LED特性和白光LED的基礎知識與驅(qū)動

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(xiàn)的色彩變化產(chǎn)生于轉(zhuǎn)換材料的不同濃度，以及藍光發(fā)光InGaN 材料隨著正向電壓的變化而產(chǎn)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(fā)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(shù)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(qū)動LED是很困難的，因為絕大數(shù)電池會隨著放電使電壓低于LED所需要的最小正向?qū)妷骸?nbsp;

 驅(qū)動并聯(lián)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(shù)據(jù)，這也需要白色背光。數(shù)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(shù)應用中，單個白光LED是不夠的，需要同時驅(qū)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(chǎn)生2mA 至5mA 范圍的正向電流，導致不同亮度的白光。該區(qū)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(chǎn)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(qū)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(chǎn)品批次中隨機挑選的LED。因此，用恒定的3.3V驅(qū)動這樣幾個并聯(lián)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(nèi)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(qū)動，如圖3所示，則會產(chǎn)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(shù)值，而需要計算串聯(lián)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(lián)連接的LED 上加載同樣的電流。注意(如圖5 所示)，如果并聯(lián)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(xiàn)這一目標(MAX1912)。圖8所示的三個并聯(lián)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(qū)動LED 工作的電平。連接至SET (10 引腳)的電阻網(wǎng)絡保證所有LED 的電流一致。內(nèi)部電路保持SET 電平在200mV，這樣就可以計算出流經(jīng)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(lián)驅(qū)動3個以上的LED，MAX1912的輸出電流可達60mA。　

       圖8. IC內(nèi)部包括電荷泵和電流控制，電荷泵為白光LED提供足夠的驅(qū)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(tǒng)提供高于二極管正向?qū)妷旱碾娖?，白光LED 可以很容易的被驅(qū)動。例如，數(shù)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(qū)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(qū)動3 個并聯(lián)的LED (如圖9 所示)。

 
  

　　圖9. 單個外部電阻(RSET)設定流經(jīng)每個LED 的電流數(shù)值。在IC 的使能引腳(EN)上加載脈寬調(diào)制信號可以實現(xiàn)簡單的亮度控制(調(diào)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(qū)域，因此每個LED具有一致的白光亮度。 

        調(diào)光改變光強 

　　某些便攜式設備根據(jù)環(huán)境光線條件來調(diào)節(jié)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(diào)光強，并且這樣的調(diào)節(jié)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(shù)模轉(zhuǎn)換器控制流經(jīng)RSET 電阻的電流可以得到均勻的亮度。 

　　6位分辨率的轉(zhuǎn)換器，比如帶有I2C接口的MAX5362或者帶有SPI接口的M AX5365，能夠提供32級亮度調(diào)節(jié)(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(fā)出同樣的光。  

 

　　圖10. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過一致改變LED 的正向電流來控制LED 的調(diào)光。  

　　使色彩坐標不發(fā)生移動的調(diào)光方案叫做脈寬調(diào)制。它能夠由絕大多數(shù)可以提供使能或者關斷控制的電源器件實現(xiàn)。例如，通過拉低EN電平禁止器件工作時，MAX1916可以將流經(jīng)LED的泄漏電流限定在1μA，使發(fā)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(diào)制信號，那么亮度就與該信號的占空比成正比。 

　　由于流經(jīng)每個LED的正向電流持續(xù)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(diào)光的很好選擇。更高的頻率會產(chǎn)生問題，用來切換LED開關的短暫時間間隔內(nèi)色彩 

　　坐標會發(fā)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(shù)寄存器的字節(jié)長度。 

　　開關模式升壓轉(zhuǎn)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(xiàn)帶有電流控制的升壓轉(zhuǎn)換器。比如，開關模式電壓轉(zhuǎn)換器MAX1848，可以產(chǎn)生最高至13V 的輸出電壓，足以驅(qū)動三個串聯(lián)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(zhuǎn)換器可以驅(qū)動幾個串聯(lián)的LED。這些LED 都具有相同的正向電流，該電流(比如)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過CTRL輸入來控制。 

　　MAX1848 可以根據(jù)前面所描述的任一方法來實現(xiàn)調(diào)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(xiàn)PWM 調(diào)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(fā)射的均勻性，則可以并聯(lián)驅(qū)動白光LED 。為驅(qū)動LED，應該選擇可控的電流源或者帶有電流控制的步進轉(zhuǎn)換器。采用電荷泵或者開關升壓轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)這樣的與幾個標準產(chǎn)品的結合。