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1、最新LED技术工程师必备手册国际LED技术论坛 一、 LED 发展史二、 LED 的分类三、 LED 驱动技术原理四、 LED 驱动设计技巧五、 LED 驱动设计参考案例及选型指导六、 LED 散热解决方案七、 LED 产业链厂商大全 LED 发展史1907 年 Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用;更难处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了。二十年代晚期 Bernhard Gudden 和 Robert Wichard 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。再一次因发光暗淡而停止。1936 年,G

2、eorge Destiau 出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。 二十世纪 50 年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的 LED,并于 60 年代面世。据说在早期试验中，LED 需要放置在液化氮里，更需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。第一个商用 LED 仅仅只能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。 60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光 LED。磷化镓的改变使得 LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。到 70 年代中期，磷化镓被使用作为

3、发光光源，随后就发出灰白绿光。LED 采用双层磷化镓蕊片(一个红色另一个是绿色)能够发出黄色光。就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的 LED。尽管它不如欧洲的 LED 高效。但在 70 年代末，它能发出纯绿色的光。80 年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的 LED 的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。到 20 世纪 90 年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的 LED。 第一个有历史意义的蓝光 LED 也出现在 90 年代早期，再一次利用金钢砂早期的半导体光源的障碍物。依当今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光 LED 一样源暗淡。90 年代中期

4、，出现了超亮度的氮化镓 LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓 Led。 超亮度蓝光蕊片是白光 LED 的核心，在这个发光蕊片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。今天在 LED 市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。 有科学思想的读者到现在可能会意识到 LED 的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程。事实上，最近开发的 LED 不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光。那么 LED 发展史到低能走多远，不得而知。也许某天就能开发出能发 X 射线的 LED。早期的 LED 只能应用于指示灯、

5、早期的计算器显示屏和数码手表。而现在开始出现在超亮度的领域。将会在接下的一段时间继续下去。 LED 的分类常见 LED 的分类1. 按发光管发光颜色分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。2. 按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为 2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm 及 20mm 等。国外通常把 3m

6、m的发光二极管记作 T-1;把 5mm 的记作 T-1(3/4);把 4.4mm 的记作 T-1(1/4)6-8。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：1)高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。2)标准型。通常作指示灯用，其半值角为 2045。3)散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为 4590或更大，散射剂的量较大。3. 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。4. 按发光强度和工作电流分

7、有普通亮度的 LED(发光强度小于 10mcd);超高亮度的 LED(发光强度大于 100mcd);把发光强度在 10100mcd 间的叫高亮度发光二极管。一般 LED 的工作电流在十几 mA 至几十 mA，而低电流 LED 的工作电流在 2mA 以下(亮度与普通发光管相同)。白光 LED 介绍白光LED的合成途径大体上有 2 条路可以走，第一条是RGB，也就是红光LED+绿光LED+蓝光LED，LED走RGB合成白光的这种办法主要的问题是绿光的转换效率底，现在红绿蓝LED转换效率分别达到 30%，10%和 25%，白光流明效率可以达到 60lm/w。通过进一步提高蓝绿光 LED 的流明效率，

8、则白光流明效率可达到 200lm/w。由于合成白光所要求的色温和显色指数不同，对合成白光的各色 LED 流明效率有不同的。随着白光 LED 的深配色、白平衡：深入发展，人们希望用作照明光源的白光 LED 的光谱、色品坐标、显色性及相关色温等均能满足国际 CIE 和我国的有关标准，否则应认为不合格。我们对相关色温 8000 4000K 白光 LED的光色特性及其与正向电流的关系进行了总结。长期以来，低色温(<4000K)、高显色性的白光 LE D 按照当前主流方案 InGaN 蓝色 LED 芯片和 ce“激活的稀土石榴石黄色荧光体组合的方案实现难度大，成为人们攻关的难题。因为黄色荧光体的发

