LED电路设计和LED基础知识与操作指南

多年来，发光二极管（LED）一直是用于状态显示器和矩阵面板的热门选择。现在，您可以选择最近开发的蓝色和白色类型（广泛用于便携式设备）以及无处不在的绿色，红色和黄色类型。例如，白色LED被认为是彩色显示器的理想背景照明。但是，在为这些新型LED设备设计电源时，您应该注意这些新LED设备的固有特性。本文介绍新旧 LED 的特性，以及激活它们的电源所需的性能。

标准红色、绿色和黄色 LED

操作 LED 的最简单方法是使用串联电阻在其上施加电压源。只要工作电压（VB）保持不变（尽管强度随着环境温度的升高而降低）。您可以通过更改电阻值来根据需要改变光强度。

对于直径为5mm的标准LED，图1显示了正向电压（VF） 与正向电流 （IF).请注意，LED 两端的压降随着正向电流的增加而增加。假设具有10mA正向电流的单个绿色LED应具有5V的恒定工作电压，则串联电阻RV等于 （5V -VF，10毫安）/10mA = 300Ω。正向电压为2V，如数据手册中的典型工作条件图所示（图2）。

图1.标准红色、绿色和黄色 LED 的正向电压范围为 1.4V 至 2.6V，具体取决于所需的亮度和正向电流的选择。对于低于10mA的正向电流，正向电压仅变化几百毫伏

图2.串联电阻器和恒压电源提供了一种操作 LED 的简单方法。

像这样的商品二极管是用镓-砷化物-磷组合生产的。它们易于操作，大多数设计工程师都知道，它们具有许多优点：

发射颜色（发射波长）随着正向电流、工作电压和环境温度的变化而保持相对恒定。标准绿色LED发射约565nm的波长，公差小，仅为25nm。并行操作多个这样的 LED 不会出现问题（图 3），因为色差非常小。正向电压的正常变化会产生光强度的细微差异，但这些差异也很小。您通常可以忽略来自同一制造商和批次的 LED 之间的任何差异。

正向电压在正向电流高达约10mA时变化不大。红色LED的变化约为200mV，其他颜色的变化约为400mV（图1）。

对于低于10mA的正向电流，正向电压远低于蓝色或白色LED，这允许直接从Li+电池或三节NiMH电池进行低成本操作。

图3.所示配置并行操作多个红色、黄色或绿色 LED，色差或亮度变化非常小。

因此，运行标准LED的电力成本相当低。如果 LED 的工作电压高于其最大正向电压，则无需使用升压转换器或复杂且昂贵的电流源。

这些LED甚至可以直接在Li+或三节NiMH电池上运行，只要应用能够承受电池放电时光强度的降低。

蓝色指示灯

发出蓝光的 LED 长时间不可用。设计工程师只能依靠现有的红色、绿色和黄色。早期的“蓝色”设备实际上不是蓝色LED，而是用蓝色扩散器包围的小型白炽灯泡。

第一批“真蓝光”LED是几年前使用纯硅碳材料（SiC）开发的，但它们的光效率很差。下一代器件采用氮化镓基材，其光效率是第一个版本的几倍。今天用于蓝光LED的外延材料称为氮化铟镓（InGaN）。InGaN LED的发光波长范围为450nm至470nm，产生的光强度是氮化镓LED的五倍。

白光灯

真正的白光发光 LED 不可用。这样的设备很难制造，因为LED通常发射一个波长。白色不会出现在色谱中;相反，感知白色需要混合波长。

使用一种技巧来制作白光 LED。发光的InGaN基材覆盖着转换器材料，当受到蓝光刺激时会发出黄光。结果是蓝色和黄色光的混合物，被眼睛感知为白色（图4）。

图4.白光LED（实线）的发射波长包括蓝色和黄色区域的峰值，但被人眼解释为白光。显示了人眼的相对感光度（虚线曲线）以进行比较。

白色 LED 的颜色由颜色坐标定义。这些 X 和 Y 坐标的值是根据国际委员会 （CIE） 出版物 15.2 中的说明计算的。白光 LED 的数据手册通常指定这些颜色坐标会随着正向电流的增加而变化（图 5）。

