LED驱动知识Word文件下载.docx
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当正向电流低于10mA时，正向导通电压仅仅改变几百毫伏。
图2.串联电阻和稳压源提供了简单的LED驱动方式。
这类商用二极管采用GaAsP（磷砷化镓）制成。
易于控制，并且被绝大多数工程师所熟知，它们具有如下优点：
∙所产生的色彩（发射波长）在正向电流、工作电压以及环境温度变化时保持相当的稳定性。
标准绿光LED发射大约565nm的波长，容差仅有25nm。
由于色彩差异非常小，在同时并联驱动几个这样的LED时不会出现问题（如图3所示）。
正向导通电压的正常变化会使光强产生微弱的差异，但这是次要的。
通常可以忽略同一厂商、同一批次的LED之间的差异。
∙正向电流高至大约10mA时，正向电压变化很小。
红光LED的变化量大约为200mV，其它色彩大约为400mV（如图1所示）。
∙相比之下，对于低于10mA的正向电流，蓝光和白光LED的正向电压变化更小。
可以直接使用便宜的锂电池或三节NiMH电池驱动。
图3.该图给出了同时并联驱动几个红光、黄光或者绿光LED的结构，具有很小的色彩差异或亮度差异。
因此，驱动标准LED的电流消耗非常低。
如果LED的驱动电压高于其最大的正向电压，则并不需要升压转换器或者复杂昂贵的电流源。
LED甚至可以直接由锂电池或者3节NiMH电池来驱动，只要因电池放电而导致的亮度减弱可以满足该应用的要求即可。
蓝光LED
在很长的一段时间内都无法提供发射蓝光的LED。
设计工程师仅能采用已有的色彩：
红色、绿色和黄色。
早期的“蓝光”器件并不是真正的蓝光LED，而是包围有蓝色散射材料的白炽灯。
几年前，使用纯净的碳化硅（SiC）材料研制出了第一个“真正的蓝光”LED，但是它们的发光效率非常低。
下一代器件使用了氮化镓基料，其发光效率可以达到最初产品的数倍。
当前制造蓝光LED的晶体外延材料是氮化铟镓（InGaN）。
发射波长的范围为450nm至470nm，氮化铟镓LED可以产生五倍于氮化镓LED的光强。
白光LED
真正发射白光的LED是不存在的。
这样的器件非常难以制造，因为LED的特点是只发射一个波长。
白色并不出现在色彩的光谱上；
一种替代的方法是，利用不同波长合成白色光。
白光LED设计中采用了一个小窍门。
在发射蓝光的InGaN基料上覆盖转换材料，这种材料在受到蓝光激励时会发出黄光。
于是得到了蓝光和黄光的混合物，在肉眼看来就是白色的（如图4所示）。
[2]
图4.白光LED的发射波长（实线）包括蓝光和黄光区域的峰值，但是在肉眼看来就是白色。
肉眼的相对光敏感性（虚线）如图所示。
白光LED的色彩由色彩坐标定义。
X和Y坐标的数值根据国际照明委员会（CIE）的15.2规范的要求计算得到。
[3]白光LED的数据资料通常会详细说明随着正向电流增加而引起的色彩坐标的变化（如图5所示）。
[4]
图5.正向电流的变化改变了白光LED（OSRAMOptoSemiconductors的LEQ983）的色彩坐标，并因此改变了白光质量。
不幸的是，采用InGaN技术的LED并不像标准绿光、红光和黄光那样容易控制。
InGaNLED的显示波长（色彩）会随着正向电流而改变（如图6所示）。
例如，白光LED所呈现的色彩变化产生于转换材料的不同浓度，以及蓝光发光InGaN材料随着正向电压的变化而产生波长变化。
从图5可以看到色彩的变化，X和Y坐标的移动意味着色彩的改变（如前所述，白光LED没有明确的波长。
）
白色发光二极管及其驱动电路（组图）
（2005-6-9）已有人阅读此文
1前言
