LED应用

LED(发光二极管)用于状态显示和矩阵面板已经很多年了。现在，可选用的LED包括新开发的蓝光和白光LED(广泛用于便携装置)以及普遍存在的绿光、红光和黄光LED。白光LED可做为彩显的理想背景照明。但是，在为LED设计电源时应注意这些新LED器件的固有特性。本文描述新、老LED的特性以及激励它们所需的电源性能。


图1  标准红光、绿光和黄光LED的正向电压(范围1.4V~2.6V)与正向电流的关系


图2  串联电阻器和恒压源为LED工作提供一种简单方法


图3  并联工作的几个红光、黄光、绿光LED配置



图4  白光LED发射波长(实线)包含蓝光和黄光区域的峰值，被人眼视为白光(图中的虚线为人眼相对光灵敏度)

标准红光，绿光和黄光LED
使LED工作的最简单方法是把电压源通过一个串联电阻加到LED上。只要工作电压(VB)保持恒定，LED会发射恒定强度的光(虽然光强随环境温度增高会减弱)。可以根据要求改变电阻值来变化光强。
图1示出5mm直径标准LED的正向电压(VF)与正向电流(IF)的关系。注意，跨接在LED上的压降随正向电流增加。假定单个绿光LED在5V恒定工作电压下具有10mA正向电流，则串联电阻器KV=(5V-VF,10mA)/10mA=300W。如图2所示，典型工作条件下数据手册给出正向电压是2V。像这种商用二极管是用镓-砷化物-磷化物制造的。大多数的设计工作师了解和容易处理它们，这种LED具有如下特点：
?发射的彩光(发射波长)在正向电流、工作电压和环境温度变化时能相对保持恒定。标准绿光LED发射波长为565nm左右，容差只有25nm。因此，几个这样的LED并联工作(图3)不会成问题。其色差是很小的。正向电压的正常变化会导致光强略有变化，但这种差别也是较小的。通常，可以忽略来自同一厂家和同一批号的LED的差别。
?在正向电流接近10mA时正向电压随正向电流有小的变化。红光LED变化大约200mV，其他LED变化400mV左右(见图1)。
·在正向电流低于10mA时，其正向电压比蓝光或白光LED小很多，这样可直接用Li+电池或一个3节NiMH电池对它们供电。
因此，使标准LED工作的供电成本是相当低的。在LED工作电压大于其最大正向电压时不需要升压变换器或复杂昂贵的电流源。只要应用允许随电池放电所导致光强减弱的容限，LED甚至可直接工作在Li+或3节NiMH电池。


图5  正向电流变化导致的白光LED色度坐标移位


图6  增加正向电流改变发射波长使蓝光LED色度变化

蓝光和白光LED
长期以来人们无法得到发射蓝光的LED。设计人员只能用已有的红光、绿光和黄光LED。早期的器件实际上不是蓝光LED，而是用蓝光围绕小的白炽灯泡散射。几年前，用纯硅碳(SiC)材料开发出首批“真正的蓝光”LED，但其光效率不高。第二代器件是用钾一氮化物材料，其光效率是第一代蓝光LED的几倍。现在蓝乐LED所用的外延材料是铟-钾-氮化物(InGaN)。在450nm~470nm发射波长范围，InGaN LED光强是钾-氮化物LED的5倍。
真正的白光LED仍未能用，制造这种器件的困难在于白光不能呈现在彩色光谱中，而我们看到的白光是不同波长的混合光。因此，必须用妙法产生白光。用发射黄光的变换材料覆盖发蓝光的InGaN基底材料，用蓝光激发。因此，产生蓝光和黄光的混合光，这就是人眼看到的白光(见图4)。
因为白光是不同波长的混合，所以，白光LED不可能有一个特定波长。用色坐标定义白光LED。根据CIE(Commission Internationale De L,eclairage)15.2版计算X和Y 坐标。往往在白光LED数据手册中给出色坐标随正向电流增加而变化(见图5)。可惜，InGaN LED处理起来不像标准绿光、红光和黄光LED那样容易。
InGaN  LED的主波长(彩色)随正向电流而变化(图6)。例如，在白光LED中，除了发蓝光InGaN材料波长随正向电压变化外，变换材料的不同密度也产生色移。从图5可见这种色变化，X和Y坐标改变意味着色变化。如前所述，白光LED不具有一个特定的波长。
对于高达10mA的正向电流，正向电压变化很大。其变化范围800mV左右(某些二极管型号甚至变化更大)。因此，电池放电引起的工作电压变化会改变光色，这是因为工作电压变化会改变正向电流。在10mA正向电流时，正向电压为3.4V左右(此数值随制造商不同而异，范围为3.1V~4.0V)。对于不同LED，其电流-电压特性也呈现出很大差异。LED直接由电池供电工作是困难的，因为，大多数电池的放电态低于LED所需的最小正向电压。


图7  随机选择的一组白光LED的电压-电流特性曲线


图8  具有电流控制的MAX1912电荷泵为并联白光LED提供足够的工作电压和电流控制


图9  单个外电阻器(RSET)可编程MAX1916加到每个LED上的相同电流。加PWM信号到使能引脚可产生简单的亮度控制(降低亮度功能)



图10  D/A转换器控制LED的降低亮度


图11  开关升压变换器使能几个串联LED工作(通过CTRL输入由D/A变换器控制LED的同一正向电流)