图5.正向电流的变化会改变白光 LED（欧司朗光电半导体的 LE Q983）的色度坐标，从而改变其白光的质量。

不幸的是，InGaN技术的LED并不像标准的绿色，红色和黄色类型那样容易处理。InGaN LED 的主波长（颜色）随正向电流而变化（图 6）。例如，白光LED由于不同浓度的转换器材料而表现出色偏，此外，蓝光发射InGaN材料的波长随正向电压而变化。这种颜色变化如图 5 所示，其中 X 和 Y 坐标的偏移意味着颜色变化。（如前所述，白光LED没有特定的波长。

图6.增加的正向电流通过改变其发射波长来改变蓝色LED的色调。

正向电压变化很大，正向电流高达10mA。变化范围约为800mV（某些二极管类型变化更大）。因此，由电池放电引起的工作电压变化会改变颜色，因为工作电压的变化会改变正向电流。在10mA的正向电流下，正向电压约为3.4V（该量因制造商而异，范围为3.1V至4.0V）。电流-电压特性也因LED而异（见下文）。直接从电池操作 LED 很困难，因为大多数电池的放电状态低于 LED 所需的最小正向电压。

并联操作白光 LED

许多便携式和电池供电的设备使用白色LED进行背景照明。特别是，PDA的彩色显示器需要白色背光才能获得接近原始的色彩再现。未来的3G手机将支持需要白光背光照明的图片和视频数据。数码相机、MP3 播放器和其他视频和音频设备还包括需要白色背光的显示器。

在大多数情况下，单个白光LED是不够的，因此必须同时操作多个。必须采取特殊步骤以确保它们的强度和颜色匹配，即使电池充电和其他条件不同。

图7显示了一组随机选择的白光LED的电流-电压曲线。向这些LED施加3.3V电压（上虚线）会产生2mA至5mA范围内的正向电流，进而产生不同深浅的白色。特别是Y坐标在此区域变化很大（图5），导致照明显示器中色彩再现不真实。LED还具有不同的光强度，从而产生不均匀的照明。另一个问题是所需的最小电源电压。要操作 LED，需要远高于 3V 的电压。低于该水平，几个 LED 可能会保持完全黑暗。

图7.这些曲线说明了白光LED的电流-电压特性存在相当大的差异，即使是从同一生产批次中随机选择的白光LED。因此，在恒定的3.3V（上虚线）下并联运行多个这样的LED，会产生不同深浅的白色和不同的亮度。

锂离子电池在充满电时提供 4.2V 的输出电压，在短时间工作后降至标称 3.5V。随着电池放电，该电压进一步下降到3.0V。如果白光LED直接由电池供电，如图3所示，则会出现以下问题：

首先，当电池充满电时，所有二极管都发光，但具有不同的光强度和颜色。当电池电压下降到其标称水平时，光强度降低，白光差异变大。因此，设计人员必须考虑计算串联电阻的电池电压和二极管正向电压的值。（电池完全放电后，某些 LED 将完全变暗。

带电流控制的电荷泵

LED电源的目标是提供足够高的输出电压，并强制相同的电流通过所有并联的LED。请注意（图 5），如果并联配置的所有白光 LED 具有相同的电流，则所有白光 LED 都将具有相同的色度坐标。Maxim为此提供带电流控制的电荷泵（MAX1912）。

在图8所示的三个LED并联配置中，电荷泵为大规模类型，可将输入电压提高1.5倍。早期的电荷泵只是使输入电压翻了一番，但这种新技术提供了更好的效率。输入电压被提升到仅允许LED工作的水平。连接到 SET 的电阻网络（引脚 10）可确保所有 LED 中的电流相同。内部电路将SET电压保持在200mV，因此通过任何LED的电流可以计算为I发光二极管= 200mV/10Ω = 20mA。如果某些二极管需要较低的电流水平，则可以并联工作三个以上，因为MAX1912可提供高达60mA的电流。更多应用和原理图请参考MAX1912数据资料。

