LED特性和白光LED的基礎知識與驅動

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所呈現的色彩變化產生于轉換材料的不同濃度，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(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?！?

       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(qū)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(huán)境光線條件來調節(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 具有可調光強，并且這樣的調節(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M AX5365，能夠提供32級亮度調節(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(fā)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(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(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(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于所用的計數寄存器的字節(jié)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(fā)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。