近几年，业界开始大量采用LED替代CCFL和EL作为LCD的背光（背景光照明的简称），与CCFL、EL相比．LED具有如下优点：
1）可使LCD色彩更逼真，采用LED背光町提供130％的NTSC色阶，而CCFL仅为70％。
色阶的扩充使LCD影像色度更饱和、更逼真；
可使LCD厚度更薄，在18英寸LCD模块中，LED背光厚度为4mm～6mm，CCFL为8mm～12nm；
3）寿命长，可达5万小时；
4）符合环保要求，LED不含汞，5）与EL背光相比，LED背光不会产生于扰。
因此，LED背光广泛用于PC、TV、汽车音响、手机、通信设备、个人数字助理（PDA）和手表等领域，它已成为LCD背光市场的主导产品，2002年LED的市场需求量占背光市场总需求量的60％左右，目前，有绿、红、蓝和白色LED作为LCD的背光，由于价格因素，绿色LED居主流，约占LED背光产品的80％，它们的额定电流为2mA～20mA，亮度为600mcd。
由于白色LED的成本较高，目前主要用于彩屏手机和彩屏PDA的背光以及汽车仪表的照明。
2白色LED的发光机理及特性
2．1发光机理
单芯片白色LED是一种含InGaN活性层的CaN发光二极管，它主要有两种发光机理：
一种是结合蓝色LED和黄磷，通过蓝光和磷发射的黄光的混合产生白光；
另一种是通过紫外光LED和红、蓝、绿磷的组合产生白光。
2．2特性
白色LED的主要特性有：
正向压降为3．5V；
发光效率大于20lm／W，优于白炽灯泡，次于荧光灯（601m／W～100lm／W），2004年，发光效率可提高到60lm／w，接近荧光灯水平，从而可大量用于照明市场；
光通量为231m；
封装尺寸小。
Nichia公司于2003年推出SMD型白色LED，型号为NSCW215，它是一种侧视SMD型白色LED，高度为0．8/1mm，电流为20mA时，亮度达600mcd。
ToyodaGosei公司推出SMD型白色LED，尺寸为3．2mm×
2．8mm，型号为TGwhite，电流为20mA时，亮度达100mcd，发光效率为4．5lm／W～5lmW。
citizen公司采用Nichia公司的白色LED裸片开发出迄今为止世界上最小的白色LED，其厚度为0．55mm。
Nichia公司的非SMD型白色LED的尺寸为11．2mm（宽）×
7．2mm（长）×
6mm（高），寿命长，达5万小时以上。
白色LED在照明市场上的应用前景诱人，为此，世界各国LED厂商加紧开发大功率白色LED，如Nichia公司开发出大功率InGaNLED，功率达1W～2W，是现有LED的10倍。
美国加州大学固态发光及显示中心计划在2007年前开发出发光效率为200lm／W的白色LED。
3白色LED驱动电路
目前，白色LED主要用于彩屏手机和彩屏PDA，一个彩屏LCD的均匀背光需要3个～4个或更多的白色LED，智能手机可能需要6个或更多的白色LED。
由于白色LED需求的增多。
有力地推动了白色LED驱动器市场的增长。
据Linear公司电源事业部产品营销经理TonyArmstrong估计：
"
2003年手机出货量将超过4亿部。
其中至少有60％～70％是彩屏手机，此外。
还将有1000部彩屏PDA，市场将有几亿块白色LED驱动器的需求"
，由于白色LED的正向压降为3．5V，当单节锂电池相近，因此，需要一个升压转换器来解决白色LED的正向电压问题。
目前，升压有两种解决方案：
一是电荷泵方式（开关电容器），其优点是占用面积小，但效率低，国家半导体公司推出的白色LED驱动器采用这种开关电容，该公司认为，如果采用升压转换器，当驱动器处于断电状态时就会有漏电流；
二是电感开关升压方式，其优点是效率高，但占用面积大。
