LED特性和白光LED的基礎(chǔ)知識與驅(qū)動

　　很多年來，發(fā)光二極管(LED)廣泛的應(yīng)用于狀態(tài)顯示與點(diǎn)陣顯示板?，F(xiàn)在，不僅可以選擇近期剛剛研發(fā)出來的藍(lán)光和白光產(chǎn)品(普遍用于便攜設(shè)備)，而且也能在已有的綠光、紅光和黃光產(chǎn)品中選擇。例如，白光LED被認(rèn)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(chǎn)品的固有特性，需要為其設(shè)計適當(dāng)?shù)墓╇婋娫?。本文描述了新、舊類型LED的特性，以及對驅(qū)動電源的性能要求。

標(biāo)準(zhǔn)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(fā)出恒定強(qiáng)度的光(盡管隨著環(huán)境溫度的升高光強(qiáng)會減小)。通過改變串聯(lián)電阻的阻值能夠?qū)⒐鈴?qiáng)調(diào)節(jié)至所需要的強(qiáng)度。

　　對于5mm直徑的標(biāo)準(zhǔn)LED，圖1給出了其正向?qū)妷?VF)與正向電流(IF)的函數(shù)曲線。[1] 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(yīng)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(shù)據(jù)表中所給出的典型工作條件下的曲線圖(圖2)所示，其正向?qū)妷簽?V。

圖1. 標(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED 具有1.4V 至2.6V 的正向?qū)妷悍秶?。?dāng)正向電流低于10mA時，正向?qū)妷簝H僅改變幾百毫伏。

圖2. 串聯(lián)電阻和穩(wěn)壓源提供了簡單的LED 驅(qū)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(shù)工程師所熟知，它們具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　•所產(chǎn)生的色彩(發(fā)射波長)在正向電流、工作電壓以及環(huán)境溫度變化時保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。標(biāo)準(zhǔn)綠光LED 發(fā)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(lián)驅(qū)動幾個這樣的LED 時不會出現(xiàn)問題(如圖3 所示)。正向?qū)妷旱恼Ｗ兓瘯构鈴?qiáng)產(chǎn)生微弱的差異，但這是次要的。通?？梢院雎酝粡S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(lán)光和白光LED 的正向電壓變化更小?？梢灾苯邮褂帽阋说匿囯姵鼗蛉?jié)NiMH 電池驅(qū)動。

圖3. 該圖給出了同時并聯(lián)驅(qū)動幾個紅光、黃光或者綠光LED 的結(jié)構(gòu)，具有很小的色彩差異或亮度差異。

　　因此，驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)LED的電流消耗非常低。如果LED的驅(qū)動電壓高于其最大的正向電壓，則并不需要升壓轉(zhuǎn)換器或者復(fù)雜昂貴的電流源。

　　LED甚至可以直接由鋰電池或者3節(jié)NiMH電池來驅(qū)動，只要因電池放電而導(dǎo)致的亮度減弱可以滿足該應(yīng)用的要求即可。

藍(lán)光LED

　　在很長的一段時間內(nèi)都無法提供發(fā)射藍(lán)光的LED。設(shè)計工程師僅能采用已有的色彩：紅色、綠色和黃色。早期的“藍(lán)光”器件并不是真正的藍(lán)光LED，而是包圍有藍(lán)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(lán)光”LED，但是它們的發(fā)光效率非常低。下一代器件使用了氮化鎵基料，其發(fā)光效率可以達(dá)到最初產(chǎn)品的數(shù)倍。當(dāng)前制造藍(lán)光LED的晶體外延材料是氮化銦鎵(InGaN)。發(fā)射波長的范圍為450nm至470nm，氮化銦鎵LED可以產(chǎn)生五倍于氮化鎵LED的光強(qiáng)。

