1、LED百科全书 技术工程师必备知识手册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，George 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
2、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
3、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，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
4、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、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
5、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3mm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
6、)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
7、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，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80004000K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
8、性的白光LED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
9、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LED+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
10、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，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
11、、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。
12、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
13、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
14、LED的温度与光通量关系曲线。 一般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当电阻选定
15、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，以使通过LED的电流保持恒定。 由于分流调节器需
16、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。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
17、、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)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
18、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
19、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。 PWMDimming(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
20、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(audiblenoise，或者microphonicnoise)。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、chargepump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。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
21、号作用于普通的绕线电感(wirewindingcoil)，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
22、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
23、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
24、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
25、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6WLED。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
26、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，
27、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。MA
28、X1553限流为480mA，可驱动2至6只白色LED;MAX1554限流为970mA，可驱动多达10只白色LED。一个模拟/PWMDualModeTM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TDFN3mmx3mm封装。美信MAX1576480mA白色LED1x/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
29、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、按键区和照相机闪光等应用。 LP3954背光发光二极管驱动器可以控制手持式电子产品发出的各种不同的灯
30、光，最适用于移动电话、数码相机、电子游戏机及MP3播放机。 LP3954的灯光管理单元采用小巧的microSMD封装，内含两个背光驱动器、一个双组装红绿蓝光发光二极管控制器、一个闪灯发光二极管驱动器及一个A/D转换器，以上电路全部集成在这颗单芯片之内。在这些内置的电路之中，高度集成的磁力升压DC/DC转换器负责驱动高电流负载，其优点是适用于电池电压范围，而且效率极高。 LP3954芯片是专门管理便携式系统灯光的管理单元，可以驱动两组各自独立控制的白光发光二极管背光系统，分别为主及副显示屏幕提供背光。部分便携式系统可能只有一个加大的显示屏幕，在这种情况下，各单元可以汇集一起，一同驱动高达6个发光
31、二极管。此外，这两个背光驱动器除了可以调节所有发光二极管，以确保亮度均匀之外，还设有自动调节光暗的功能。 飞兆半导体FAN5611/12/13/14PDA/MP3等低端LED背光源应用IC。FAN5613是FAIRCHILD公司生产的低压差白色LED驱动器，能并联驱动4个白色LED。主要特点:压差小于300mV;4个并联的LED电流匹配，差值3%;无需外围元件来匹配4个LED的均流;每个LED最大电流可达40mA;有EN端可实现关闭，关闭状态时耗电1A;并且可输入PWM信号实现LED的亮度调节;小尺寸8管脚SC-70封装;工作温度-40+85。飞兆半导体FAN5609三态泵式背光源驱动(420
32、mA)80mAPDA、DSC、MP3PlayersFAN5609驱动器如何在LED之间提供电流匹配，而无需使用限流电阻。唯一缺点是每个LED都需要连接到驱动器。并非所有并联LED驱动器都需要升压电路。白光LED需要的正向电压相对较高。最新的技术趋势是将该电压降低-低于3V。 LED大屏幕参考设计 LED显示屏发展经历了三个阶段： 1.1990年以前LED显示屏的成长形成时期。一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4级调灰，产品的成本比较高。 2.1990-1995年，这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期。进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场;电子计算机及微电子领域的技术发展，在
