做LED设计 要搞明白这两件事

我们在 LED 设计过程中，可能会有一些关键参数的含义并不是很清楚。本文着重分享一些LED容易忽略的关键参数。然后针对LED调光应用，介绍两种常见的PWM调光方法。

 

01

 

LED关键参数

 

1.1 主波长与峰值波长

 

 

 

我们在看数据手册的时候，可能会发现有两种不同的波长参数：“峰值波长”和“主波长” 。

 

 

 

我们以Kingbright 的 APT1608SURCK举例

 

 

 

根据数据手册,  当电流为20mA的时候，APT1608SURCK峰值波长为645nm，主波长为630nm

 

 

 

峰值波长 λ_P（PeakWavelength ) : 定义为光谱辐射功率最大处所对应的波长。简单的说就是它不代表人肉眼能看到的波长而是光学检测器能看到的波长。

 

 

 

主波长 λ_D（DominantWavelength）：眼睛能看到光源发出的主要光的颜色所对应的波长为主波长；通常看到的一束光，它并非是单一波长的光，它是由很多波长的光组合而成的。我们人眼感受到的是各波长作用的综合结果，感觉它对应于一个单一波长的光，这个波长值就是主波长λ_D。

 

 

 

 

一般来说，这两个参数并没有太大的不同，但在使用这两个参数进行选料时可以考虑我们的应用。例如，

• 如果LED用于光学仪器并且机器用于识别波长，则应使用峰值波长进行LED选料。
• 如果LED用于为显示器提供背光或以其他方式照亮或指示操作人员的某些内容，则应使用主波长进行LED选料。

1.2 流明（Lumens）流明是指用于测量光源发光强度的单位。如果说波长决定了我们看到LED的颜色，那么流明就决定了我们看到LED的亮度。

更多内容请参考：

 

• LED术语 

   

 我们还是以Kingbright 的 APT1608SURCK举例：  根据 数据手册

 

 在测试电流20mA下，LED流明最小可以到达120 mcd，典型值230mcd

 

 

 

亮度单位 mcd

 

 

 

发光二极管的亮度一般用发光强度 (Luminous Intensity) 表示,单位是坎德拉 cd。

 

 

 

一般而言，蜡烛光的发光强度大约为1cd。mcd即毫坎德拉， 1cd（坎德拉）= 1000mcd（毫坎德拉）。也就是说230mcd相当于1/4蜡烛的亮度。

 

更多内容请参考：

• 坎德拉与流明 

   

 

1.3 色温CCT

 

相关色温（ CCT ） ——是指以开氏度数（K）为单位的LED光度表示方式。

 

 

举例：Luminus的 MP-2016-1100-27-90

 

 

 

根据数据手册，色温在2700K

 

 

 

CCT 小于 5,000 K 时，计算 CRI 采用的参照光源符合黑体辐射源的光谱功率分布 (SPD) 规律。CCT 大于 5,000 K 时，则采用由日光数学模型计算出的假象 SPD。这两种参照光源最初选定，以便接近白炽灯泡和日光。上图所示为日光与一些常见光源（含白光 LED）的 SPD 对比。

 

 

更多内容请参考：

 

• LED术语

   

• 什么是颜色指数，以及为何它如此重要

   

 

1.4 显色指数 CRI

 

 

显色指数 —— 是指LED光源与自然光源之间的对比百分比。CRI（显色指数）的范围为0 - 100%。光源的CRI是指与阳光（阳光为100%）相比，光源重现物体颜色的最精确表示的能力。CRI并非用于测量的亮度或强度。CRI越高，在还原物体的精确颜色方面，光源就越接近阳光。

 

 举例：Luminus 的 MP-2016-1100-27-90

 

 根据 数据手册，在测试电流60mA条件下，显色指数CRI 有90%

 

   在摄影师的工作室中，高显色指数照明尤为重要；对于街道照明，则为获得能效而牺牲了显色指数。

 

 一般来说，冷白光荧光灯的 CRI 大概在 62，但荧光灯含有 CRI 值为 80 或以上的稀土荧光粉。汞蒸气灯性能差，CRI 为 45，卤素灯性能好，CRI  不低于 90，而紧凑型荧光灯 (CFL) 的 CRI 在 80 左右。

 

 

更多内容请参考：

 

• CRI——显色指数

   

• 什么是颜色指数，以及为何它如此重要

   

 1.5 Bin分级

 

 

分级 ——用于将LED进行分类排序，使同级别的LED拥有相似的光输出。分级可以理解为根据LED光的色度，亮度等不同参数归类到不同的级别。

 

 我们以Cree 的 CXA2520-0000-000N00R250F举例：

 

 根据数据手册，CXA2520-0000-000N00R250F 色温5000K, 最小显色指数70

 

某些厂家为了更好的将LED分类，会对LED进行色度测试，并放置在由以下边界坐标定义的区域之一  根据上图，该LED在50F组，因此将落入3A,3B,3C,3D区域。  

更多内容请参考：

 

• Cree (科锐）LED的分级

02

 LED PWM 调光应用

 

传统模拟调光法存在一些明显的缺点。其中主要有能效影响（输出亮度 (lm)/输入功率 (W)）、由于最小正向电流阈值造成的受限对比度、精确控制典型 LED 驱动器较大范围输出电流的设计复杂度增加，以及影响最大的是，LED 的相关色温 (CCT) 随正向电压/正向电流变化而变化。

 

 

 