白光LED

　　真正發(fā)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(diǎn)是只發(fā)射一個波長。白色并不出現(xiàn)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(shè)計中采用了一個小竅門。在發(fā)射藍(lán)光的InGaN基料上覆蓋轉(zhuǎn)換材料，這種材料在受到藍(lán)光激勵時會發(fā)出黃光。于是得到了藍(lán)光和黃光的混合物，在肉眼看來就是白色的(如圖4所示)。[2]

圖4. 白光LED 的發(fā)射波長(實(shí)線)包括藍(lán)光和黃光區(qū)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(biāo)定義。X和Y坐標(biāo)的數(shù)值根據(jù)國際照明委員會(CIE)的15.2規(guī)范的要求計算得到。[3] 白光LED 的數(shù)據(jù)資料通常會詳細(xì)說明隨著正向電流增加而引起的色彩坐標(biāo)的變化(如圖5所示)。[4]

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(biāo)，并因此改變了白光質(zhì)量。

　　不幸的是，采用InGaN 技術(shù)的LED 并不像標(biāo)準(zhǔn)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(lán)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(biāo)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(lán)光LED 的色彩。

　　當(dāng)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(yīng)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?/P>

驅(qū)動并聯(lián)白光LED

　　許多便攜式或采用電池供電的設(shè)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(fù)所希望的色彩，恢復(fù)色彩要與原物很接近。未來的3G 手機(jī)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(jī)、MP3 播放器和其它視頻、音頻設(shè)備也包括需要白色背光的顯示器。在絕大多數(shù)應(yīng)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(qiáng)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(jī)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(dǎo)致不同亮度的白光。該區(qū)域中(如圖5 所示) Y坐標(biāo)變化很劇烈，會導(dǎo)致顯示色彩的不真實(shí)。同樣，LED也具有不同的光強(qiáng)，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(dāng)大的差異，甚至是從同一產(chǎn)品批次中隨機(jī)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(dǎo)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(biāo)稱的3.5V。由于電池放電，其輸出電壓會進(jìn)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(dāng)電池充滿電時，所有的二極管都被點(diǎn)亮，但會具有不同的光強(qiáng)和色彩。當(dāng)電池電壓下降至其標(biāo)稱電壓時，光強(qiáng)減弱，并且白光間的差異變得更大。因此，設(shè)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(biāo)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(biāo)。Maxim 提供帶有電流控制的電荷泵，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)(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(shù)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(luò)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(dá)60mA。進(jìn)一步的應(yīng)用和圖表可以參考MAX1912數(shù)據(jù)資料。[5]

　　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)妷旱碾娖剑坠釲ED 可以很容易的被驅(qū)動。例如，數(shù)碼照相機(jī)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(yīng)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(shè)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(shí)現(xiàn)簡單的亮度控制(調(diào)光功能)。

　　工作簡單：電阻RSET設(shè)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(jié)構(gòu)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(qiáng)

　　某些便攜式設(shè)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(shè)備在一段較短的空閑時間之后通過軟件降低其光強(qiáng)。這都要求LED 具有可調(diào)光強(qiáng)，并且這樣的調(diào)節(jié)應(yīng)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(biāo)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MAX5365，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(biāo)，因此LED白光會隨著光強(qiáng)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(biāo)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(guān)斷控制的電源器件實(shí)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(biāo)不會偏移。但是，肉眼會感覺到占空比改變帶來的光強(qiáng)變化。人眼無法分辨超過25Hz的頻率，因此200-300Hz的開關(guān)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(guān)的短暫時間間隔內(nèi)色彩

　　坐標(biāo)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(shè)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(guān)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(shí)現(xiàn)帶有電流控制的升壓轉(zhuǎn)換器。比如，開關(guān)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(guān)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(shí)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(dāng)加載在CTRL 上的電壓低于100mV 時MAX1848 會進(jìn)入關(guān)斷模式，這樣也可以實(shí)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(yīng)該選擇可控的電流源或者帶有電流控制的步進(jìn)轉(zhuǎn)換器。采用電荷泵或者開關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)這樣的與幾個標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的結(jié)合。