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寧靜 　 本文從光學基礎出發，介紹 LED(Light Emitting Diode) 的原理與特性，並提供LED特性參數等有助於LED設計開發的有用訊息。

光的基礎常識 ?光線波長與色的關係 圖1是光線波長與色的關係，380~700nm波長範圍稱為可視光領域，隨著 波長依序決定藍、綠、黃、橙、紅等顏色，LED的發光色也是由波長決定。 　 圖1 光線波長與色的關係 　 ?色溫 如上所述光線的顏色取決於波長，表示白色另一個指標是色溫，它的單位是(K)，利用xy平面座標表示光線顏色的圖表稱為色度圖。 圖2是國際照明委員會(CIE: Commission International de1’?clairage)制定的色度圖，色度圖周圍的數字為波長(單位: )，單色就是利用該波長表示，周圍以外的顏色表示混色，中心描繪色溫(單位:K)曲線，該曲線記載黑體散熱時的顏色，黑體溫度上升時會釋放光線，光線的顏色從紅→黃→白→藍白色依序變化，例如木炭加熱燃燒變成紅色，溫度上升變成橘色→白色。 色溫曲線表示黑體的顏色與溫度的關係，因此成為決定白色程度(Level)的指標之一，顏色越紅溫度越低，顏色偏藍白溫度越高，例如燈泡發光色的色溫較低，給人偏紅色的感覺，反之螢光燈發光色的色溫相當高，所以感到偏藍白色。 　 圖2 CIE 1981色度座標 　 ?光源的種類 a.白熾燈 電流一旦流入燈泡內的燈絲(Filament)，燈絲的電氣阻抗會使燈絲發熱、發光，由於燈絲的發光成份包含許多紅外領域，所以投入電流的大部份變成熱能散逸。 圖3是傳統燈泡的發光特性，一般燈泡內都會灌注氬氣(Argon Gas)等惰性氣體。 　 圖3 傳統燈泡的波長特性 　 b.螢光燈 螢光燈利用放電效應發光，動作時電流流入燈管內的燈絲引發放電，並與密封在管內的水銀發生衝突產生紫外線，紫外線撞擊管壁上的螢光體成為可視光釋放到燈管外。 c.鹵素燈 鹵素燈(Halogen Lamp)也是燈泡的一種，它與一般燈泡一樣，將電流流入燈泡內使燈絲發熱產生光線，由於燈泡內密封鹵素與惰性氣體，所以稱為鹵素燈，鹵元素可以抑制燈絲中的錳(Tungsten)金屬蒸發延長泡內的壽命。 ?光線亮度的表示方法 光線亮度的表示方法隨著它的用途出現很大差異，圖4是表示光線亮度的相關用語。 a.光度 光度表示某個方向立體角範圍內的光線亮度，單位是「cd」。 為表示LED的亮度，光度成為常用的單位，LED被當成顯示光源使用時，要求LED正面的亮度，因此經常使用顯示光源用的LED亮度單位(亦即光度)。 b.光束 光束表示從光源產生的光線全光量，單位是「lm」。表示功率(Power)LED的亮度時經常使用此單位。 c.照度 照度表示光源照射部位的亮度，單位是「lx」。表示螢光燈的亮度時經常使用此單位。 d.輝度 輝度表示從某個方向觀察時的光線輝強度，單位是「cd/m2」。 相對於照度表示單位面積光線是否到達，輝度表示根據該結果從某個方向觀察時，可以看到多少亮度。 　 圖4 光線亮度的表示方法

