《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 設(shè)計應(yīng)用 > LED特性和白光LED的基礎(chǔ)知識與驅(qū)動
LED特性和白光LED的基礎(chǔ)知識與驅(qū)動
摘要: 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。
Abstract:
Key words :

       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)出恒定強度的光(盡管隨著環(huán)境溫度的升高光強會減小)。通過改變串聯(lián)電阻的阻值能夠?qū)⒐鈴娬{(diào)節(jié)至所需要的強度,。

  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,。

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? border=

 

  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,。

串聯(lián)電阻和穩(wěn)壓源提供了簡單的LED 驅(qū)動方式

 

  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: •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构鈴姰a(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。

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

 

  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。

       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),。

白光LED 的發(fā)射波長(實線)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

  圖4. 白光LED 的發(fā)射波長(實線)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,。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)。

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

 

  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,。)

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

 

  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>

 &

 

nbsp;     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(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,,以確保它們的強度和色彩一致,,即使是在電池放電或其它條件變化時。

給出了一組隨機挑選的白光LED的電流

  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(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,。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(dāng)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(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亮,,但會具有不同的光強和色彩,。當(dāng)電池電壓下降至其標(biāo)稱電壓時,光強減弱,,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,。 

IC內(nèi)部包括電荷泵和電流控制

       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(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),。

 單個外部電阻(RSET)設(shè)定流經(jīng)每個LED 的電流數(shù)值

  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

  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,。這都要求LED 具有可調(diào)光強,,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(biāo),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。

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

  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,。

開關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器可以驅(qū)動幾個串聯(lián)的LED

  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)換器可以實現(xiàn)這樣的與幾個標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的結(jié)合,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。