图8.该IC将电荷泵与电流控制相结合。电荷泵为白光LED提供足够的工作电压，电流控制通过强制相同的电流通过每个LED来确保均匀的白光。

简单的电流控制

如果系统提供的电压高于二极管的正向电压，则白光LED可以轻松操作。例如，数码相机通常包括+5V电源。在这种情况下，您不需要升压功能，因为电源电压包含足够的裕量来驱动LED。对于图8电路，应选择匹配的电流源。例如，MAX1916可以并联驱动多达9个LED（图<>）。

图9.单个外部电阻器 （R设置） 对施加到每个 LED 的相同电流值进行编程。将脉宽调制信号施加到该IC的使能引脚（EN）上，可产生简单的亮度控制（调光功能）。

操作简单：电阻 R设置对强制通过所连接 LED 的电流进行编程。这种方法占用的电路板空间非常小。除了IC（小型6引脚SOT23封装）和几个旁路电容器外，它还需要一个外部电阻器。该 IC 在 LED 之间提供 0.3% 的出色电流匹配。这种配置提供相同的色度位置，因此每个LED的白光类型相同。

调光变化光强度

一些便携式设备根据环境光条件控制其光输出强度，而其他便携式设备则在短暂的待机间隔后通过软件降低光强度。这两种操作都需要对LED进行调光，并且这种调暗功能应以相同的方式影响每个正向电流，以避免色度协调的可能偏移。这种均匀性可以通过控制通过R的电流的小型数模转换器来实现。设置电阻器。

6位分辨率转换器，如MAX5362，具有I2C*兼容接口或MAX5365具有SPI™兼容接口，可实现具有32级光强度的调光功能（图10）。来自LED的白光类型随着亮度的变化而变化，因为正向电流会影响色度坐标。这应该不是问题，因为相同的正向电流会导致组中的每个二极管发出相同的光。

图 10.该数模转换器通过一致改变其正向电流来控制LED的调光。

色度坐标不移动的暗函数称为脉宽调制。大多数提供使能或关断功能的电源设备都可以实现这一点。例如，MAX1916通过将EN拉低，将流过LED的漏电流限制在1μA。结果是零光发射。将 EN 拉高可引导编程的正向电流通过 LED。如果将脉宽调制信号应用于EN，则亮度与该信号的占空比成正比。

色度坐标不会移动，因为每个 LED 继续看到相同的正向电流。然而，人眼将占空比的变化视为亮度的变化。人眼无法分辨25Hz以上的频率，因此200-300Hz的开关频率是PWM调光的不错选择。较高的频率可能会导致问题，因为色度坐标可能会在打开和关闭LED所需的短暂间隔内发生变化。PWM 信号可以从微处理器的 I/O 引脚或其外围设备之一提供。可用的亮度步进数取决于用于该目的的计数器寄存器的宽度。

开关模式升压转换器具有电流控制功能

除了上述电荷泵（MAX1912）外，还可以实现带电流控制的升压转换器。例如，MAX1848开关模式电压转换器产生高达13V的输出电压，足以驱动多达11个串联的LED（图<>）。这种方法可能是最干净的，因为所有串联的LED都具有完全相同的电流。LED 电流由 R 确定意义以及施加到 CTRL 输入的电压。

图 11.相同的正向电流，通过 CTRL 输入（例如）D/A 转换器进行控制。

MAX1848可根据上述任一方法实现调光功能。通过LED的正向电流与施加到CTRL引脚的电压成正比。由于MAX1848在施加于CTRL的电压低于100mV时进入关断模式，因此还可以实现PWM调光功能。

总结

白光 LED 可以并联运行，如果您注意通过使其正向电流相等来确保均匀白光的发射。要操作 LED，请选择受控电流源或升压转换器与电流控制的组合。使用电荷泵或开关升压转换器，您可以使用一些标准产品实现这种组合。

审核编辑：郭婷