LED特性和白光LED的基礎知識與驅動(dòng)
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標準紅光、綠光和黃光LED
使LED 工作的最簡(jiǎn)單的方式是，用一個(gè)電壓源通過(guò)串接一個(gè)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(zhù)環(huán)境溫度的升高光強會(huì )減小)。通過(guò)改變串聯(lián)電阻的阻值能夠將光強調節至所需要的強度。
對于5mm直徑的標準LED，圖1給出了其正向導通電壓(VF)與正向電流(IF)的函數曲線(xiàn)。[1] 注意LED的正向壓降隨著(zhù)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 。如數據表中所給出的典型工作條件下的曲線(xiàn)圖(圖2)所示，其正向導通電壓為2V。
圖1. 標準紅光、綠光和黃光LED 具有1.4V 至2.6V 的正向導通電壓范圍。當正向電流低于10mA時(shí)，正向導通電壓僅僅改變幾百毫伏。
圖2. 串聯(lián)電阻和穩壓源提供了簡(jiǎn)單的LED 驅動(dòng)方式。
這類(lèi)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(cháng))在正向電流、工作電壓以及環(huán)境溫度變化時(shí)保持相當的穩定性。標準綠光LED 發(fā)射大約565nm 的波長(cháng)，容差僅有25nm。由于色彩差異非常小，在同時(shí)并聯(lián)驅動(dòng)幾個(gè)這樣的LED 時(shí)不會(huì )出現問(wèn)題(如圖3 所示)。正向導通電壓的正常變化會(huì )使光強產(chǎn)生微弱的差異，但這是次要的。通?？梢院雎酝粡S(chǎng)商、同一批次的LED 之間的差異。 •正向電流高至大約10mA時(shí)，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漀iMH 電池驅動(dòng)。
圖3. 該圖給出了同時(shí)并聯(lián)驅動(dòng)幾個(gè)紅光、黃光或者綠光LED 的結構，具有很小的色彩差異或亮度差異。
因此，驅動(dòng)標準LED的電流消耗非常低。如果LED的驅動(dòng)電壓高于其最大的正向電壓，則并不需要升壓轉換器或者復雜昂貴的電流源。
LED甚至可以直接由鋰電池或者3節NiMH電池來(lái)驅動(dòng)，只要因電池放電而導致的亮度減弱可以滿(mǎn)足該應用的要求即可。
藍光LED
在很長(cháng)的一段時(shí)間內都無(wú)法提供發(fā)射藍光的LED。設計工程師僅能采用已有的色彩：紅色、綠色和黃色。早期的“藍光”器件并不是真正的藍光LED，而是包圍有藍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(gè)“真正的藍光”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)光效率可以達到最初產(chǎn)品的數倍。當前制造藍光LED的晶體外延材料是氮化銦鎵(InGaN)。發(fā)射波長(cháng)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L(cháng)ED的特點(diǎn)是只發(fā)射一個(gè)波長(cháng)。白色并不出現在色彩的光譜上；一種替代的方法是，利用不同波長(cháng)合成白色光。
白光LED設計中采用了一個(gè)小竅門(mén)。在發(fā)射藍光的InGaN基料上覆蓋轉換材料，這種材料在受到藍光激勵時(shí)會(huì )發(fā)出黃光。于是得到了藍光和黃光的混合物，在肉眼看來(lái)就是白色的(如圖4所示)。
圖4. 白光LED 的發(fā)射波長(cháng)(實(shí)線(xiàn))包括藍光和黃光區域的峰值，但是在肉眼看來(lái)就是白色。肉眼的相對光敏感性(虛線(xiàn))如圖所示。
白光LED的色彩由色彩坐標定義。X和Y坐標的數值根據國際照明委員會(huì )(CIE)的15.2規范的要求計算得到。白光LED 的數據資料通常會(huì )詳細說(shuō)明隨著(zhù)正向電流增加而引起的色彩坐標的變化(如圖5所示)。
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，并因此改變了白光質(zhì)量。
不幸的是，采用InGaN 技術(shù)的LED 并不像標準綠光、紅光和黃光那樣容易控制。InGaN LED的顯示波長(cháng)(色彩)會(huì )隨著(zhù)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(chǎn)生于轉換材料的不同濃度，以及藍光發(fā)光InGaN 材料隨著(zhù)正向電壓的變化而產(chǎn)生波長(cháng)變化。從圖5可以看到色彩的變化，X和Y坐標的移動(dòng)意味著(zhù)色彩的改變(如前所述，白光LED沒(méi)有明確的波長(cháng)。) 
圖6. 增加的正向電流通過(guò)改變其發(fā)射波長(cháng)而改變了藍光LED 的色彩。
當正向電流高至10mA 時(shí)，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(huì )更大一些)。電池放電引起的工作電壓的變化因此會(huì )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(shí)，正向電壓大約為3.4V (該數值會(huì )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(dòng)LED是很困難的，因為絕大數電池會(huì )隨著(zhù)放電使電壓低于LED所需要的最小正向導通電壓。
驅動(dòng)并聯(lián)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(lái)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(gè)白光LED是不夠的，需要同時(shí)驅動(dòng)幾個(gè)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(shí)。
圖7給出了一組隨機挑選的白光LED的電流-電壓曲線(xiàn)。
在這些LED上加載3.3V電壓(上端虛線(xiàn))會(huì )產(chǎn)生2mA 至5mA 范圍的正向電流，導致不同亮度的白光。該區域中(如圖5 所示) Y坐標變化很劇烈，會(huì )導致顯示色彩的不真實(shí)。同樣，LED也具有不同的光強，這會(huì )產(chǎn)生不均勻的亮度。另外一個(gè)問(wèn)題是所需的最小供電電壓，LED要求高于3V的電壓驅動(dòng)，若低于該電壓，幾個(gè)LED可能會(huì )完全變暗。
