LED電路設(shè)計(jì)和LED基礎(chǔ)知識(shí)與操作指南

多年來(lái)，發(fā)光二極管（LED）一直是用于狀態(tài)顯示器和矩陣面板的熱門(mén)選擇。現(xiàn)在，您可以選擇最近開(kāi)發(fā)的藍(lán)色和白色類型（廣泛用于便攜式設(shè)備）以及無(wú)處不在的綠色，紅色和黃色類型。例如，白色LED被認(rèn)為是彩色顯示器的理想背景照明。但是，在為這些新型LED設(shè)備設(shè)計(jì)電源時(shí)，您應(yīng)該注意這些新LED設(shè)備的固有特性。本文介紹新舊 LED 的特性，以及激活它們的電源所需的性能。

標(biāo)準(zhǔn)紅色、綠色和黃色 LED

操作 LED 的最簡(jiǎn)單方法是使用串聯(lián)電阻在其上施加電壓源。只要工作電壓（VB）保持不變（盡管強(qiáng)度隨著環(huán)境溫度的升高而降低）。您可以通過(guò)更改電阻值來(lái)根據(jù)需要改變光強(qiáng)度。

對(duì)于直徑為5mm的標(biāo)準(zhǔn)LED，圖1顯示了正向電壓（VF） 與正向電流 （IF).請(qǐng)注意，LED 兩端的壓降隨著正向電流的增加而增加。假設(shè)具有10mA正向電流的單個(gè)綠色LED應(yīng)具有5V的恒定工作電壓，則串聯(lián)電阻RV等于 （5V -VF，10毫安）/10mA = 300Ω。正向電壓為2V，如數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型工作條件圖所示（圖2）。

圖1.標(biāo)準(zhǔn)紅色、綠色和黃色 LED 的正向電壓范圍為 1.4V 至 2.6V，具體取決于所需的亮度和正向電流的選擇。對(duì)于低于10mA的正向電流，正向電壓僅變化幾百毫伏

圖2.串聯(lián)電阻器和恒壓電源提供了一種操作 LED 的簡(jiǎn)單方法。

像這樣的商品二極管是用鎵-砷化物-磷組合生產(chǎn)的。它們易于操作，大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師都知道，它們具有許多優(yōu)點(diǎn)：

發(fā)射顏色（發(fā)射波長(zhǎng)）隨著正向電流、工作電壓和環(huán)境溫度的變化而保持相對(duì)恒定。標(biāo)準(zhǔn)綠色LED發(fā)射約565nm的波長(zhǎng)，公差小，僅為25nm。并行操作多個(gè)這樣的 LED 不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題（圖 3），因?yàn)樯罘浅Ｐ?。正向電壓的正常變化?huì)產(chǎn)生光強(qiáng)度的細(xì)微差異，但這些差異也很小。您通?？梢院雎詠?lái)自同一制造商和批次的 LED 之間的任何差異。

正向電壓在正向電流高達(dá)約10mA時(shí)變化不大。紅色LED的變化約為200mV，其他顏色的變化約為400mV（圖1）。

對(duì)于低于10mA的正向電流，正向電壓遠(yuǎn)低于藍(lán)色或白色LED，這允許直接從Li+電池或三節(jié)NiMH電池進(jìn)行低成本操作。

圖3.所示配置并行操作多個(gè)紅色、黃色或綠色 LED，色差或亮度變化非常小。

因此，運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)LED的電力成本相當(dāng)?shù)?。如?LED 的工作電壓高于其最大正向電壓，則無(wú)需使用升壓轉(zhuǎn)換器或復(fù)雜且昂貴的電流源。

這些LED甚至可以直接在Li+或三節(jié)NiMH電池上運(yùn)行，只要應(yīng)用能夠承受電池放電時(shí)光強(qiáng)度的降低。

藍(lán)色指示燈

發(fā)出藍(lán)光的 LED 長(zhǎng)時(shí)間不可用。設(shè)計(jì)工程師只能依靠現(xiàn)有的紅色、綠色和黃色。早期的“藍(lán)色”設(shè)備實(shí)際上不是藍(lán)色LED，而是用藍(lán)色擴(kuò)散器包圍的小型白熾燈泡。

