LED應(yīng)用

LED(發(fā)光二極管)用于狀態(tài)顯示和矩陣面板已經(jīng)很多年了?，F(xiàn)在，可選用的LED包括新開(kāi)發(fā)的藍(lán)光和白光LED(廣泛用于便攜裝置)以及普遍存在的綠光、紅光和黃光LED。白光LED可做為彩顯的理想背景照明。但是，在為L(zhǎng)ED設(shè)計(jì)電源時(shí)應(yīng)注意這些新LED器件的固有特性。本文描述新、老LED的特性以及激勵(lì)它們所需的電源性能。


圖1  標(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED的正向電壓(范圍1.4V~2.6V)與正向電流的關(guān)系


圖2  串聯(lián)電阻器和恒壓源為L(zhǎng)ED工作提供一種簡(jiǎn)單方法


圖3  并聯(lián)工作的幾個(gè)紅光、黃光、綠光LED配置



圖4  白光LED發(fā)射波長(zhǎng)(實(shí)線)包含藍(lán)光和黃光區(qū)域的峰值，被人眼視為白光(圖中的虛線為人眼相對(duì)光靈敏度)

標(biāo)準(zhǔn)紅光，綠光和黃光LED
使LED工作的最簡(jiǎn)單方法是把電壓源通過(guò)一個(gè)串聯(lián)電阻加到LED上。只要工作電壓(VB)保持恒定，LED會(huì)發(fā)射恒定強(qiáng)度的光(雖然光強(qiáng)隨環(huán)境溫度增高會(huì)減弱)?？梢愿鶕?jù)要求改變電阻值來(lái)變化光強(qiáng)。
圖1示出5mm直徑標(biāo)準(zhǔn)LED的正向電壓(VF)與正向電流(IF)的關(guān)系。注意，跨接在LED上的壓降隨正向電流增加。假定單個(gè)綠光LED在5V恒定工作電壓下具有10mA正向電流，則串聯(lián)電阻器KV=(5V-VF,10mA)/10mA=300W。如圖2所示，典型工作條件下數(shù)據(jù)手冊(cè)給出正向電壓是2V。像這種商用二極管是用鎵-砷化物-磷化物制造的。大多數(shù)的設(shè)計(jì)工作師了解和容易處理它們，這種LED具有如下特點(diǎn)：
?發(fā)射的彩光(發(fā)射波長(zhǎng))在正向電流、工作電壓和環(huán)境溫度變化時(shí)能相對(duì)保持恒定。標(biāo)準(zhǔn)綠光LED發(fā)射波長(zhǎng)為565nm左右，容差只有25nm。因此，幾個(gè)這樣的LED并聯(lián)工作(圖3)不會(huì)成問(wèn)題。其色差是很小的。正向電壓的正常變化會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)略有變化，但這種差別也是較小的。通常，可以忽略來(lái)自同一廠家和同一批號(hào)的LED的差別。
?在正向電流接近10mA時(shí)正向電壓隨正向電流有小的變化。紅光LED變化大約200mV，其他LED變化400mV左右(見(jiàn)圖1)。
·在正向電流低于10mA時(shí)，其正向電壓比藍(lán)光或白光LED小很多，這樣可直接用Li+電池或一個(gè)3節(jié)NiMH電池對(duì)它們供電。
因此，使標(biāo)準(zhǔn)LED工作的供電成本是相當(dāng)?shù)偷摹Ｔ贚ED工作電壓大于其最大正向電壓時(shí)不需要升壓變換器或復(fù)雜昂貴的電流源。只要應(yīng)用允許隨電池放電所導(dǎo)致光強(qiáng)減弱的容限，LED甚至可直接工作在Li+或3節(jié)NiMH電池。


