LED的驅(qū)動電路

LED是一種固體光源，半導體中的載流子在兩端加上正向電壓下發(fā)生復合，放出能量引起光子發(fā)射。作為一種新的光源，近年來我廠與研究機構(gòu)對LED的不斷開發(fā)，使發(fā)光效率得很大提高。我們已研發(fā)并生產(chǎn)出光效達到150m/W的白色LED，已接近白熾燈的水平。和白熾燈的相比較，LED在性能上具有很多優(yōu)點，見下表：

隨著對LED研究的進一步深入，其光效將進一步得到提高，而其成本將一步下降，在不久的將來LED取代白熾燈甚至熒光燈而發(fā)展成21世紀的一種主要的照明光源將成為一種趨勢。

新的光源呼喚新的電子鎮(zhèn)流器，我廠照明電子在致力研發(fā)新的LED的同時，已于近年在全球各大開發(fā)中心開始了LED驅(qū)動電路的研究，在此研發(fā)領域已占據(jù)了世界靠前的的地位。

LED的正向伏安特性如圖1所示：

所以，LED伏安特性的數(shù)字模型可用下式表示

VF=Vt+RsIF+（ΔVF/ΔT）（T-25℃） （1）

其中，Vt 是LED的啟動電壓
Rs 表示伏安曲線的斜率
T 環(huán)境溫度
ΔVF/ΔT是LED正向電壓的溫度系數(shù)。

從LED的伏安曲線及數(shù)字模型看，LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募毿∽儎訉⒁餖ED電流的很大變化，并且，環(huán)境溫度，LED老化時間等因素也將改變影響LED的電氣性能。而LED的光輸出直接與LED電流相關，所以LED驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下最好能控制LED電流的大小。否則，LED的光輸出將隨輸入電壓和溫度等因素變化而變化，并且，若LED電流失控，LED長期工作在大電流下將影響LED的可靠性和壽命，并有可能失效。

我廠近年來致力于LED驅(qū)動電路的開發(fā)，已研發(fā)出多種不同的功能的LED驅(qū)動電路以適合各方面客戶的需求，產(chǎn)品已不斷替代傳統(tǒng)白熾燈具用于：景觀照明，建筑裝飾，路標，大屏幕顯示背光源等。

簡單的LED驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)如圖所示：

在實際運用中，負載常采用通過串并聯(lián)形成的LED陣列，這會使輸出電流隨輸入電壓和環(huán)境溫度等因素而發(fā)生的變化更加顯著，并且陣列形式或LED個數(shù)變化，限流電阻也應相應變化，所以采用這種簡單結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動電路一般只適合于驅(qū)動陣列形式固定的，并且燈個數(shù)較少的LED陳列。

這種LED驅(qū)動電路組成：電源隔離變壓器，AC-DC整流器和限流電阻；變壓器起到隔離和變壓的作用，而限流電阻的作用主要是控制LED電流，限流電阻R應該比LED的正向等效電阻Rs要大，這樣才能克服LED電流隨輸入電壓和環(huán)境溫度等因素而產(chǎn)生的變化，但是從效率角度，卻不應取得太大。

在開發(fā)的另外一個高檔次的LED驅(qū)動電路系列的產(chǎn)品中，引入了電壓或電流反饋控制環(huán)節(jié)。用戶可以根據(jù)需要改變負載LED陣列形式和LED個數(shù)，得到不同的輸出功率。同時該驅(qū)動電路也克服了因輸入電壓，環(huán)境溫度等因素而LED燈光的顏色易變動等弊端，功率因數(shù)達到0.9以上，THD可做到20%以下，壽命可達到50000小時以上，同時還可完成從100%到1%的調(diào)光功能，并且此系列產(chǎn)品還具備過壓和過流保護功能。

其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

LED驅(qū)動電路主體結(jié)構(gòu)采用flyback結(jié)構(gòu)，Mosfet的通斷由控制IC控制。這種結(jié)構(gòu)在完成向負載提供直流電壓的同時，既實現(xiàn)了功率因數(shù)的校正，又完成了負載與電源的隔離。