LED的基礎常識 70年代GaP系材料實用化，LED開始進入量產階段，接著紅光系GaAlAs的問世，LED的輸出輸出獲得大幅提升，目前InGaAlP已經取代上述材料成為高輝度LED主要材料，為獲得大型LED面板構成的全彩顯示器，因此業者再度開發比InGaAlP發光波長更短的發光材料。 80年代開始業者以SiC量產藍光LED，在此同時開始認真檢討有關藍光LED的應用，不過當時藍光LED的光輸出低於0.1mW，無法在室外當作顯示器使用。 93年高輝度藍光LED問世，95年波長525nm純綠光LED問世，此時室外大型LED全彩顯示器必要的關鍵性元件儼然成形，目前則利用紫外發光GaN的輸出激發螢光體，進而開發白光與各種發光色的LED。接著介紹LED的發光機制。 ?發光原理 LED屬於半導體元件，控制不純物可以形成P型與N型半導體，P型與N型半導體兩者組合就可構成二極體(Diode)，二極體通電時會發光。 動作上它是施加電流使電子與電洞(Hole)再結合，接著利用半導體的Band Gap能量(亦即能隙)獲得一定波長的發光。 ?發光材料與波長 Band Gap隨著半導體材料不同，也就是說半導體材料的選擇可以改變發光色 。表1是半導體材料與發光波長、發光色的關係，以InGaAlP為例，構成元素(In, Ga, Al, P)之中，改變主要元素Al的混晶比率，就可以獲得紅~綠色的發光。 　 發光色 發光材料 峰值波長λp (nm) 紅色 GaP 700 GaAlAs 660 GaAsP 635 InGaAlP 623 橙色 InGaAlP 62 GaAsP 610 黃色 InGaAlP 590 GaAsP 587 GaP 570 黃綠色 InGaAlP 574 GaP 565 綠色 InGaAlP 562 GaP 555 InGaN 525 藍色 SiC 470 InGaN 450 GaN 395 表1 半導體材料與發光波長、發光色的關係 　 「色的3原色」與「光的3原色」不同，「色的3原色」為紅、藍、黃；「光的3原色」則為紅、藍、綠。 混合「色的3原色」時變成黑色；混合「光的3原色」則變成白色。以LED形成白光的方式可以分成2種，分別是: a.組合紅、藍、綠LED變成白光。 b.藍光或是紫外線發光LED，搭配螢光體變成白光。 組合紅、藍、綠LED形成白光方式，一般稱為RGB發光，上述組合光的3原色形成白光的方式，主要特徵為高色再現性。 藍光搭配螢光體形成白光是目前主流，它是利用黃色螢光體的吸收、激發特性，使部份藍色發光轉換成黃色光線，藍色光線再與黃色光線形成白光。 圖5是藍光LED+黃色螢光體構成的白光發光頻譜特性，藍光搭配螢光體形成白光方式可以在相同封裝獲得白光，缺點是紅光成份比其它光線低，而且演色性比較差。 圖6是紫外線發光LED搭配複數可視光螢光體，變成白光時的白光發光頻譜特性，這種方式主要特徵是相同封裝可以獲得白光與高演色性設計。 　 圖5 藍光LED+黃色螢光體構成的白光發光頻譜 　 圖6 UV胱LED+複數可視胱螢光體構成的白光發光頻譜 　 ?LED特性參數 接著介紹讀取LED技術資料時，經常出現的專業用語。 ※IF :順向電流(Forward Current)，表示施加於順方向的電流。 ※VF :順向電壓(Forward Voltage)，表示施加於順方向的電壓。 ※IR :逆向電流(Reverse Current)，表示施加於逆方向的電流。 ※VR :逆向電壓(Reverse Voltage)，表示施加於逆方向的電壓。 ※F :光束(Luminous Flux)，它是亮度的用語，表示光線全光量的亮度。 ※IV :光度(Luminous Intensity)，它也是亮度的用語，表示某個方向單位 立體角範圍內的光線亮度。 ※λp :峰值波長(Peak Wave)，表示最大發光強度時的波長。 ※λd ominant波長(Dominant Wave)，表示人眼感受的單波長。 ※Cx :色度座標(Chromaticity x,y)，它利用x,y座標表示顏色。 ※2θ1/2 :指向角，光線的發光強度變成1/2時，表示光線的擴散角度。 除此之外隨著產品的不同，技術資料經常不會記載某些項目，例如白光LED燈的技術資料一般都不記載λd, λp等項目，因為利用單波長表示顏色時，從λd, λp可以判斷LED的發光色，不過以藍色與黃色螢光體構成白光的場合，則用藍色與黃色兩種波長表示，因此無法從λd, λp判斷LED的發光色。 表示白光LED的顏色通常使用Cx與Cy，它可以表示單波長無法表示的顏色。 此處以東芝TL10W02-D LED為例範例，說明圖7的LED動作特性。 a.最大額定值(圖7(a)) 如果超過記載值，可能成為LED破壞、劣化的原因。 b.電氣特性(圖7(b)) 圖中記載項目為LED主要電氣特性的最小、標準、最大值。 c.光學特性(圖7(c)) 圖中記載項目為LED主要光學特性的最小、標準、最大值。 　 項目 符號 額定值 單位 直流順向電流 IF 700 mA 容許誤差 PD 2.94 W 動作溫度 Topr -40~100 °C 保存溫度 Tstg -40~100 °C (a)最大額定值(設定成Ta = 25°C, RθJ+A≦30°C/W) 　 項目 符號 測試條件 最小 標準 最大 單位 順向電流 VF IF = 500mA --- 3.6 4.2 V 逆向電流 IR VR = 4V --- --- 100 μA (b)電氣特性(Ta = 25°C) 　 項目 符號 測試條件 最小 標準 最大 單位 色度 Cx IF = 500mA --- 0.32 --- --- Cy IF = 500mA --- 0.32 --- --- 光束 F IF = 500mA 40 60 --- lm (c)光學特性(Ta = 25°C) 　 d.代表特性 特性圖表示製品的代表特性，詳細內容分別如下: ?IF - VF特性(圖7(d)) 它表示為獲得順向電流IF，必需施加多少順向電壓VF才可以，基本上IF - VF特性隨著發光材料改變。 ?F - IF 特性(圖7(e)) 它表示為獲得必要光束F，必需施加多少順向電流IF才可以，由圖可知光束F與順向電流IF有依存關係，光度IV的場合具有同樣的特性。 ?指向特性(圖7(f)) 它表示從LED出射光線時光線的擴散特性，隨著用途不同某些情況要求光線越擴散越好，某些情況希望光線越收斂越好，因此必需根據實際需求選擇LED。 ?IF - Ta 特性(圖7(g)) 它表示周圍溫度為Ta時的容許電流量特性。LED的動作特性取決於可以驅動的溫度(Tjmax)，因此電流在LED內部流動自我發熱，與周圍溫度兩者總和不可以超過LED額定的最大溫度。實際上LED的使用環境經常有高周圍溫度Ta的情況，此時必需調整流動的電流值。 　 圖7 實際LED的動作特性(東芝TL10W02-D LED)