第一批“真藍(lán)光”LED是幾年前使用純硅碳材料（SiC）開(kāi)發(fā)的，但它們的光效率很差。下一代器件采用氮化鎵基材，其光效率是第一個(gè)版本的幾倍。今天用于藍(lán)光LED的外延材料稱為氮化銦鎵（InGaN）。InGaN LED的發(fā)光波長(zhǎng)范圍為450nm至470nm，產(chǎn)生的光強(qiáng)度是氮化鎵LED的五倍。

白光燈

真正的白光發(fā)光 LED 不可用。這樣的設(shè)備很難制造，因?yàn)長(zhǎng)ED通常發(fā)射一個(gè)波長(zhǎng)。白色不會(huì)出現(xiàn)在色譜中;相反，感知白色需要混合波長(zhǎng)。

使用一種技巧來(lái)制作白光 LED。發(fā)光的InGaN基材覆蓋著轉(zhuǎn)換器材料，當(dāng)受到藍(lán)光刺激時(shí)會(huì)發(fā)出黃光。結(jié)果是藍(lán)色和黃色光的混合物，被眼睛感知為白色（圖4）。

圖4.白光LED（實(shí)線）的發(fā)射波長(zhǎng)包括藍(lán)色和黃色區(qū)域的峰值，但被人眼解釋為白光。顯示了人眼的相對(duì)感光度（虛線曲線）以進(jìn)行比較。

白色 LED 的顏色由顏色坐標(biāo)定義。這些 X 和 Y 坐標(biāo)的值是根據(jù)國(guó)際委員會(huì) （CIE） 出版物 15.2 中的說(shuō)明計(jì)算的。白光 LED 的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常指定這些顏色坐標(biāo)會(huì)隨著正向電流的增加而變化（圖 5）。

圖5.正向電流的變化會(huì)改變白光 LED（歐司朗光電半導(dǎo)體的 LE Q983）的色度坐標(biāo)，從而改變其白光的質(zhì)量。

不幸的是，InGaN技術(shù)的LED并不像標(biāo)準(zhǔn)的綠色，紅色和黃色類型那樣容易處理。InGaN LED 的主波長(zhǎng)（顏色）隨正向電流而變化（圖 6）。例如，白光LED由于不同濃度的轉(zhuǎn)換器材料而表現(xiàn)出色偏，此外，藍(lán)光發(fā)射InGaN材料的波長(zhǎng)隨正向電壓而變化。這種顏色變化如圖 5 所示，其中 X 和 Y 坐標(biāo)的偏移意味著顏色變化。（如前所述，白光LED沒(méi)有特定的波長(zhǎng)。

圖6.增加的正向電流通過(guò)改變其發(fā)射波長(zhǎng)來(lái)改變藍(lán)色LED的色調(diào)。

正向電壓變化很大，正向電流高達(dá)10mA。變化范圍約為800mV（某些二極管類型變化更大）。因此，由電池放電引起的工作電壓變化會(huì)改變顏色，因?yàn)楣ぷ麟妷旱淖兓瘯?huì)改變正向電流。在10mA的正向電流下，正向電壓約為3.4V（該量因制造商而異，范圍為3.1V至4.0V）。電流-電壓特性也因LED而異（見(jiàn)下文）。直接從電池操作 LED 很困難，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電池的放電狀態(tài)低于 LED 所需的最小正向電壓。

并聯(lián)操作白光 LED

許多便攜式和電池供電的設(shè)備使用白色LED進(jìn)行背景照明。特別是，PDA的彩色顯示器需要白色背光才能獲得接近原始的色彩再現(xiàn)。未來(lái)的3G手機(jī)將支持需要白光背光照明的圖片和視頻數(shù)據(jù)。數(shù)碼相機(jī)、MP3 播放器和其他視頻和音頻設(shè)備還包括需要白色背光的顯示器。

在大多數(shù)情況下，單個(gè)白光LED是不夠的，因此必須同時(shí)操作多個(gè)。必須采取特殊步驟以確保它們的強(qiáng)度和顏色匹配，即使電池充電和其他條件不同。