圖7. 曲線(xiàn)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(chǎn)品批次中隨機挑選的LED。因此，用恒定的3.3V驅動(dòng)這樣幾個(gè)并聯(lián)的LED會(huì )導致不同亮度的白光(上虛線(xiàn))。
鋰電池在完全充滿(mǎn)電時(shí)可以提供4.2V的輸出電壓，在很短的一段工作時(shí)間內會(huì )下降到標稱(chēng)的3.5V。由于電池放電，其輸出電壓會(huì )進(jìn)一步下降到3.0V。如果白光LED直接由電池驅動(dòng)，如圖3所示，則會(huì )產(chǎn)生如下問(wèn)題：
首先，當電池充滿(mǎn)電時(shí)，所有的二極管都被點(diǎn)亮，但會(huì )具有不同的光強和色彩。當電池電壓下降至其標稱(chēng)電壓時(shí)，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(lián)電阻的阻值。(隨著(zhù)電池徹底放電，部分LED將會(huì )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(gè)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(huì )具有相同的色彩坐標。Maxim 提供帶有電流控制的電荷泵，以實(shí)現這一目標(MAX1912)。圖8所示的三個(gè)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(jiǎn)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動(dòng)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。內部電路保持SET 電平在200mV，這樣就可以計算出流經(jīng)每個(gè)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(shí)并聯(lián)驅動(dòng)3個(gè)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(dòng)電壓，而電流控制通過(guò)給每個(gè)LED加載同樣的電流來(lái)確保均勻的白光。
簡(jiǎn)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(dòng)。例如，數碼照相機通常包括一個(gè)+5V 供電電源。如果那樣的話(huà)，就不需要升壓功能，因為供電電壓足以驅動(dòng)LED。對于圖8 所示電路，應該選擇一個(gè)匹配的電流源。比如，MAX1916 可以同時(shí)驅動(dòng)3 個(gè)并聯(lián)的LED (如圖9 所示)。
圖9. 單個(gè)外部電阻(RSET)設定流經(jīng)每個(gè)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(shí)現簡(jiǎn)單的亮度控制(調光功能)。
工作簡(jiǎn)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(gè)旁路電容之外，僅需要一個(gè)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域，因此每個(gè)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(xiàn)條件來(lái)調節其光輸出亮度，有些設備在一段較短的空閑時(shí)間之后通過(guò)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(jīng)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(如圖10所示)。由于正向電流會(huì )影響色彩坐標，因此LED白光會(huì )隨著(zhù)光強的變化而改變。但是這并不是問(wèn)題，因為相同的正向電流會(huì )使得這個(gè)組里的每個(gè)二極管都發(fā)出同樣的光。
圖10. 數模轉換器通過(guò)一致改變LED 的正向電流來(lái)控制LED 的調光。
使色彩坐標不發(fā)生移動(dòng)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(guān)斷控制的電源器件實(shí)現。例如，通過(guò)拉低EN電平禁止器件工作時(shí)，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(gè)LED的正向電流持續保持一致，因而色彩坐標不會(huì )偏移。但是，肉眼會(huì )感覺(jué)到占空比改變帶來(lái)的光強變化。人眼無(wú)法分辨超過(guò)25Hz的頻率，因此200-300Hz的開(kāi)關(guān)頻率是PWM調光的很好選擇。更高的頻率會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題，用來(lái)切換LED開(kāi)關(guān)的短暫時(shí)間間隔內色彩
坐標會(huì )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長(cháng)度。
開(kāi)關(guān)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(shí)現帶有電流控制的升壓轉換器。比如，開(kāi)關(guān)模式電壓轉換器MAX1848，可以產(chǎn)生最高至13V 的輸出電壓，足以驅動(dòng)三個(gè)串聯(lián)的LED (如圖11 所示)。這種方法也許是最簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)模式升壓轉換器可以驅動(dòng)幾個(gè)串聯(lián)的LED。這些LED 都具有相同的正向電流，該電流(比如)由數模轉換器通過(guò)CTRL輸入來(lái)控制。
MAX1848 可以根據前面所描述的任一方法來(lái)實(shí)現調光功能。通過(guò)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(shí)MAX1848 會(huì )進(jìn)入關(guān)斷模式，這樣也可以實(shí)現PWM 調光功能。
概述
如果能夠通過(guò)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)驅動(dòng)白光LED 。為驅動(dòng)LED，應該選擇可控的電流源或者帶有電流控制的步進(jìn)轉換器。采用電荷泵或者開(kāi)關(guān)升壓轉換器可以實(shí)現這樣的與幾個(gè)標準產(chǎn)品的結合。
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