使用LED的注意事項
?LED的發熱
LED的發光波長若與傳統白熾燈泡比較的確不含紅外成份，也就是說從LED出射的放射光幾乎不具熱能，不過若對LED施加電流LED就會發熱，主要原因是LED內部產生的光線只有數%出射到外部，除此以外的能量亦即消費能量的大部份已經轉變成熱能，因此只要對LED施加電流LED就會發熱。 以往的LED驅動電流只有數十mA，消費電力大約0.1W左右，最近幾年消費電力高達數W的LED陸續問世，裝設散熱鰭片或是將LED封裝在金屬基板，主要訴求都是使LED的發熱可以更容易散逸到外部。

?提高LED的發光效率
提高LED的發光效率根本上必需改善LED元件本身的輸出，這意味著元件的封裝技術非常重要。

?IF一定時的亮度
一般人都誤解一定的順向電流IF時，LED的亮度也會成為一定，然而實際上並非如此，如上所述一旦對LED施加電流LED本身會發熱，溫度上升導致LED的亮度下降，因此從施加電流一直到溫度成為一定為止LED的亮度會持續下降，發熱穩定後LED的亮度才會穩定下來。
發熱穩定必需花費一段時間，亮度下降的程度則隨著LED不同，通常消費電力與發熱很大的LED，電流一定時亮度下降幅度非常大，此外電流一定時LED的亮度會隨著周圍溫度改變，相同電流周圍溫度越高，LED的亮度有下降的傾向。