9、射光谱中缺少红成份。故目前大多数报告限于有关 5000K 以上的高色温白光 LED 的工作。尽管白光LED已有商品，但缺少低色温白光LED。5000K以上的高色温商品，显色性差，难以满足市场，目前，由蓝色芯片和荧光体组合的低色温白光LED的报告极少。因此，无论从学术上研究，还是应用需要，发展低色温(<4000K)高显色性白光LED具有重要意义。第二条路是LED+不同色光荧光粉：第一个方法是用紫外或紫光LED+RGB荧光粉来合成LED，这种工作原理和日光灯是类似的，但是比日光灯的性能要优越，其中紫光LED的转换系数可达80%，各色荧光粉的量子转换效率可以达到90%，还有一个办法是用蓝光LE

10、D+红绿荧光粉，蓝光LED效率60%，荧光粉效率70%;还有是蓝光LED+黄色荧光粉来构成白光。两种途径相比较之下，RGB三色LED合成白光综合性能好，在高显色指数下，流明效率有可能高到200lm/w，要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率，目前只有13%左右，同时成本高。R、G、B 三基色组成白色是红绿蓝三基色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21%，蓝色的亮度为10%时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED 红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。当为全彩色LED 显示屏进行配色前

11、，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1 比例的LED 器件组成像素。白平衡要求三种原色在相同的调配值下合成的仍旧为纯正的白色。 原色、基色：原色指能合成各种颜色的基本颜色。色光中的原色为红、绿、蓝，色度图中的三个顶点为理想的原色波长。如果原色有偏差，则可合成颜色的区域会减小，光谱表中的三角形会缩小，从视觉角度来看，色彩不仅会有偏差，丰富程度减少。LED 发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性可大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等，橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。三个原色中绿色最为重要，因为绿色占据了

12、白色中69%的亮度，且处于色彩横向排列表的中心。因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时，绿色是着重考虑的对象。大功率LED封装结构随着半导体材料和封装工艺的提高,LED的光通量和出光效率逐渐提高, 从而使固体光源成为可能, 已广泛应用于交通灯、汽车照明、广告牌等特殊照明领域, 并且逐渐向普通照明领域过渡, 被公认为有望取代白炽灯、荧光灯的第四代光源。不同应用领域对LED光源提出更高要求, 除了对LED出光效率、光色有不同的要求, 而且对出光角度、光强分布有不同的要求。这不但需要上游芯片厂开发新半导体材料, 提高芯片制作工艺, 设计出满足要求的芯片, 而且对下游封装厂提出更高要求, 设计出满

13、足一定光强分的封装结构, 提高LED外部的光利用率。目前封装多种多样，封装将随着今后的发展，不断改进和迎合实际需要，为LED今后在各个领域应用奠定基础。LED 驱动技术原理 和超高亮 LED 的特性下图为正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值(约2V)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF 与 VF 成正比。见表是当前主要超高亮LED 的电气特性。由表可知，当前超高亮 LED 的最高 IF 可达 1A，而 VF 通常为 24V。由于 LED 的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量(V)与 IF 的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可

14、以更好地控制亮度。此外，LED 的正向压降变化范围比较大(最大可达 1V 以上)，而由上图中的 VF-IF 曲线可知，VF 的微小变化会引起较大的，IF 变化，从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证 LED 亮度的一致性，并且影响 LED的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮 LED 通常采用恒流源驱动。下图是 LED 的温度与光通量(V)关系曲线，由下图可知光通量与温度成反比，85时的光通量是 25时的一半，而一 40时光输出是 25时的 1.8 倍。温度的变化对 LFD 的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是 LED 保持恒定亮度的保证。 见 LED 的温度与光通量关系曲线。一

