很大的影響(圖2)；在很大程度上也是一種延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備中的電池使用時(shí)間的方法。

　　圖2：動(dòng)態(tài)背光可調(diào)節(jié)電視屏幕背光陣列中單個(gè)LED的亮度，從而與顯示圖像的流明值匹配，提高顯示屏的感知對(duì)比度。

　　我第一次看到動(dòng)態(tài)背光是在恩智浦公司(NXP)的新聞發(fā)布會(huì)上，那次演示讓我想起了我大學(xué)時(shí)期的某個(gè)夏季在一家電視臺(tái)工