?LED的壽命
LED的壽命一般是以亮度降至初期值50%所需要的時間表示，LED的壽命隨著發光色、封裝材料、封裝樹脂不同也很大差異，除此之外使用環境、條件都會改變LED的壽命，一般而言過酷條件LED的壽命相對降低。

LED驅動技術講座(2)高輝度LED的特性與驅動方法 　 寧靜

高輝度LED的特性 ?順向電壓-順向電流特性 圖1是一般高輝度白光與紅光LED的VF-IF特性，這類LED具備與一般二極體相同的特性，圖中順向電壓低於1.7V與2.8V以下時，幾乎沒有任何電流流動，不過一旦超過上述兩電壓，電流就開始流動，要使LED點燈的電壓隨著各產品不同，一般需要1.7V~4V左右的電壓。 　 圖1 LED的VF-IF特性 　 ?順向電流-相對光度特性 直流驅動時LED的亮度一直到該產品的設計值為止，幾乎與電流呈直線性比例，利用PWM脈衝驅動時，LED的亮度與Duty幾乎呈直線性關係。 圖2是IF=20mA亮度為1時，IF產生的相對光度特性，由圖可知2倍的電流亮度不會變成2倍，主要原因如圖3所示增加電流，LED本身具有自我發熱特性造成元件溫度上升，換句話說大部份的電能轉換成熱能，實際上使LED點亮的電流與施加的電流並不是2倍關係。 　 圖2 順向電流-相對光度特性(日亞,NPSW500BS500BS) 　 ?順向電流適應值 部份產品除外大多數高輝度LED的適應順向電流與發光色無關都設定為20mA，雖然LED的規格書中並未明確記載，一般該值都被設定成可以充分發揮LED的性能與可靠性，也就是說規格書記載的項目，都採用20mA點燈時的數據。 LED的IF=20mA時的VF，例如表1白光技術資料記載規定VF在3.6~4V範圍，不過這並不表示「只要是3.6~4V之間，就有20mA的電流流動」，它表示隨著產品各自的差異，即使在該範圍內VF也會有散亂分佈現象，即使對同品種LED施加相同電流，各LED的VF值卻不相同，此外還需注意VF對周圍溫度的變動。由此可知同品種LED隨著各LED差異， 會有散亂分佈現象，不過它並不表示該LED是不良品或是瑕疵品。 　 表1 NSPW500BS的順向電壓特性 　 為量測實際LED的VF，電流計與電壓計依照圖4連接，並將電源設備的電壓設定成可以使IF變成20mA，此時施加於LED的電壓變成VF。 接著從相同批次適當取出2個白光LED量測，其結果如照片1(a)、1(b)所示，VF值分別是3.7V與3.1V，雖然3.1V低VF LED已經偏離規格值，不過最近的LED發光效率提升VF值卻下跌，因此大部份高輝度LED的VF值都低於3V。 　 圖4 量測LED順向電壓的電路 　 照片1 LED順向電壓測試結果(順向電流20mA)