圖7顯示了一組隨機(jī)選擇的白光LED的電流-電壓曲線。向這些LED施加3.3V電壓（上虛線）會(huì)產(chǎn)生2mA至5mA范圍內(nèi)的正向電流，進(jìn)而產(chǎn)生不同深淺的白色。特別是Y坐標(biāo)在此區(qū)域變化很大（圖5），導(dǎo)致照明顯示器中色彩再現(xiàn)不真實(shí)。LED還具有不同的光強(qiáng)度，從而產(chǎn)生不均勻的照明。另一個(gè)問(wèn)題是所需的最小電源電壓。要操作 LED，需要遠(yuǎn)高于 3V 的電壓。低于該水平，幾個(gè) LED 可能會(huì)保持完全黑暗。

圖7.這些曲線說(shuō)明了白光LED的電流-電壓特性存在相當(dāng)大的差異，即使是從同一生產(chǎn)批次中隨機(jī)選擇的白光LED。因此，在恒定的3.3V（上虛線）下并聯(lián)運(yùn)行多個(gè)這樣的LED，會(huì)產(chǎn)生不同深淺的白色和不同的亮度。

鋰離子電池在充滿電時(shí)提供 4.2V 的輸出電壓，在短時(shí)間工作后降至標(biāo)稱 3.5V。隨著電池放電，該電壓進(jìn)一步下降到3.0V。如果白光LED直接由電池供電，如圖3所示，則會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：

首先，當(dāng)電池充滿電時(shí)，所有二極管都發(fā)光，但具有不同的光強(qiáng)度和顏色。當(dāng)電池電壓下降到其標(biāo)稱水平時(shí)，光強(qiáng)度降低，白光差異變大。因此，設(shè)計(jì)人員必須考慮計(jì)算串聯(lián)電阻的電池電壓和二極管正向電壓的值。（電池完全放電后，某些 LED 將完全變暗。

帶電流控制的電荷泵

LED電源的目標(biāo)是提供足夠高的輸出電壓，并強(qiáng)制相同的電流通過(guò)所有并聯(lián)的LED。請(qǐng)注意（圖 5），如果并聯(lián)配置的所有白光 LED 具有相同的電流，則所有白光 LED 都將具有相同的色度坐標(biāo)。Maxim為此提供帶電流控制的電荷泵（MAX1912）。

在圖8所示的三個(gè)LED并聯(lián)配置中，電荷泵為大規(guī)模類型，可將輸入電壓提高1.5倍。早期的電荷泵只是使輸入電壓翻了一番，但這種新技術(shù)提供了更好的效率。輸入電壓被提升到僅允許LED工作的水平。連接到 SET 的電阻網(wǎng)絡(luò)（引腳 10）可確保所有 LED 中的電流相同。內(nèi)部電路將SET電壓保持在200mV，因此通過(guò)任何LED的電流可以計(jì)算為I發(fā)光二極管= 200mV/10Ω = 20mA。如果某些二極管需要較低的電流水平，則可以并聯(lián)工作三個(gè)以上，因?yàn)镸AX1912可提供高達(dá)60mA的電流。更多應(yīng)用和原理圖請(qǐng)參考MAX1912數(shù)據(jù)資料。

圖8.該IC將電荷泵與電流控制相結(jié)合。電荷泵為白光LED提供足夠的工作電壓，電流控制通過(guò)強(qiáng)制相同的電流通過(guò)每個(gè)LED來(lái)確保均勻的白光。

簡(jiǎn)單的電流控制

如果系統(tǒng)提供的電壓高于二極管的正向電壓，則白光LED可以輕松操作。例如，數(shù)碼相機(jī)通常包括+5V電源。在這種情況下，您不需要升壓功能，因?yàn)殡娫措妷喊銐虻脑Ａ縼?lái)驅(qū)動(dòng)LED。對(duì)于圖8電路，應(yīng)選擇匹配的電流源。例如，MAX1916可以并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多達(dá)9個(gè)LED（圖<>）。

圖9.單個(gè)外部電阻器 （R設(shè)置） 對(duì)施加到每個(gè) LED 的相同電流值進(jìn)行編程。將脈寬調(diào)制信號(hào)施加到該IC的使能引腳（EN）上，可產(chǎn)生簡(jiǎn)單的亮度控制（調(diào)光功能）。

