偏置電阻和發(fā)光亮度對LED背光源的亮度均勻性的影響研究

1 引言

LED 正成為背光照明的主流器件。一般背光源設(shè)計(jì)中有多個LED, 所以要考慮各個LED 亮度的一致性。在實(shí)際應(yīng)用中， 可根據(jù)向電壓（Vf） 對LED 器件進(jìn)行" 差異篩選".LED 的Vf 值是背光設(shè)計(jì)的重要變數(shù)。將多個LED 連接在一起使用時， 各管電流均必須匹配， 整個組件才能產(chǎn)生一致的亮度。

LED 的亮度決定于流過它的電流。實(shí)現(xiàn)恒定電流最簡單的方法， 是將多個LED 串聯(lián)起來。這樣不用差異篩選， 串聯(lián)LED 就能確保流過各個LED 的電流相同。但是串聯(lián)時的總體正向電壓為多個LED 的Vf 之和， 需要使用帶電感的具有升壓功能的LED 驅(qū)動電路， 使得成本增加。而且， 一個LED 發(fā)生故障就會使整個背光源失效。此外， 串聯(lián)驅(qū)動方法有較強(qiáng)的電磁干擾， 對通訊產(chǎn)品尤其不利。

將多個LED 并聯(lián)的設(shè)計(jì)方法， 無需帶電感的升壓電路， 電磁干擾較小， 容錯性較強(qiáng)。但為了保證亮度的均勻性， 必須對LED 進(jìn)行差異篩選。隨著所用LED 數(shù)量的增加， 成本也會因差異篩選而增加。即使經(jīng)過差異篩選， LED 的Vf 值仍會存在一個變化范圍， 影響亮度的均勻性。

本文重點(diǎn)討論在LED 并聯(lián)設(shè)計(jì)中， 如何提高亮度的均勻性。

2 LED 背光源電路模型

將三個LED 并聯(lián)構(gòu)成背光源， 其總電流由三極管電路控制， 如圖1 所示。亮度均勻性的NLED 被定義為：

式中，Imax 和Imin 為各個LED 電流的最大值和最小值；

圖1 LED 背光源的驅(qū)動電路

圖中， D1, D2, D3 為發(fā)光二極管， T1 為NPN 型三極管， R1 , R2 , R3 的阻值可根據(jù)總電流I 的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)， I/O 或DAC 為控制端口。

理想發(fā)光二極管的正向電壓為：

實(shí)際上， 寄生電阻對Vf 影響很大：

式中： I 為正向電流； n 為理想因子； k 為玻爾茲曼常數(shù)（1.38x10- 23 J /K） ; T 為溫度（ 298K 或25℃） ;q 為電子電量（ 1.602x10- 19 C） ;Is 為飽和電流； R 為寄生電阻；本文以西鐵成公司的發(fā)光二極管為例， 其特性參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)光二極管特性參數(shù)

依據(jù)式（ 2） , 使用對分法[2]計(jì)算出在不同正向電壓下，三種LED 的正向電流， 如圖2 所示。

圖2 不同LED的正向電壓與電流的關(guān)系。

由圖2 可以看出， 在相同的電壓下， 不同LED 的電流不同， 即亮度不同。LED 都有其額定電流， 西鐵城LED 的額定電流為20mA, 所以本文給出了20mA以內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3 偏置電阻對LED 背光源亮度均勻性的影響

在實(shí)際設(shè)計(jì)中， 利用外加偏置電阻， 即在每個LED 處串聯(lián)一個電阻來改善LED 背光源的亮度均勻性。本文討論兩個LED 并聯(lián)， 加偏置電阻R4=R5的情況， 如圖3 所示。

圖3 加偏置電阻的電路圖

計(jì)算機(jī)利用對分法算出了在總電流為15mA,外加偏置電阻（R）為R4=R5=0 , 22 , 47 , 68 , 100 , 150, 200 （Ω） 時， D1 和D2 的電流（ I1 和I2） 、亮度均勻性（ Uni）、正向電壓（V5） 、以及偏置電阻帶來的功耗（P）。

計(jì)算結(jié)果如表2 及圖4、圖5 所示。

表2 不同偏置電阻的計(jì)算結(jié)果

圖4 偏置電阻對亮度均勻性的影響。

圖5 偏置電阻對功耗及供電電壓的影響。

由表2 和圖4、5 可以看出， 外加偏置電阻可以顯著提高亮度的均勻性， 但電路的功耗會相應(yīng)增加，對LED 正向電壓的要求會增大。例如， 外加150Ω偏置電阻時， 其耗散功率為17mW, V5 為3.104V。

對于鋰電池而言， 一般工作電壓范圍為3.0~4.2V,再考慮三極管的偏置電壓， 因此， 外加150Ω 偏置電阻是不能接受的。設(shè)計(jì)中要根據(jù)具體的供電電壓來確定偏置電阻的值。

4 LED 的發(fā)光亮度對亮度均勻性的影響

根據(jù)式（2） , 也可以通過改變LED 的發(fā)光亮度來改善LED 背光源的亮度均勻性， 即通過改變系統(tǒng)的總電流來改善亮度的均勻性。本文討論兩個LED并聯(lián)， 且外加68Ω偏置電阻的情況， 結(jié)果如表3 及圖6 所示。

圖6 由外加偏置電阻改變系統(tǒng)總電流對亮度均勻性的影響

由表3 和圖6 可以看出， 外加68Ω 偏置電阻使亮度降低， 可以適當(dāng)提高亮度的均勻性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中， 可利用本文所述方法進(jìn)行模擬計(jì)算。

5 結(jié)論

本文討論了偏置電阻、和發(fā)光亮度對LED 亮度均勻性的影響。隨著偏置電阻值的增加、亮度的減小，LED 背光源的亮度均勻性會提高。實(shí)際設(shè)計(jì)中要兼顧偏置電阻的功耗、發(fā)光亮度和供電電壓等的要求。