複數LED的點燈方法 ?並聯連接方式 LED的VF各自差異對複數LED並聯連接點燈有不良影響，如圖5所示上述已經測試過VF相異的LED並聯連接施加電壓時，會產生類似照片2亮度極端差異結果，照片右側LED的內部電流接近額定，左側LED的電流只能使LED開始點亮的程度，由此證實電流不均會直接反映在亮度。 　 圖5 順向電壓相異LED並聯連接 　 照片2 相同電壓點燈結果 　 雖然直接提高電壓左側LED會變亮，不過右側LED內部流動的電流也會隨著變成過大，進而對LED形成無法復原的傷害，此時為獲得相同亮度因此對兩LED施加相同電流。如圖6所示所謂並聯連接是將電阻並聯連接在各LED，藉此調整電流的方式，這種連接方式以往經常出現在各種LED應用電子產品。照片3是並聯連接方式的實驗結果，由於聯連接方式事前必需調查VF調整所有LED的電流，LED數量很多時相當費時，一般認為這種方式不太實用。 　 圖6 並聯連接調整電流值　　　　　　　　　　　　照片3 相同電壓的點燈結果 　 ?串聯連接方式 若能維持穩定的電源電壓，串聯連接LED反而比較簡單，串聯連接方式最大特點是不論連接幾個LED，各LED內流動的電流完全相同，它與VF散亂分佈現象無任何關連。 常用LED驅動電路 (a)利用電阻限制電流的驅動方式 根據歐姆法則圖7限制電流的電阻(Ω)可用下式計算: 這種驅動方式最大缺點是即使微弱的電源電壓變動ILED也會受到影響，因此必需使用穩定化的電源，此外還要考慮LED本身的發熱與IF對周圍溫度的變化。 　 圖7 利用電阻決定電流值的方法 　 (b)利用CRD定電流的驅動方式 圖8是定電流電路，圖中的ILED與定電流二極體(CRD: Current Regulative Diode，以下簡稱為CRD)與直接依存關係，CRD並聯時可以調整電流，需注意的是例如為了使石塚電子的15mA的E-153(CRD)進行定電流動作，電源電壓必需設定成可以對CRD施加4.3V以上的電壓，而且對CRD施加的電壓不可以超過最高使用電壓，必需在CRD的容許損失範圍內操作。 CRD的電源電壓對變動變壓器Type AC Adapter非常有效，部份製品除外幾乎所有CRD的電流值對溫度具有負的特性，尤其是對周圍溫度的變化安全性很高。 　 圖8 利用定電流二極體決定電流值的方法 　 (c)利用3端子比較器的定電流驅動方式 依照圖9電路連接就可以利用定電壓輸出3端子比較器(Regulator)製作高性能定電流電路。圖中的7805可以使1-2腳架之間(R1兩端的電壓)控制在5V，所以可以用 的阻抗值使ILED維持一定值。 　 圖9 利用三端子比較器決定電流值的方法 　 7805本身的動作電流ILED(5mA左右)從第2腳架通過LED流至GND，因此: R1為333Ω時，ILED就是變成20mA。驅動本電路Vcc的電壓必需大於LED的VF與7805兩者的動作電壓總合。 (d)利用OP增幅器的定電流驅動方式 圖10的電路會Feedback LED內部的電流值，所以可以使電路對電源電壓與周圍溫度變化更加穩定。本電路利用ILED產生的R1電壓與OP增幅器產生的Zener電壓Vz比較，因此: ＊(基準電壓必需穩定化) 以上介紹的電路範例基本上消費電力使Vcc電壓與LED的IF兩者相乘結果，如果電源電壓過高效果反而變差請讀者注意。表2是上述4種LED驅動方式的比較。 　 圖10 利用OP增幅器與定電壓二極體決定電流值的方法 　 表2 LED驅動方式的比較