LED驅(qū)動電路的另一個任務是使LED的負載電流能夠在各種因素的影響下都能控制在預先設計的水平上。電路將一個基準電壓或電流信號Sref與LED負載電壓或電流信號Sload送入信號控制模塊中進行比較，誤差信號經(jīng)處理后送回初級控制IC中進行處理，當負載電流因各種因素而產(chǎn)生變化時，初級控制IC可以通過控制開關使負載電流回到初始設計值上。

為了進一步開拓LED的應用領域，我廠近期研發(fā)成功了一種針對LED的數(shù)字控制系統(tǒng)，使用戶能夠在很大范圍內(nèi)對LED的亮度，顏色和色調(diào)進行任意調(diào)節(jié)，獲得了很大的成功。

在日常生活中，照明的顏色，色調(diào)，亮度和方向都會極大地影響氛圍和人的情緒，看書時你也許需要光亮一點，看電視時則希望光暗一些，而如果想開一個聚會，那您可能希望用紅色并柔和的光來渲染節(jié)日的氣氛。近年來不同顏色LED的不斷研發(fā)成功使這種需求有了實現(xiàn)的可能，而我廠LED數(shù)字RGB混合控制系統(tǒng)的研發(fā)成功則使這種可能轉(zhuǎn)化為了現(xiàn)實。當然，這種系統(tǒng)也可用于LED的背光照明系統(tǒng)，這樣您就可以根據(jù)您的需要任意改變LED的背景顏色，色調(diào)和亮度。

我廠研發(fā)的LED數(shù)字RGB控制系統(tǒng)通過調(diào)配紅、綠、藍三種LED發(fā)出光的強度，在一定溫度范圍內(nèi)和在LED整個壽命周期內(nèi)都能達到不同亮度不同顏色不同色調(diào)的光輸出。利用光電二極管對三種顏色的光進行采樣，然后利用DSP及控制算法完成對三種光的混合從而最終達到對光的強度，顏色和色調(diào)的控制。三個光電二極管分別對三種顏色進行采樣，并轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大濾波后分別進入三個PWM轉(zhuǎn)換器，DSP對三個采樣信號進行軟件處理后通過對PWM的調(diào)節(jié)控制以達到對流經(jīng)三個LED電流的控制，進而完成對光最終的強度，顏色和色調(diào)的控制。

本系統(tǒng)克服了LED因批量性能容差，環(huán)境溫度等因素而產(chǎn)生的性能偏差，通過精確的軟件控制，在任意情形下都能達到穩(wěn)定的，高質(zhì)量的，顏色，色調(diào)和亮度都可隨意調(diào)控的光。并且在本系統(tǒng)中也設計了友好的人界面，使用戶能夠?qū)刂茀?shù)任意設定，從而能自如地使用這種人性化的照明系統(tǒng)。

1970年代最早的GaP、GaAsP同質(zhì)結(jié)紅、黃、綠色低發(fā)光效率的LED已開始應用于指示燈、數(shù)字和文字顯示。從此LED開始進入多種應用領域，包括宇航、飛機、汽車、工業(yè)應用、通信、消費類產(chǎn)品等，遍及國民經(jīng)濟各部門和千家萬戶。到1996年LED在全世界的銷售額已達到幾十億美元。盡管多年以來LED一直受到顏色和發(fā)光效率的限制，但由于GaP和GaAsP LED具有長壽命、高可靠、工作電流小、可與TTL、CMOS數(shù)字電路兼容等許多優(yōu)點因而卻一直受到使用者的睞。

最近十年，高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工藝技術(shù)研究的前沿課題。超高亮度(UHB)是指發(fā)光強度達到或超過100mcd的LED，又稱坎德拉(cd)級LED。高亮度A1GaInP和InGaN LED的研制進展十分迅速，現(xiàn)已達到常規(guī)材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能達到的性能水平。1991年日本東芝公司和美國HP公司研制成InGaA1P 620nm橙色超高亮度LED，1992年InGaA1p590nm黃色超高亮度LED實用化。同年，東芝公司研制InGaA1P 573nm黃綠色超高亮度LED，法向光強達2cd。1994年日本日亞公司研制成InGaN 450nm藍(綠)色超高亮度LED。至此，彩色顯示所需的三基色紅、綠、藍以及橙、黃多種顏色的LED都達到了坎德拉級的發(fā)光強度，實現(xiàn)了超高亮度化、全色化，使發(fā)光管的戶外全色顯示成為現(xiàn)實。 我國發(fā)展LED起步于七十年代，產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)于八十年代。全國約有100多家企業(yè)，95%的廠家都從事后道封裝生產(chǎn)，所需管芯幾乎全部從國外進口。通過幾個“五年計劃”的技術(shù)改造、技術(shù)攻關、引進國外先進設備和部分關鍵技術(shù)， 使我國LED的生產(chǎn)技術(shù)已向前跨進了一步。