• 用 PWM 调光解决 CCT 挑战

   

   

 

厂商规定了 LED 在特定正向电压/正向电流工作点下的 CCT。设计人员从特定 CCT“分档”中选择 LED，他们知道从该分档中选择的所有产品都将发出几乎相同的 CCT。虽然领先制造商通常还提供 CCT 如何随正向电压/正向电流变化的信息，但他们并不保证特定产品在超出推荐参数以外的工作点的性能。尤其是，LED制造商不保证来自相同分档的器件在建议工作点以外的任何点产生相同的 CCT。下图说明了 OSRAM LED 的色度坐标（决定其 CCT）如何随正向电流变化。

 

 

 

 

LED 的色度和 CCT 随正向电压变化。在较大范围的正向电流中，可以通过肉眼观察这些变化。（来源：OSRAM）

 

 

 

LED亮度在非常低的直流电流下一般会有很大的光输出误差。当LED偏置小于其额定电流的0.1%时，这些误差就会发生。真正的PWM避免了这种情况，因为LED电流是恒定的，在所有亮度水平下都接近高电平。

 

 

 

更多内容请参考：

 

 

• 用PWM调光技术给LED调光

   

 

介绍两种常见的PWM调光方法：

 

 

 

2.1 带低通滤波PWM调光

 

 

 

我们以TI LED驱动器TPS61165举例：下图是一个具有低通滤波PWM输入的典型的LED驱动器升压电路，使用的是照明用白色LED。

 

 

(图片来源于TI)

 

 上面的电路中，LED驱动器中结合了一个LPF，并结合了一个外部复位。逻辑电平PWM信号被缓冲和电平移位，因此它在参考电压(VBG)和地（GND）之间摆动。然后，滤波后的信号用作升压误差放大器的参考，迫使FB节点调节到VREF，以便设置LED电流通过低侧电阻R1。

 

 下面是TPS61165(低通滤波PWM)波形

 

(图片来源于TI)

 

 滤波PWM的主要缺点是:

 

 1.当PWM占空比从0到100%快速变化时，升压输出电压的响应缓慢。这主要是由于LED正向电压的变化导致升压输出电压需要在不同的电平之间转换。

 

 2.当滤波后的参考电压变得非常小时引入偏移误差（offset errors）。

 

 偏移误差是这类控制的主要问题。由于VREF变得非常低(低占空比)，误差放大器的偏移量成为参考电压的很大一部分。为了纠正这一点，要么必须进行微调，要么必须使用更复杂的偏移抵消放大器。图3显示了LED电流设定点上偏移电压(VOS)的有效框图。这可以建模为误差放大器+输入处参考电压的偏移(VOS可以是正的也可以是负的)。对于正VOS， D = 0时可以实现的最小LED电流。

 

(图片来源于TI)

 

 2.2 采样PWM调光

 

 对低通滤波PWM调光方法的改进是对PWM进行采样，PWM输入信号被转换为数字代码，并将该数字代码应用于内部DAC。因为这是为更高性能的LED驱动器设计的，所以这主要用在集成电流源的产品上。此外，这些器件提供了将PWM输入与I2C占空比代码相结合的能力。

 

 举例：TI 的 LM36923

 

 PWM采样调光典型框图

 

(图片来源于TI)

 

 由于采样把PWM转换为代码，因此偏移电压的问题变成了LSB大小问题。这可以从下图中看到，其中最小电流为50µA(相当于LM36923器件11位调光响应中的代码1)。并且包括了超时计数器，以确保0占空比下的0电流。

 

(图片来源于TI)

 

采样PWM的主要缺点是驱动采样器所需的静态电流较高。这主要是由于使用的是高频振荡器。

 

 采样PWM (相对于滤波PWM)的主要优点如下:

 

 1.允许将PWM输入映射到指数调光曲线(或任何其他可用的映射模式)。

 

2.允许LED电流在占空比变化之间斜坡。使用可编程斜坡可以将低分辨率PWM占空比输入转换为更高分辨率的电流斜坡。

 

3.数字滤波器(可编程迟滞)可用于消除可能导致LED亮度闪烁的PWM输入中的抖动。

 

4.允许低频PWM输入。由于PWM输入转换为数字代码，因此避免了低频PWM所需的大型低通滤波器。

 

5.允许更快地响应占空比的变化。由于PWM采样时钟远高于PWM输入频率，因此可以在单个PWM周期内解释占空比的任何变化。然而，当PWM占空比偏差较大时，LED电压的波动会成为瓶颈。

 

更多内容请参考：

 

• TILED PWM调光应用笔记

   

   

     

总结

随着传统照明到发光二极管 (LED) 的快速发展, 设计人员的难点在于，与传统白炽灯或日光灯照明不同，要在保持光线质量的同时对 LED 调光并非易事。虽可进行模拟调光，但这会造成明显的色度和发射光“温度”偏移。了解LED的关键参数与LED调光的方法，帮你事半功倍。

 

 

 

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小编的话

LED的参数和调光是LED照明系统设计的关键要素。在LED的参数选择上，需要考虑到应用场景、视觉需求、色彩还原等因素，而在调光设计方面，则需要采用合适的调光技术和控制策略，以实现平滑、稳定的调光效果。相信通过这篇文章，小伙伴们在进行LED相关设计时，能够更为准确的根据项目需要来进行选择。您对LED的参数和调光有哪些问题？您在进行LED照明设计时有哪些经验？欢迎留言，分享交流！    

 

 

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