目前，大多数白色LED驱动器厂商都采用电感开关升压方式，如Catalyst公司的CAT32型白色LED驱动器，它工作在1．2MHz的固定频率上，它可增强低电压电池的电压，并自动调整驱动电流，最多可支持4个串联在一起的白色LED。
该公司正在开发比CAT32更先进的白色LED驱动器，它可通过MPU对电流进行控制，并集成了无源元件，从而节约了成本。
Linear公司推出片上集成肖特基二极管的白色LED驱动器，这样，驱动电路只需两个外部电容器、一个电阻器和一个电感器。
而一般白色LED驱动器是集成MOSFET。
白色LED驱动电路由白色LED驱动器和外围电路（包含晶体管、二极管、电感器、电容器和电阻器等）组成。
驱动白色LED需要一个恒流源，电流一般为15mA～20mA。
LED的亮度依赖于其正向电流，所以多个白色LED串联使用，可保证流过每个白色LED的电流都相同。
正向编置的4个串联白色LED需14V电压，该电压通过升压稳压器来提升单节锂电池（2．7V～4．2V）故称工作电压来获得。
图1给出一种单节锂电池（2．7V～4．2V）供电的高效率白色LED驱动电路。
图1中的SP6682是一块标准的稳压充电泵电路。
它含有一个内部500kHz振荡器，用以正常驱动充电泵电容器?
使输人电压提高一倍。
图1中的电路不采用电荷泵电容器，而将振荡器的输出加到引脚7上．并驱动Q1的导通和截止。
Ql、L1、D1和C1构成一个升压稳压器，使C1两端的电压升高。
当该电压超过4个串联的白色LED的正向压降之和时，电流开始启动。
白色LED与电流检测电阻器R1串联，形成反馈回路闭合。
要使R1两端的压降为最小，就可获得高效率。
将R1两端的电压与SP6682的0．3V参数电压比较，可使该驱动电路的效率达87%。
通常，市售的集成升压稳压器以1．24V带隙电压作为反馈参考电压，将使Rl两端产生1．24V的压降。
从而使转换效率降低7％。
SP6682的0．3V参考电压远低于1．24V，而效率的降低与参考电压成正比。
MOSFET具有很小的导通电阻和很高的开关速度，这些参数优于其他集成开关。
MOSFET的击穿电压会限制最大输出电压，通过调节该电压以驱动所需几个白色LED的系统。
在SP6682的启动引脚6上加一个PWM信号，可使稳压器关闭和重新启动，以精确地控制白色LED的亮度。
双节锂电池（6V～8．4V）供电的白色LED驱动电路应当选择的白色LED驱动器，如图2所示。
TI公司的TPS61042就是一块适合双节锂电池供电的白色LED驱动器，但TPS61042的输入电压仅为1．8V～6V，只要巧妙地将TPS61042的输入电压与功率级分开，就能使TPS61042驱动白色LED。
将系统3．3V电压接到驱动器的引脚VIN上，驱动器的功率级输入直接连接到双节锂电池上。
通常，功率级可连接到低于可需输出电压的任何电压输出端。
由于升压拓扑，功率级的输入电压必须低于输出电压，或者电感器和二极管直接将输入电压传送到输出端。
引脚SW上的允许最大电压为28V，限制了功率级的最大输入电压。
图2的驱动电路表明，输入电压越高，效率也越高。
所以，该驱动电路完全不受其输入电压范围的限制，并能有效地节约系统成本和板极空间，还提高了效率。
对于单节1．5V电池如何选择白色LED驱动电路。
图3回答了这个问题。
图3中的比为TI公司的SN74AUClGl4或Fairchild公司的NC7SPl4单栅施密特倒相器。
在图3（a）中，接通电池电源时，肖特基二极管D1导通，施密特触发器非稳态多频振荡器开始振荡，当IC1的输出变为高电位时，晶体管Q1导通，电感器L1中的电流开始增大。
当施密特触发器输出高电平脉冲结束时，倒相器输出为低电位，Q1截止，L1两端的电压极性反转。
由此产生的"