圖5  正向電流變化導(dǎo)致的白光LED色度坐標(biāo)移位


圖6  增加正向電流改變發(fā)射波長(zhǎng)使藍(lán)光LED色度變化

藍(lán)光和白光LED
長(zhǎng)期以來(lái)人們無(wú)法得到發(fā)射藍(lán)光的LED。設(shè)計(jì)人員只能用已有的紅光、綠光和黃光LED。早期的器件實(shí)際上不是藍(lán)光LED，而是用藍(lán)光圍繞小的白熾燈泡散射。幾年前，用純硅碳(SiC)材料開(kāi)發(fā)出首批“真正的藍(lán)光”LED，但其光效率不高。第二代器件是用鉀一氮化物材料，其光效率是第一代藍(lán)光LED的幾倍。現(xiàn)在藍(lán)樂(lè)LED所用的外延材料是銦-鉀-氮化物(InGaN)。在450nm~470nm發(fā)射波長(zhǎng)范圍，InGaN LED光強(qiáng)是鉀-氮化物L(fēng)ED的5倍。
真正的白光LED仍未能用，制造這種器件的困難在于白光不能呈現(xiàn)在彩色光譜中，而我們看到的白光是不同波長(zhǎng)的混合光。因此，必須用妙法產(chǎn)生白光。用發(fā)射黃光的變換材料覆蓋發(fā)藍(lán)光的InGaN基底材料，用藍(lán)光激發(fā)。因此，產(chǎn)生藍(lán)光和黃光的混合光，這就是人眼看到的白光(見(jiàn)圖4)。
因?yàn)榘坠馐遣煌ㄩL(zhǎng)的混合，所以，白光LED不可能有一個(gè)特定波長(zhǎng)。用色坐標(biāo)定義白光LED。根據(jù)CIE(Commission Internationale De L,eclairage)15.2版計(jì)算X和Y 坐標(biāo)。往往在白光LED數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出色坐標(biāo)隨正向電流增加而變化(見(jiàn)圖5)?？上В琁nGaN LED處理起來(lái)不像標(biāo)準(zhǔn)綠光、紅光和黃光LED那樣容易。
InGaN  LED的主波長(zhǎng)(彩色)隨正向電流而變化(圖6)。例如，在白光LED中，除了發(fā)藍(lán)光InGaN材料波長(zhǎng)隨正向電壓變化外，變換材料的不同密度也產(chǎn)生色移。從圖5可見(jiàn)這種色變化，X和Y坐標(biāo)改變意味著色變化。如前所述，白光LED不具有一個(gè)特定的波長(zhǎng)。
對(duì)于高達(dá)10mA的正向電流，正向電壓變化很大。其變化范圍800mV左右(某些二極管型號(hào)甚至變化更大)。因此，電池放電引起的工作電壓變化會(huì)改變光色，這是因?yàn)楣ぷ麟妷鹤兓瘯?huì)改變正向電流。在10mA正向電流時(shí)，正向電壓為3.4V左右(此數(shù)值隨制造商不同而異，范圍為3.1V~4.0V)。對(duì)于不同LED，其電流-電壓特性也呈現(xiàn)出很大差異。LED直接由電池供電工作是困難的，因?yàn)?，大多?shù)電池的放電態(tài)低于LED所需的最小正向電壓。


圖7  隨機(jī)選擇的一組白光LED的電壓-電流特性曲線


圖8  具有電流控制的MAX1912電荷泵為并聯(lián)白光LED提供足夠的工作電壓和電流控制


圖9  單個(gè)外電阻器(RSET)可編程MAX1916加到每個(gè)LED上的相同電流。加PWM信號(hào)到使能引腳可產(chǎn)生簡(jiǎn)單的亮度控制(降低亮度功能)



圖10  D/A轉(zhuǎn)換器控制LED的降低亮度


圖11  開(kāi)關(guān)升壓變換器使能幾個(gè)串聯(lián)LED工作(通過(guò)CTRL輸入由D/A變換器控制LED的同一正向電流)


白光LED并聯(lián)工作
當(dāng)今大部分便攜和電池工作裝置采用白光LED做為背景照明。特別是PDA的彩色顯示需要白光背光以便得到色再生來(lái)接近于原色。未來(lái)3G移動(dòng)電話也將刺激白光LED的需求。這些裝置除電話功能外，也可傳輸圖像和視頻數(shù)據(jù)，它們需要白光背光照明。數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)和其他視頻、音頻設(shè)備所有的顯示也需要背光照明。大多數(shù)情況下，單個(gè)白光LED不能滿足需求，所以，需要幾個(gè)白光LED并聯(lián)工作。
圖7示出幾個(gè)隨機(jī)選擇的白光LED(圖中的虛線)產(chǎn)生2mA~5mA范圍的正向電流，進(jìn)而產(chǎn)生不同強(qiáng)度的白光。特別是Y坐標(biāo)在該區(qū)域有很大的變化(見(jiàn)圖5)，這導(dǎo)致照明顯示器偏離真實(shí)的色彩。另外，由于LED具有不同的光強(qiáng)，導(dǎo)致不均勻照明。另一個(gè)問(wèn)題是所需的最低電源電壓。為保證LED工作，3V以上的電壓是必須的。低于此電壓，幾個(gè)LED可能完全保持暗的。
Li-Ion電池充滿電時(shí)能提供4.2V輸出電壓，在工作短時(shí)間后降到額定3.5V。隨著電池的放電，其電壓進(jìn)一步下降到3.0V。若白光LED直接從電池供電(如圖3所示)，則會(huì)引起下面的問(wèn)題。
第一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)電池充滿電時(shí)所有二極管都點(diǎn)亮，但具有不同的光強(qiáng)和色彩。隨著電池降到其額定電平，其光強(qiáng)減弱而白光的差別變大。因此，設(shè)計(jì)人員必須考慮電池電壓和二極管正向電壓值，以便計(jì)算串聯(lián)電阻值。用完全放電的電池供電，一些LED將進(jìn)入全暗狀態(tài)。