15、般 LED 驱动电路介绍由于受到 LED 功率水平的限制，通常需同时驱动多个 LED 以满足亮度需求，因此，需要专门的驱动电路来点亮 LED。下面简要介绍 LED 概念型驱动电路。阻限流电路电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算。式中： Vin 为电路的输入电压：VF 为 IED 的正向电流;VF 为 LED 在正向电流为，IF 时的压降;VD 为防反二极管的压降(可选);y 为每串 LED 的数目;x 为并联 LED 的串数。由上图可得 LED 的线性化数学模型为式中： Vo 为单个 LED 的开通压降;Rs 为单个 LED 的线性化等效串联电阻。则上式限流电阻的计算可写为

16、当电阻选定后，电阻限流电路的 IF 与 VF 的关系为,由上式可知电阻限流电路简单，但是，在输入电压波动时，通过 LED 的电流也会跟随变化，因此调节性能差。另外，由于电阻 R 的接人损失的功率为 xRIF，因此效率低。线性调节器介绍线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或 MOSFFET 作为一动态可调电阻来控制负载。线性调节器有并联型和串联型两种。下图 a 所示为并联型线性调节器又称为分流调节器(图中仅画出了一个 LED，实际上负载可以是多个 LED 串联，下同)，它与 LED 并联，当输入电压增大或者 LED 减少时，通过分流调节器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使

17、通过 LED 的电流保持恒定。由于分流调节器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定的调节。下图 b 所示为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持 LED 上的电压(电流)恒定。由于功率三极管或 MOSFET 管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正确地工作。开关调节器介绍上述驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。在用于低功率的普通 LED 驱动时，由于电流只有几个 mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百 mA 甚至更高的高亮 LED 的驱动时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。

18、开关电源是目前能量变换中效率最高的，可以达到 90%以上。Buek、Boost 和 Buck-Boost 等功率变换器都可以用于 LED 的驱动，只是为了满足 LED 的恒流驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。下图(a)为采用 Buck 变换器的 LED 驱动电路，与传统的 Buek 变换器不同，开关管 S 移到电感 L 的后面，使得 S 源极接地，从而方便了 S 的驱动，LED 与 L 串联，而续流二极管 D 与该串联电路反并联，该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容，降低了成本。但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个 LED 串联的场合。上图(b)

19、为采用 Boost 变换器的 LED 驱动电路，通过电感储能将输出电压泵至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对 LED 的驱动。优点是这样的驱动 IC 输出可以并联使用，有效的提高单颗 LED 功率。上图(c)为采用 BuckBoost 变换器的 LED 驱动电路。与 Buek 电路相似，该电路 S 的源极可以直接接地，从而方便了 S 的驱动。Boost 和 Buck-Boosl 变换器虽然比 Buck 变换器多一个电容，但是，它们都可以提升输出电压的绝对值，因此，在输入电压低，并且需要驱动多个LED 时应用较多。PWM 调光知识介绍在手机及其他消费类电子产品中，白光 LED 越来越多

20、地被使用作为显示屏的背光源。近来，许多产品设计者希望白光 LED 的光亮度在不同的应用场合能够作相应的变化。这就意味着，白光 LED 的驱动器应能够支持 LED 光亮度的调节功能。目前调光技术主要有三种：PWM 调光、模拟调光、以及数字调光。市场上很多驱动器都能够支持其中的一种或多种调光技术。本文将介绍这三种调光技术的各自特点，产品设计者可以根据具体的要求选择相应的技术。PWM Dimming (脉宽调制) 调光方式这是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光 LED驱动器的调光技术。应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光 LED 的亮度。PWM 调

21、光的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高!例如在手机的系统中，利用一个专用 PWM 接口可以简单的产生任意占空比的脉冲信号，该信号通过一个电阻，连接到驱动器的 EN 接口。多数厂商的驱动器都支持PWM 调光。但是，PWM 调光有其劣势。主要反映在：PWM 调光很容易使得白光 LED 的驱动电路产生人耳听得见的噪声(audible noise，或者 microphonic noise)。这个噪声是如何产生?通常白光 LED 驱动器都属于开关电源器件(buck、boost 、charge pump 等)，其开关频率都在 1MHz左右，因此在驱动器的典型应用中是不会产生人耳听得见的噪声