超高亮度LED的性能:

超高亮度紅A1GaAsLED與GaAsP-GaP LED相比，具有更高的發(fā)光效率，透明襯低(TS)A1GaAs LED(640nm)的流明效率已接近10lm/w，比紅色GaAsP-GaP LED大10倍。超高亮度InGaAlP LED提供的顏色與GaAsP-GaP LED相同包括:綠黃色(560nm)、淺綠黃色(570nm)、黃色(585nm)、淺黃(590nm)、橙色(605nm)、淺紅(625nm深紅(640nm)。透明襯底A1GaInP LED發(fā)光效率與其它LED結(jié)構(gòu)及白熾光源的比較，InGaAlP LED吸收襯底(AS)的流明效率為101m/w，透明襯底(TS)為201m/w，在590－626nm的波長范圍內(nèi)比GaAsP-GaP LED的流明效率要高10－20倍；在560－570的波長范圍內(nèi)則比GaAsP-GaP LED高出2－4倍。超高亮度InGaN LED提供了蘭色光和綠色光，其波長范圍蘭色為450－480nm，蘭綠色為500nm，綠色為520nm；其流明效率為3－151m/w。

超高亮度LED目前的流明效率已超過了帶濾光片的白熾燈，可以取代功率1w以內(nèi)的白熾燈，而且用LED陣列可以取代功率150w以內(nèi)的白熾燈。對于許多應用，白熾燈都是采用濾光片來得到紅色、橙色、綠色和蘭色，而用超高亮度LED則可得到相同的顏色。近年AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED將多個(紅、蘭、綠)超高亮度LED芯片組合在一起，不用濾光片也能得到各種顏色。包括紅、橙、黃、綠、藍，目前其發(fā)光效率均已超過白熾燈，正向熒光燈接近。發(fā)光亮度已高于1000mcd，可滿足室外全天候、全色顯示的需要，用LED彩色大屏幕可以表現(xiàn)天空和海洋，實現(xiàn)三維動畫。新一代紅、綠、藍超高亮度LED達到了前所未有的性能。

超高亮度LED的應用:

1．信息指示燈

汽車信號指示:汽車指示燈在車的外部主要是方向燈、尾燈和剎車燈；在車的內(nèi)部主要是各種儀表的照明和顯示。超高亮度LED用于汽車指示燈與傳統(tǒng)的白熾燈相比具有許多優(yōu)點，在汽車工業(yè)中有著廣泛的市場。LED能夠經(jīng)受較強的機械沖擊和震動。平均工作壽命MTBF比白熾燈泡高出幾個量級，遠遠高出汽車本身的工作壽命，因此LED剎車燈可封裝成一個整體，而不必考慮維修。透明襯底Al.GaAs和AlInGaP LED與帶有濾光片的白熾燈泡相比具有相當高的流明效率，這樣LED剎車燈和方向燈就能夠在較低的驅(qū)動電流下工作，典型的驅(qū)動電流只有白熾燈的1/4，從而降低了汽車用于行駛距離。

較低的電功率還可降低汽車內(nèi)部線路系統(tǒng)的體積和重量，同時還可減小集成化的LED信號燈的內(nèi)部溫升，允許透鏡和外罩使用耐溫性能較低的塑料。LED剎車燈的響應時間為100ns，比白熾燈的響應時間短，這樣便給司機留下了更多的反應時間，從而提高了行車的安全保證。汽車的外部指示燈的照度及顏色均有明確規(guī)定。汽車的內(nèi)部照明顯示雖不像外部信號燈那樣受到***有關部門的控制，但汽車的制造者對LED的顏色及照度有要求。GaP LED早已用于車內(nèi)，超高亮度AlGaInP和InGaN LED由于在顏色和照度上可滿足制造者的要求，因而將更多的取代車內(nèi)白熾燈。從價格上看，盡管LED燈與白熾燈相比還是較貴的，但從整個系統(tǒng)來看，二者的價格并沒有明顯的差別。隨著超高亮度TS AlGaAs和AlGaInP LED實用化的發(fā)展，最近幾年價格一直在不斷降低，今后降低的幅度還會更大。