逆转"
电压立即使Q1的集电极电压升高到超过电池电压，并使串联的白色LED和D2处于正向偏置。
只要施密特触发器输出高电平脉冲持续3μs，就可导致大约65mA的峰值电感器电流，并使白色LED产生极高亮度的白光。
即使电池电压小到500mV，相应的33mA峰值电流仍可使白色LED发出足够亮的白光。
如果图3（a）中的D1被PNP晶体管Q2替代，可进一步降低最小启动电压电平，见图3（b）所示。
在室温下，这种测试电路仅需650mV的电压就可启动。
图3中的白色LED如采用LVmiLtds公司的Luxeon系列白色LED，其发光亮度较强。
如果将L1电感值降到10μH，电池电压为1V条件下，图3（b）在LuxeonLXHL-PW01白色LED中产生220mA峰值电流，光强度非常大。
由此可见，对于不同尺寸的LCD和不同电池的电压应采取不同的白色LED驱动电路。
图6.增加的正向电流通过改变其发射波长而改变了蓝光LED的色彩。
当正向电流高至10mA时，正向电压的变化很大。
变化量的范围大约为800mV（有些二极管型号变化会更大一些）。
电池放电引起的工作电压的变化因此会改变色彩，因为工作电压的变化改变了正向电流。
在10mA正向电流时，正向电压大约为3.4V（该数值会随供应商的不同而有所不同，范围从3.1V至4.0V）。
同样，不同LED之间的电流-电压特性也有较大差异。
直接用电池驱动LED是很困难的，因为绝大数电池会随着放电使电压低于LED所需要的最小正向导通电压。
驱动并联白光LED
许多便携式或采用电池供电的设备使用白光LED作为背光。
特别是PDA彩色显示器需要白色背景光，以恢复所希望的色彩，恢复色彩要与原物很接近。
未来的3G手机支持图片和视频数据，这也需要白色背光。
数码照相机、MP3播放器和其它视频、音频设备也包括需要白色背光的显示器。
在绝大多数应用中，单个白光LED是不够的，需要同时驱动几个LED。
必须采用特定的操作，以确保它们的强度和色彩一致，即使是在电池放电或其它条件变化时。
图7给出了一组随机挑选的白光LED的电流-电压曲线。
在这些LED上加载3.3V电压（上端虚线）会产生2mA至5mA范围的正向电流，导致不同亮度的白光。
该区域中（如图5所示）Y坐标变化很剧烈，会导致显示色彩的不真实。
同样，LED也具有不同的光强，这会产生不均匀的亮度。
另外一个问题是所需的最小供电电压，LED要求高于3V的电压驱动，若低于该电压，几个LED可能会完全变暗。
图7.曲线显示了不同白光LED的电流-电压特性之间的相当大的差异，甚至是从同一产品批次中随机挑选的LED。
因此，用恒定的3.3V驱动这样几个并联的LED会导致不同亮度的白光（上虚线）。
锂电池在完全充满电时可以提供4.2V的输出电压，在很短的一段工作时间内会下降到标称的3.5V。
由于电池放电，其输出电压会进一步下降到3.0V。
如果白光LED直接由电池驱动，如图3所示，则会产生如下问题：
首先，当电池充满电时，所有的二极管都被点亮，但会具有不同的光强和色彩。
当电池电压下降至其标称电压时，光强减弱，并且白光间的差异变得更大。
因此，设计人员必须考虑电池电压和二极管正向电压的数值，而需要计算串联电阻的阻值。
（随着电池彻底放电，部分LED将会完全熄灭。
）
带有电流控制的电荷泵
LED供电电源的目标是提供一个足够高的输出电压，并且在并联连接的LED上加载同样的电流。
注意（如图5所示），如果并联配置的所有LED具有一致的电流，那么所有的LED将会具有相同的色彩坐标。
Maxim提供带有电流控制的电荷泵，以实现这一目标（MAX1912）。
图8所示的三个并联的LED，电荷泵具有较大量程，可以提高输入电压至1.5倍。