22、。但是当驱动器进行 PWM调光的时候，如果 PWM 信号的频率正好落在 200Hz 到 20kHz 之间，白光 LED 驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声。所以设计时要避免使用 20kHz 以下低频段。我们都知道，一个低频的开关信号作用于普通的绕线电感(wire winding coil)，会使得电感中的线圈之间互相产生机械振动，该机械振动的频率正好落在上述频率，电感发出的噪音就能够被人耳听见。电感产生了一部分噪声，另一部分来自输出电容。现在越来越多的手机设计者采用陶瓷电容作为驱动器的输出电容。陶瓷电容具有压电特性，这就意味着：当一个低频电压纹波信号作用于输出电容，电容就会发出

23、吱吱的蜂鸣声。当 PWM 信号为低时，白光LED 驱动器停止工作，输出电容通过白光 LED 和下端的电阻进行放电。因此在 PWM 调光时，输出电容不可避免的产生很大的纹波。总之，为了避免 PWM 调光时可听得见的噪声，白光LED 驱动器应该能够提供超出人耳可听见范围的调光频率!相对于 PWM 调光，如果能够改变 RS 的电阻值，同样能够改变流过白光 LED 的电流，从而变化 LED 的光亮度。我们称这种技术为模拟调光。模拟调光最大的优势是它避免了由于调光时所产生的噪声。在采用模拟调光的技术时，LED的正向导通压降会随着 LED 电流的减小而降低，使得白光 LED 的能耗也有所降低。但是区别于

24、PWM 调光技术，在模拟调光时白光 LED 驱动器始终处于工作模式，并且驱动器的电能转换效率随着输出电流减小而急速下降。所以，采用模拟调光技术往往会增大整个系统的能耗。模拟调光技术还有个缺点在于发光质量。由于它直接改变白光 LED 的电流，使得白光 LED的白光质量也发生了变化! 除了 PWM 调光，模拟调光，目前有些产商的驱动器支持数字调光。具备数字调光技术的白光LED 驱动器会有相应的数字接口。该数字接口可以是 SMB、I2C、或者是单线式数字接口。系统设计者只要根据具体的通信协议，给驱动器一串数字信号，就可以使得白光 LED 的光亮发生变化。LED 驱动设计技巧LED 串并联驱动方式参考

25、设计LED 因其 VF 值特性原因做不到相同，随着温度及电流大小也有些 VF 值也会发生变化，一般不适合并联设计。但是有些情况又不得不并联解决多颗 LED 驱动成本问题，这些设计可以为大家做些参考。注意需要 VF 值分档，同档 VF 值的 LED 尽量使用在同一产品上面，产品可以保证误差电流在1mA 之内、LED 相对工作恒流状态。下图采用集成三极管可以保持每路 LED 电流一致，这些三极管在相同温度环境下、相同工艺条件生产出来的 值一样，可以保证每路电流基本一样。恒流部分在要求不是很高的条件下可以这样设计，稳定的电压或稳定的 PWM 伏值驱动稳压后的三极管偏压，做到基本恒流。下图采用精度较高

26、的 IC 做恒流参考源，R 可以设定 IC 输出电流，一经确定 R 阻值可以使用固定电阻代替。多三极管集成器件的使用可以减少 IC 的使用数量，从而减低设计产品成本。线性大功率 LED 恒流输出可以并联使用，在产品设计中我们往往找不到较大电流的驱动 IC，一般 2A 以上就很少见，标称 2A 的 IC 也不一定可以极限使用。大于 1A 的 IC 工艺成本的原因 MOS 管都是外置，外置 MOS 管线路复杂，可靠性减低。并联使用是有效的设计办法。下图采用 DD312 并联参考设计直接驱动 3 颗 6W LED。使能 PWM 控制信号需要适当的隔离，免相互干扰和驱动能力问题。EN 使能电压要符合规