交通信號指示:用超高亮度LED取代白熾燈，用于交通信號燈、警示燈、標志燈現(xiàn)已遍及世界各地，市場廣闊，需求量增長很快。根據(jù)美國交通部門1994年的統(tǒng)計，美國安裝交通信號燈的十字路口有26萬個，每個十字路口至少要有12個紅色、黃色、藍綠色信號燈。許多十字路口還有一些附加的轉(zhuǎn)變標志和跨越馬路的人行橫道警示燈。這樣，每個十字路口可有20信號燈，而且要同時發(fā)光。由此可推算出美國全國約有1.35億個交通信號燈。目前采用超高亮度LED取代傳統(tǒng)的白熾的燈降低電力損耗已取得明顯效果。日本每年在交通信號燈上的耗電量約為100萬千瓦，采用超高亮度LED取代白熾燈后，其耗電量僅為原來的12%。

交通信號燈每個國家的主管部門都要制定相應的規(guī)范，規(guī)定信號的顏色、最低的照明強度，光束空間分布的圖樣以及對安裝環(huán)境的要求等。盡管這些要求是按白熾燈編寫的，但對目前采用的超高亮度LED交通信號燈基本上是適用的。 LED交通信號燈與白熾燈相比，工作壽命較長，一般可達到10年，考慮到戶外惡劣環(huán)境的影響，預計壽命要減少到5－6年。目前超高亮度AlGaInP紅、橙、黃色LED已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，價格也比較便宜，若用紅色超高亮度LED組成的模塊取代傳統(tǒng)的紅色白熾交通信號燈頭則可將因紅色白熾燈突然失效給安全造成的影響低到最低程度。一般LED交通信號模塊由若干組串聯(lián)的LED單燈組成，以12英寸的紅色LED交通信號模塊為例，在3－9組串聯(lián)的LED單燈，每組串聯(lián)的LED單燈數(shù)為70－75個(總數(shù)為210－675LED單燈)，當有一個LED單燈失效時，只會影響一組信號，其余各組減小到原來的2/3(67%)或8/9(89%)，并不會像白熾燈那樣使整個信號燈頭失效。

LED交通信號模塊的主要問題是造介仍然顯得高些，以12英寸的TS-AlGaAs紅色LED交通信號模塊為例，最早應用于1994年，其造價為350$，而到1996年性能更好的12英的AlGaInP LED交通信號模塊，造價則為200$。預計今后不會很久，InGaN藍綠色LED交通信號模塊的價格將可與AlGaInP相比。白熾交通信號燈頭的造價雖低，但耗電量大，一個直徑12英寸的白熾交通信號燈頭的耗電量為150W，橫過馬路人行道的交通警示燈的耗電量為67W，據(jù)計算，每個十字路口的白熾信號燈每年的耗電量為18133KWh，折合每年電費為1450$；然而LED交通信號模塊則非常省電，每個8－12英寸的紅色LED交通信號模塊耗電量分別為15W和20W，十字路口拐彎處的LED標志可用箭頭開關顯示，耗電量僅有9w，據(jù)計算，每個十字路口每年可省電9916KWh，相當每年節(jié)省電費793$。按每個LED交通信號模塊的平均造價200$計，紅色LED交通信號模塊僅用其節(jié)省的電費，3年后即可收回最初的成本造價，并開始不斷得到經(jīng)濟回報。因此目前使用AlGaInP LED交通信息模塊，盡管造價顯得地，但從長看，還是合算的。