早期的电荷泵只能简单的使输入电压倍压，而新的技术则提供了更好的效率。
将输入电压升高至恰好可以驱动LED工作的电平。
连接至SET（10引脚）的电阻网络保证所有LED的电流一致。
内部电路保持SET电平在200mV，这样就可以计算出流经每个LED的电流ILED=200mV/10
=20mA。
如果某些二极管需要较低的电流，可以同时并联驱动3个以上的LED，MAX1912的输出电流可达60mA。
进一步的应用和图表可以参考MAX1912数据资料。
[5]
图8.IC内部包括电荷泵和电流控制，电荷泵为白光LED提供足够的驱动电压，而电流控制通过给每个LED加载同样的电流来确保均匀的白光。
简单电流控制
如果系统提供高于二极管正向导通电压的电平，白光LED可以很容易的被驱动。
例如，数码照相机通常包括一个+5V供电电源。
如果那样的话，就不需要升压功能，因为供电电压足以驱动LED。
对于图8所示电路，应该选择一个匹配的电流源。
比如，MAX1916可以同时驱动3个并联的LED（如图9所示）。
图9.单个外部电阻（RSET）设定流经每个LED的电流数值。
在IC的使能引脚（EN）上加载脉宽调制信号可以实现简单的亮度控制（调光功能）。
工作简单：
电阻RSET设定加载至所连LED的电流。
这种方法占用很少的PCB空间。
除IC（小巧的6引脚SOT23封装）和几个旁路电容之外，仅需要一个外部电阻。
IC具有极好的电流匹配，不同LED之间差别0.3%。
这种结构提供了相同的色彩区域，因此每个LED具有一致的白光亮度。
调光改变光强
某些便携式设备根据环境光线条件来调节其光输出亮度，有些设备在一段较短的空闲时间之后通过软件降低其光强。
这都要求LED具有可调光强，并且这样的调节应该以同样的方式去影响每路正向电流，以避免可能的色彩坐标偏移。
利用小型数模转换器控制流经RSET电阻的电流可以得到均匀的亮度。
6位分辨率的转换器，比如带有I2C接口的MAX5362或者带有SPI接口的MAX5365，能够提供32级亮度调节（如图10所示）。
由于正向电流会影响色彩坐标，因此LED白光会随着光强的变化而改变。
但是这并不是问题，因为相同的正向电流会使得这个组里的每个二极管都发出同样的光。
图10.数模转换器通过一致改变LED的正向电流来控制LED的调光。
使色彩坐标不发生移动的调光方案叫做脉宽调制。
它能够由绝大多数可以提供使能或者关断控制的电源器件实现。
例如，通过拉低EN电平禁止器件工作时，MAX1916可以将流经LED的泄漏电流限定在1μA，使发射光为零。
拉高EN电平可以管理可控的LED正向电流。
如果给EN引脚加脉宽调制信号，那么亮度就与该信号的占空比成正比。
由于流经每个LED的正向电流持续保持一致，因而色彩坐标不会偏移。
但是，肉眼会感觉到占空比改变带来的光强变化。
人眼无法分辨超过25Hz的频率，因此200-300Hz的开关频率是PWM调光的很好选择。
更高的频率会产生问题，用来切换LED开关的短暂时间间隔内色彩坐标会发生变化。
PWM信号可以由微处理器的I/O引脚或其外设提供。
可提供的两度等级取决于所用的计数寄存器的字节长度。
开关模式升压转换器，具有电流控制
除了前面所提到的电荷泵（MAX1912）之外，还可以实现带有电流控制的升压转换器。
比如，开关模式电压转换器MAX1848，可以产生最高至13V的输出电压，足以驱动三个串联的LED（如图11所示）。
这种方法也许是最简洁的，因为所有串接的LED具有完全相同的电流。
LED电流由R
SENSE与加载在CTRL输入上的电压共同决定。
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