偏置電阻和發(fā)光亮度對(duì)LED背光源的亮度均勻性的影響研究

1 引言

LED 正成為背光照明的主流器件。一般背光源設(shè)計(jì)中有多個(gè)LED, 所以要考慮各個(gè)LED 亮度的一致性。在實(shí)際應(yīng)用中， 可根據(jù)向電壓（Vf） 對(duì)LED 器件進(jìn)行" 差異篩選".LED 的Vf 值是背光設(shè)計(jì)的重要變數(shù)。將多個(gè)LED 連接在一起使用時(shí)， 各管電流均必須匹配， 整個(gè)組件才能產(chǎn)生一致的亮度。

LED 的亮度決定于流過(guò)它的電流。實(shí)現(xiàn)恒定電流最簡(jiǎn)單的方法， 是將多個(gè)LED 串聯(lián)起來(lái)。這樣不用差異篩選， 串聯(lián)LED 就能確保流過(guò)各個(gè)LED 的電流相同。但是串聯(lián)時(shí)的總體正向電壓為多個(gè)LED 的Vf 之和， 需要使用帶電感的具有升壓功能的LED 驅(qū)動(dòng)電路， 使得成本增加。而且， 一個(gè)LED 發(fā)生故障就會(huì)使整個(gè)背光源失效。此外， 串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方法有較強(qiáng)的電磁干擾， 對(duì)通訊產(chǎn)品尤其不利。

將多個(gè)LED 并聯(lián)的設(shè)計(jì)方法， 無(wú)需帶電感的升壓電路， 電磁干擾較小， 容錯(cuò)性較強(qiáng)。但為了保證亮度的均勻性， 必須對(duì)LED 進(jìn)行差異篩選。隨著所用LED 數(shù)量的增加， 成本也會(huì)因差異篩選而增加。即使經(jīng)過(guò)差異篩選， LED 的Vf 值仍會(huì)存在一個(gè)變化范圍， 影響亮度的均勻性。

本文重點(diǎn)討論在LED 并聯(lián)設(shè)計(jì)中， 如何提高亮度的均勻性。

2 LED 背光源電路模型

將三個(gè)LED 并聯(lián)構(gòu)成背光源， 其總電流由三極管電路控制， 如圖1 所示。亮度均勻性的NLED 被定義為：

式中，Imax 和Imin 為各個(gè)LED 電流的最大值和最小值；

圖1 LED 背光源的驅(qū)動(dòng)電路

圖中， D1, D2, D3 為發(fā)光二極管， T1 為NPN 型三極管， R1 , R2 , R3 的阻值可根據(jù)總電流I 的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)， I/O 或DAC 為控制端口。

理想發(fā)光二極管的正向電壓為：

實(shí)際上， 寄生電阻對(duì)Vf 影響很大：

式中： I 為正向電流； n 為理想因子； k 為玻爾茲曼常數(shù)（1.38x10- 23 J /K） ; T 為溫度（ 298K 或25℃） ;q 為電子電量（ 1.602x10- 19 C） ;Is 為飽和電流； R 為寄生電阻；本文以西鐵成公司的發(fā)光二極管為例， 其特性參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)光二極管特性參數(shù)

依據(jù)式（ 2） , 使用對(duì)分法[2]計(jì)算出在不同正向電壓下，三種LED 的正向電流， 如圖2 所示。

圖2 不同LED的正向電壓與電流的關(guān)系。

由圖2 可以看出， 在相同的電壓下， 不同LED 的電流不同， 即亮度不同。LED 都有其額定電流， 西鐵城LED 的額定電流為20mA, 所以本文給出了20mA以內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3 偏置電阻對(duì)LED 背光源亮度均勻性的影響

在實(shí)際設(shè)計(jì)中， 利用外加偏置電阻， 即在每個(gè)LED 處串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)改善LED 背光源的亮度均勻性。本文討論兩個(gè)LED 并聯(lián)， 加偏置電阻R4=R5的情況， 如圖3 所示。

圖3 加偏置電阻的電路圖

計(jì)算機(jī)利用對(duì)分法算出了在總電流為15mA,外加偏置電阻（R）為R4=R5=0 , 22 , 47 , 68 , 100 , 150, 200 （Ω） 時(shí)， D1 和D2 的電流（ I1 和I2） 、亮度均勻性（ Uni）、正向電壓（V5） 、以及偏置電阻帶來(lái)的功耗（P）。

計(jì)算結(jié)果如表2 及圖4、圖5 所示。

表2 不同偏置電阻的計(jì)算結(jié)果

圖4 偏置電阻對(duì)亮度均勻性的影響。

圖5 偏置電阻對(duì)功耗及供電電壓的影響。

由表2 和圖4、5 可以看出， 外加偏置電阻可以顯著提高亮度的均勻性， 但電路的功耗會(huì)相應(yīng)增加，對(duì)LED 正向電壓的要求會(huì)增大。例如， 外加150Ω偏置電阻時(shí)， 其耗散功率為17mW, V5 為3.104V。

對(duì)于鋰電池而言， 一般工作電壓范圍為3.0~4.2V,再考慮三極管的偏置電壓， 因此， 外加150Ω 偏置電阻是不能接受的。設(shè)計(jì)中要根據(jù)具體的供電電壓來(lái)確定偏置電阻的值。

4 LED 的發(fā)光亮度對(duì)亮度均勻性的影響

根據(jù)式（2） , 也可以通過(guò)改變LED 的發(fā)光亮度來(lái)改善LED 背光源的亮度均勻性， 即通過(guò)改變系統(tǒng)的總電流來(lái)改善亮度的均勻性。本文討論兩個(gè)LED并聯(lián)， 且外加68Ω偏置電阻的情況， 結(jié)果如表3 及圖6 所示。

圖6 由外加偏置電阻改變系統(tǒng)總電流對(duì)亮度均勻性的影響

由表3 和圖6 可以看出， 外加68Ω 偏置電阻使亮度降低， 可以適當(dāng)提高亮度的均勻性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中， 可利用本文所述方法進(jìn)行模擬計(jì)算。

5 結(jié)論

本文討論了偏置電阻、和發(fā)光亮度對(duì)LED 亮度均勻性的影響。隨著偏置電阻值的增加、亮度的減小，LED 背光源的亮度均勻性會(huì)提高。實(shí)際設(shè)計(jì)中要兼顧偏置電阻的功耗、發(fā)光亮度和供電電壓等的要求。