2．大屏幕顯示

大屏幕顯示是超高亮度LED應用的另一巨大市場，包括:圖形、文字、數(shù)字的單色、雙色和全色顯示。在表2中列出了LED顯示的各種用途。傳統(tǒng)的大屏幕有源顯示一般采用白熾燈、光纖、陰極射線管等；無源顯示一般采用翻牌的方法。表3列出了幾種顯示的性能比較。LED顯示曾一直受到LED本身性能和顏色的限制。如今，超高亮度AlGaInP、TS-AlGaAs、InGaN LED已能夠提供明亮的紅、黃、綠、藍各種顏色，可完全滿足實現(xiàn)全色大屏幕顯示的要求。LED顯示屏可按像素尺寸裝配成各種結(jié)構(gòu)，小像素直徑一般小于5mm，單色顯示的每個像素用一個T-1(3/4)的LED燈，雙色顯示的每個像素為雙色的T-1(3/4)的LED燈，全色顯示則需要3個T-1紅、綠、藍色燈，或者裝配一個多芯片的T-1(3/4)的LED燈作為一個像素。大像素則是通過把許多T-1(3/4)紅、綠、藍色LED燈組合在一起構(gòu)成的。用InGaN(480nm)藍、InGaN(515nm)綠和ALGaAS(637nm)紅LED燈作為LED顯示的三基色，可以提供逼真的全色性能，而且具有較大的顏色范圍包括:藍綠、綠紅等，與國際電視系統(tǒng)委員會(NTSC)規(guī)定的電視顏色范圍基本相符。

3．液晶顯示(LCD)的背照明

在液晶顯示中至少有10%采用有源光作為背照明，光源可使LCD顯示屏的黑暗的環(huán)境下易讀，全色LCD顯示也需要光源。LCD背照明所需的光源主要有:白熾燈泡、場致發(fā)光、冷陰極熒光、LED等，它們被列于表4進行比較，其中LED在LCD背照明中最有競爭力，新型的超高亮度AlGaInP、AlGaAs、InGaN LED可以提供高效率的發(fā)光和寬范圍的顏色。

LED用于LCD背照明主要有三種方式。(1)最簡單是把LED燈直接安裝在LCD散射膜的后面，可用許多封裝的LED燈，它們應當具有非常寬的光束角，以使軸向光均勻性較好。也可以采用未封裝的管芯，一般用GaP LED，然而用AlGaInP、TS-AlGaAs LED則可在小電流下工作，減小功耗。(2)另一方式是邊緣光LCD背照明，用一個透明或半透明的矩形塑料塊作為導光體，將其直接按裝在LCD散射膜的后面，塑料塊的后表面涂上白色反光材料，LED光從塑料塊的一個側(cè)邊射入，其余側(cè)邊作以白色反光材料。(3)將LED發(fā)出的光導入光纖束之中，光纖束的散射膜后面構(gòu)成一個平坦的薄片，可以用不同的方法將光從薄片中取出作為LCD的背照明。采用LED作為背照明的液晶顯示器可用于移動電話、筆記本電腦，隨著小型液晶顯示器在節(jié)電型通信產(chǎn)品中的廣泛使用，將會對超高亮度LED有更大的需求。

4．固體照燈

全色超高亮度LED的實用化和商品化，使照明技術(shù)面臨一場新的革命，由多個超高亮度紅、藍、綠三色LED制成的固體照明燈不僅可以發(fā)出波長連續(xù)可調(diào)的各種色光，而且還可以發(fā)出亮度可達幾十到一百燭光的白色成為照明光源。最近，日本日亞公司利用其InGaN藍光LED和熒光技術(shù)，又推出了白光固體發(fā)光器件產(chǎn)品，其色溫為6500K，效率達每瓦7.5流明。對于相同發(fā)光亮度的白熾燈和LED固體照明燈說，后者的功耗只占前者的10%－20%，白熾燈的壽命一般不超過2000小時，而LED燈的壽命長達數(shù)萬小時。這種體積小、重量輕、方向性好、節(jié)能、壽命長、耐各種惡劣條件的固體光源必將對傳統(tǒng)的光源市場造成沖擊。盡管這種新型照明固體光源的成本依然偏高，但可以應用于一些特殊場合如礦山、潛水、搶險、**裝置的照明等。從長遠看，如果超高亮度LED的生產(chǎn)規(guī)模進一步擴大，成本進一步降低，其在節(jié)能和長壽命的優(yōu)勢足以彌補其價格偏高的劣勢。超高亮度LED將有可能成為一種很有競爭力的新型電光源。