27、格书要求，不要电压太高损坏 EN 脚。一般 IC 耐压是指负载和电源，没有注明激励电压请不要大于 5V 设计。像这种检测在 LED 的一端 LED 恒流驱动 IC 也可以并联设计驱动，实际上 IC 是单独工作的，最后在并流一起。DC-DC 方式是工作在较高的频率上，需要注意的是 PCB 布板时避免交叉设计，各自滤波、旁路电容要紧靠 IC 附近，负载电流最后会和即可。当然可以 2 并，也可以 3 并或多并联设计，不过要提醒多试之!LED 驱动设计参考案例及选型指导 大功率 LED 温度保护参考设计最佳的温度保护居里点温度应该是 80-90。最高环境温度，夏天 40，在夏日光暴晒 50，50为最高

28、环境温度，一般大功率 LED 结温度在 120是可以承受的，芯片到铝基板的热阻，规格书一般推荐 10-15，那 LED 基板要保证在 120-15=105。保留温差取 50-105中间值 77.5，一般电子元器件工作温度在 85是可靠的，77是符合这个原则。建议 77开始启动保护，85前大幅度的减低电流，90彻底完成产品温度保护功能。选者居里点在 85左右的热敏电阻可以设计出理想电路。手机 LED 应用设计德州仪器的 TPS61150/1 产品是一款具备双稳压电流输出的白光 LED 驱动器，能够驱动翻盖手机中用于主显示屏与副显示屏 LCD 背光照明的白光 LED。同时，该器件的双通道输出也可驱

29、动显示屏与键区的背光照明，其在单个较大显示屏上可驱动多达 12 个白光 LED。PS61150/1 无需外部有源电源组件的支持，即可实现较高的效率与设计灵活性。美信 MAX1553/MAX1554 高效率, 升压到 40V 为 2 到 10 白色 LED 的转换器驱动。应用于小LCD 屏和按键区域背光照明。MAX1553/MAX1554 能够以恒定电流驱动串联的白色 LED，为蜂窝电话、PDA 及其它手持设备提供高效的显示器背光驱动。这款升压转换器内部包含一个0V、低 RDSON 的 N 沟道 MOSFET 开关，可提高效率、延长电池寿命。MAX1553 限流为 480mA，可驱动 2 至 6

30、 只白色 LED;MAX1554 限流为 970mA，可驱动多达 10 只白色 LED。一个模拟/PWM Dual ModeTM 输入提供了两种简便的亮度调节方式，单独的使能输入提供开/关控制。软启动可降低启动过程中的浪涌电流。 MAX1553/MAX1554 采用节省空间的 8 引脚 TDFN 3mm x 3mm 封装。美信 MAX1576 480mA 白色 LED 1x/1.5x/2x 电荷泵式从背光照亮到照相机闪光灯应用。MAX1576 电荷泵能够以高达 480mA 的总电流驱动两组、每组四个 LED。对于闪烁状态的 LED组，允许每个 LED 电流达到 100mA 的电流。每组 LED 具有独立的电流设置、脉冲亮度调节和2 线亮度控制。利用自适应开关，在单节锂电池的整个放电过程中平均效率可以达到 83%。对于使用 LED 闪光灯的数码照相机，MAX1576 是理想选择。LM27964 有 I2C 的独立控制的，多按键区域背光指示应用 IC。 LM27964 芯片还内置 I!C 兼容接口,采用锂电池供电,其输入电压为 2.75.5V。这三款白光发光二极管驱动器采用双增益结构,可让稳压器因情况选择适当的输入/输出电压增益,适用于移动电话、个人数字助理、便携式电子游戏机及 MP3 媒体播放器。 LP3954 电话 LED 指示包括展览背光、RGB、按