白光LED并联工作
当今大部分便携和电池工作装置采用白光LED做为背景照明。特别是PDA的彩色显示需要白光背光以便得到色再生来接近于原色。未来3G移动电话也将刺激白光LED的需求。这些装置除电话功能外，也可传输图像和视频数据，它们需要白光背光照明。数码相机、MP3播放机和其他视频、音频设备所有的显示也需要背光照明。大多数情况下，单个白光LED不能满足需求，所以，需要几个白光LED并联工作。
图7示出几个随机选择的白光LED(图中的虚线)产生2mA~5mA范围的正向电流，进而产生不同强度的白光。特别是Y坐标在该区域有很大的变化(见图5)，这导致照明显示器偏离真实的色彩。另外，由于LED具有不同的光强，导致不均匀照明。另一个问题是所需的最低电源电压。为保证LED工作，3V以上的电压是必须的。低于此电压，几个LED可能完全保持暗的。
Li-Ion电池充满电时能提供4.2V输出电压，在工作短时间后降到额定3.5V。随着电池的放电，其电压进一步下降到3.0V。若白光LED直接从电池供电(如图3所示)，则会引起下面的问题。
第一个问题是当电池充满电时所有二极管都点亮，但具有不同的光强和色彩。随着电池降到其额定电平，其光强减弱而白光的差别变大。因此，设计人员必须考虑电池电压和二极管正向电压值，以便计算串联电阻值。用完全放电的电池供电，一些LED将进入全暗状态。

带电流控制的电荷泵
LED电源的目标是能提供足够的高输出电压，并能使相同的电流流经并联连接的所有LED。注意(图5)，若所有并联配置的白光LED具有相同的电流，则所有LED将具有相同的坐标系。Maxim公司的MAX1912能为此目的提供带电流控制的电荷泵。
在3个LED并联配置(图8)中，电荷泵是个大尺寸的型号，它将输入电压提高1.5倍。较早的电荷泵只是简单地将输入电压倍压，而新技术能提供更好的效率。把输入电压提升到刚好使LED工作的电平。连接到SET(引脚10)的电阻器网络保证在所有LED中有相同电流。内部电路保持SET端电压在200mV，所以，流经任何LED的电流可用下式计算：ILED=200mV/10W=20mA。
若某些二极管需要较低的电流电平，则3个以上LED可并联工作，因为MAX1912能提供高达60mA电流。

简单的电流控制
若系统能提供高于二极管正向电压的电压，则很容易使白光LED工作。例如，数码相机通常包含+5V电源。这样就不需要升压功能，因为电源电压具有驱动LED的足够容限。对于图8的电路，应选择匹配电流源。做为一个实例，MAX1916可以驱动3个并联的LED(图9)。
其工作是简单的：电阻器KSET编程流经所连接LED的电流。此方法所占板面积非常小。除IC(小的6引线SOT23封装)和少量旁路电容器外，它只需要一个外部电阻。IC提供LED之间良好的电流匹配(0.3%)。这种配置能提供相同的色度配置和来自每个LED的相同类型的白光。

减低亮度改变光强
一些便携装置根据环境光条件控制其光输出强度，而另一些装置在短时间待机之后通过软件降低光强。这些操作都需要LED降低亮度，而这种微光功能将影响每个正向电流，以相同的方法使亮度坐标产生偏差。用小的数模转换器控制流经RSET电阻器可以实现均匀亮度。
6位分辨率转换器(如带I2C兼容接口MAX5362或带SPI兼容接口的MAX5365)可提供32级光强调节(见图10)。这类LED的白光随着亮度而变化，因为正向电流影响色坐标。这不应该是个问题，因为相同的正向电流使组中的每个二极管发射相同的光。
不使色度坐标偏移的亮度调节是脉宽调制。这可以用电源器件实现，这些电源器件能提供使能或停机功能。例如，MAX1916只要EN变低就能立即限制流经LED的漏电流仅为1mA。这导致无光发射。EN变高态控制流经LED的可编程正向电流。若加一个脉宽调制信号到EN端，则亮度正比于占空比。
色度坐标不会移动，因为每个LED连续流过相同的正向电流。然而，人眼可觉察到随占空比变化的亮度变化，人眼分辨不出25Hz以上的频率，所以选择200-300Hz开关频率对于PWM减低亮度是合适的。较高的频率可能会出会问题，因为开关LED通、断所需的短暂时间期间可能移位色度坐标。从微处理器I/O引脚或一个外设器件可提供PWM信号。可用的亮度级数取决于所用计数器的宽度。

开关升压变换器具有电流控制
除了上面提供的电荷泵(MAX1912)外，也可以用带电流控制的升压变换器实现。例如开关电压变换器MAX1848可产生高达13V的输出电压，此电压驱动3个串联LED(图11)是足够的。此方法也许是最健全的，因为所有二极管是串联的，具有完全相同的电流。RSENSE和加在CTRL输入的电压确定LED电流。
根据上面所述方法，MAX1848可实现降低亮度功能。流经LED的正向电流正比于加到CTRL引脚的电压。因为，当加到CTRL引脚的电压低于100mV时，MAX1818变为关机模式，所以，可以实现PWM微亮功能。

结语
白光LED可并联工作，但要保证其正向电流相等，确保均匀的白光发射。为使LED工作，选择可控制电流源或带电流控制的升压变换器组合。用电荷泵或开关升压变换器可以实现各种组合。