帶電流控制的電荷泵
LED電源的目標(biāo)是能提供足夠的高輸出電壓，并能使相同的電流流經(jīng)并聯(lián)連接的所有LED。注意(圖5)，若所有并聯(lián)配置的白光LED具有相同的電流，則所有LED將具有相同的坐標(biāo)系。Maxim公司的MAX1912能為此目的提供帶電流控制的電荷泵。
在3個(gè)LED并聯(lián)配置(圖8)中，電荷泵是個(gè)大尺寸的型號(hào)，它將輸入電壓提高1.5倍。較早的電荷泵只是簡(jiǎn)單地將輸入電壓倍壓，而新技術(shù)能提供更好的效率。把輸入電壓提升到剛好使LED工作的電平。連接到SET(引腳10)的電阻器網(wǎng)絡(luò)保證在所有LED中有相同電流。內(nèi)部電路保持SET端電壓在200mV，所以，流經(jīng)任何LED的電流可用下式計(jì)算：ILED=200mV/10W=20mA。
若某些二極管需要較低的電流電平，則3個(gè)以上LED可并聯(lián)工作，因?yàn)镸AX1912能提供高達(dá)60mA電流。

簡(jiǎn)單的電流控制
若系統(tǒng)能提供高于二極管正向電壓的電壓，則很容易使白光LED工作。例如，數(shù)碼相機(jī)通常包含+5V電源。這樣就不需要升壓功能，因?yàn)殡娫措妷壕哂序?qū)動(dòng)LED的足夠容限。對(duì)于圖8的電路，應(yīng)選擇匹配電流源。做為一個(gè)實(shí)例，MAX1916可以驅(qū)動(dòng)3個(gè)并聯(lián)的LED(圖9)。
其工作是簡(jiǎn)單的：電阻器KSET編程流經(jīng)所連接LED的電流。此方法所占板面積非常小。除IC(小的6引線SOT23封裝)和少量旁路電容器外，它只需要一個(gè)外部電阻。IC提供LED之間良好的電流匹配(0.3%)。這種配置能提供相同的色度配置和來(lái)自每個(gè)LED的相同類型的白光。

減低亮度改變光強(qiáng)
一些便攜裝置根據(jù)環(huán)境光條件控制其光輸出強(qiáng)度，而另一些裝置在短時(shí)間待機(jī)之后通過(guò)軟件降低光強(qiáng)。這些操作都需要LED降低亮度，而這種微光功能將影響每個(gè)正向電流，以相同的方法使亮度坐標(biāo)產(chǎn)生偏差。用小的數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制流經(jīng)RSET電阻器可以實(shí)現(xiàn)均勻亮度。
6位分辨率轉(zhuǎn)換器(如帶I2C兼容接口MAX5362或帶SPI兼容接口的MAX5365)可提供32級(jí)光強(qiáng)調(diào)節(jié)(見(jiàn)圖10)。這類LED的白光隨著亮度而變化，因?yàn)檎螂娏饔绊懮鴺?biāo)。這不應(yīng)該是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橄嗤恼螂娏魇菇M中的每個(gè)二極管發(fā)射相同的光。
不使色度坐標(biāo)偏移的亮度調(diào)節(jié)是脈寬調(diào)制。這可以用電源器件實(shí)現(xiàn)，這些電源器件能提供使能或停機(jī)功能。例如，MAX1916只要EN變低就能立即限制流經(jīng)LED的漏電流僅為1mA。這導(dǎo)致無(wú)光發(fā)射。EN變高態(tài)控制流經(jīng)LED的可編程正向電流。若加一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)到EN端，則亮度正比于占空比。
色度坐標(biāo)不會(huì)移動(dòng)，因?yàn)槊總€(gè)LED連續(xù)流過(guò)相同的正向電流。然而，人眼可覺(jué)察到隨占空比變化的亮度變化，人眼分辨不出25Hz以上的頻率，所以選擇200-300Hz開(kāi)關(guān)頻率對(duì)于PWM減低亮度是合適的。較高的頻率可能會(huì)出會(huì)問(wèn)題，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)LED通、斷所需的短暫時(shí)間期間可能移位色度坐標(biāo)。從微處理器I/O引腳或一個(gè)外設(shè)器件可提供PWM信號(hào)。可用的亮度級(jí)數(shù)取決于所用計(jì)數(shù)器的寬度。

開(kāi)關(guān)升壓變換器具有電流控制
除了上面提供的電荷泵(MAX1912)外，也可以用帶電流控制的升壓變換器實(shí)現(xiàn)。例如開(kāi)關(guān)電壓變換器MAX1848可產(chǎn)生高達(dá)13V的輸出電壓，此電壓驅(qū)動(dòng)3個(gè)串聯(lián)LED(圖11)是足夠的。此方法也許是最健全的，因?yàn)樗卸O管是串聯(lián)的，具有完全相同的電流。RSENSE和加在CTRL輸入的電壓確定LED電流。
根據(jù)上面所述方法，MAX1848可實(shí)現(xiàn)降低亮度功能。流經(jīng)LED的正向電流正比于加到CTRL引腳的電壓。因?yàn)椋?dāng)加到CTRL引腳的電壓低于100mV時(shí)，MAX1818變?yōu)殛P(guān)機(jī)模式，所以，可以實(shí)現(xiàn)PWM微亮功能。

結(jié)語(yǔ)
白光LED可并聯(lián)工作，但要保證其正向電流相等，確保均勻的白光發(fā)射。為使LED工作，選擇可控制電流源或帶電流控制的升壓變換器組合。用電荷泵或開(kāi)關(guān)升壓變換器可以實(shí)現(xiàn)各種組合。