操作簡(jiǎn)單：電阻 R設(shè)置對(duì)強(qiáng)制通過(guò)所連接 LED 的電流進(jìn)行編程。這種方法占用的電路板空間非常小。除了IC（小型6引腳SOT23封裝）和幾個(gè)旁路電容器外，它還需要一個(gè)外部電阻器。該 IC 在 LED 之間提供 0.3% 的出色電流匹配。這種配置提供相同的色度位置，因此每個(gè)LED的白光類型相同。

調(diào)光變化光強(qiáng)度

一些便攜式設(shè)備根據(jù)環(huán)境光條件控制其光輸出強(qiáng)度，而其他便攜式設(shè)備則在短暫的待機(jī)間隔后通過(guò)軟件降低光強(qiáng)度。這兩種操作都需要對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光，并且這種調(diào)暗功能應(yīng)以相同的方式影響每個(gè)正向電流，以避免色度協(xié)調(diào)的可能偏移。這種均勻性可以通過(guò)控制通過(guò)R的電流的小型數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)置電阻器。

6位分辨率轉(zhuǎn)換器，如MAX5362，具有I2C*兼容接口或MAX5365具有SPI?兼容接口，可實(shí)現(xiàn)具有32級(jí)光強(qiáng)度的調(diào)光功能（圖10）。來(lái)自LED的白光類型隨著亮度的變化而變化，因?yàn)檎螂娏鲿?huì)影響色度坐標(biāo)。這應(yīng)該不是問(wèn)題，因?yàn)橄嗤恼螂娏鲿?huì)導(dǎo)致組中的每個(gè)二極管發(fā)出相同的光。

圖 10.該數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過(guò)一致改變其正向電流來(lái)控制LED的調(diào)光。

色度坐標(biāo)不移動(dòng)的暗函數(shù)稱為脈寬調(diào)制。大多數(shù)提供使能或關(guān)斷功能的電源設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，MAX1916通過(guò)將EN拉低，將流過(guò)LED的漏電流限制在1μA。結(jié)果是零光發(fā)射。將 EN 拉高可引導(dǎo)編程的正向電流通過(guò) LED。如果將脈寬調(diào)制信號(hào)應(yīng)用于EN，則亮度與該信號(hào)的占空比成正比。

色度坐標(biāo)不會(huì)移動(dòng)，因?yàn)槊總€(gè) LED 繼續(xù)看到相同的正向電流。然而，人眼將占空比的變化視為亮度的變化。人眼無(wú)法分辨25Hz以上的頻率，因此200-300Hz的開(kāi)關(guān)頻率是PWM調(diào)光的不錯(cuò)選擇。較高的頻率可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題，因?yàn)樯茸鴺?biāo)可能會(huì)在打開(kāi)和關(guān)閉LED所需的短暫間隔內(nèi)發(fā)生變化。PWM 信號(hào)可以從微處理器的 I/O 引腳或其外圍設(shè)備之一提供?？捎玫牧炼炔竭M(jìn)數(shù)取決于用于該目的的計(jì)數(shù)器寄存器的寬度。

開(kāi)關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器具有電流控制功能

除了上述電荷泵（MAX1912）外，還可以實(shí)現(xiàn)帶電流控制的升壓轉(zhuǎn)換器。例如，MAX1848開(kāi)關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生高達(dá)13V的輸出電壓，足以驅(qū)動(dòng)多達(dá)11個(gè)串聯(lián)的LED（圖<>）。這種方法可能是最干凈的，因?yàn)樗写?lián)的LED都具有完全相同的電流。LED 電流由 R 確定意義以及施加到 CTRL 輸入的電壓。

圖 11.相同的正向電流，通過(guò) CTRL 輸入（例如）D/A 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。

MAX1848可根據(jù)上述任一方法實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。通過(guò)LED的正向電流與施加到CTRL引腳的電壓成正比。由于MAX1848在施加于CTRL的電壓低于100mV時(shí)進(jìn)入關(guān)斷模式，因此還可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光功能。

總結(jié)

白光 LED 可以并聯(lián)運(yùn)行，如果您注意通過(guò)使其正向電流相等來(lái)確保均勻白光的發(fā)射。要操作 LED，請(qǐng)選擇受控電流源或升壓轉(zhuǎn)換器與電流控制的組合。使用電荷泵或開(kāi)關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器，您可以使用一些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)這種組合。

審核編輯：郭婷