LED驅動器的製作 國外廠商開發許多LED驅動專用IC，不過一般業者卻無法取得，有鑑於此本文將介紹一種單晶片微處理器構成的升壓型定電流LED驅動器。本驅動器利用4個電池動作，2V系列LED使用3~15個，3.6V系列使用2~8個串聯連接的LED，它以20mA定電流使LED點燈。 ?電路結構 圖11是LED驅動器的電路亦即一般稱為「Switching Type DC-DC Converter」，微處理器使用同時具備A-D Converter與PWM功能的PIC12F683，它會自動調整Chopper Type升壓電路的輸出電壓，使LED內流動的電流變成20mA形成定電流驅動。 由於 LED作串聯連接，因此所有LED都以相同電流值驅動，LED內部流動的電流值以OP增幅器將R7產生的電壓增幅，接著再用A-D Converter讀取。電源使用4個電池，雖然電源電壓只有4~6V左右，隨著LED串聯數量升壓電路的輸出電壓最大可以提高到30V，整體而言電路結構非常簡單，而且LED的VF總合值即使超過電源電壓低於30V也可以正常動作。 　 圖11 升壓型LED驅動器電路圖 　 ?電路與微處理器的動作 PIC微處理器一旦開始動作，就會以AN0讀取LED內部流動的電流值，再與PIC內部預設的目標電流值20mA的資料進行比較，最後根據比較結果增減升壓電路的PWM Duty值並輸出到CCP1。Duty的增減條件如下: ILED>20mA時Duty減少 ILED>20mA時Duty增加 由於電源投入後瞬間升壓電路並未動作，因此LED內部無電流流動，Duty增加升壓電路啟動後輸出電壓變高，此時LED內部電流才開始流動，如果電壓過高LED的電流值超過20mA時，PIC微處理器會減少Duty降低輸出電壓，其結果反覆定電流動作最後在20mA穩定下來。 照片4是升壓型LED驅動電路板的實際外觀；清單1是升壓型LED驅動器的PLC程式；照片5 LED驅動器的外觀。實驗時將15個橙色LED串聯，輸出電壓在3.0V附近略有變動，不過LED的電流在20mA卻非常穩定，在此狀態下輸入為5.5V/180mA，輸出為30.1V/120mA，效率大約是61%。表3是主要高功率LED的規格摘，表中記載的規格原則上都是標準值，至於最大值與最小值表示概略平均值，至於相同型號細分等級，則一律採用中級品當作標準值。 　 照片4 升壓型LED驅動電路板的外觀 　 清單1 升壓型LED驅動器的PLC程式(使用CCS-C程式編輯器) 　 照片5 LED驅動器的外觀 　 表3 主要高功率LED的規格摘 　 　 (a)砲彈型(φ5mm) 　 (b)砲彈型(φ3mm) 　 　 (c)Super Flux系列 表4 常用高輝度LED規格摘要     LED驱动知识

概述如果能够通过使LED正向电流相等而确保白光发射的均匀性，则可以并联驱动白光LED。为驱动LED，应该选择可控的电流源或者带有电流控制的步进转换器。采用电荷泵或者开关升压转换器可以实现这样的与几个标准产品的结合。

    很多年来，发光二极管(LED)广泛的应用于状态显示与点阵显示板。现在，不仅可以选择近期刚刚研发出来的蓝光和白光产品(普遍用于便携设备)，而且也能在已有的绿光、红光和黄光产品中选择。例如，白光LED被认为是彩色显示器的理想背光源。但是，必须注意这些新型LED产品的固有特性，需要为其设计适当的供电电源。本文描述了新、旧类型LED的特性，以及对驱动电源的性能要求。

    标准红光、绿光和黄光LED

    使LED工作的最简单的方式是，用一个电压源通过串接一个电阻与LED相连。只要工作电压(V_B)保持恒定，LED就可以发出恒定强度的光(尽管随着环境温度的升高光强会减小)。通过改变串联电阻的阻值能够将光强调节至所需要的强度。

    对于5mm直径的标准LED，图1给出了其正向导通电压(V_F)与正向电流(I_F)的函数曲线。[1] 注意LED的正向压降随着正向电流的增大而增加。假定工作于10mA正向电流的绿光LED应该有5V的恒定工作电压，那么串接电阻R_V 等于(5V -V_F,10mA)/10mA = 300。如数据表中所给出的典型工作条件下的曲线图(图2)所示，其正向导通电压为2V。

 

    图1. 标准红光、绿光和黄光LED具有1.4V至2.6V的正向导通电压范围。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 (OSRAM Opto Semiconductors的LE Q983)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。InGaN LED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。)

 

    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I_LED = 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(R_SET)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

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_SENSE与加载在CTRL输入上的电压共同决定。