第二章-LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)課程(一)

光電子技術(shù)基礎(chǔ)

---LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)課程

1.1人類照明的發(fā)展過(guò)程與LED步入照明領(lǐng)域照明是人類特有的改變自身環(huán)境的行為。在遠(yuǎn)古時(shí)期人類的智慧積累相對(duì)很少，照明基本依賴自然光照明，這與其它動(dòng)物的照明條件基本相同。隨著人類文明和生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，人類的活動(dòng)已不僅僅限于白天的自然光照明，開(kāi)始需要自然光以外的人類特有的照明方式。第1章LED的特性分析白熾燈的發(fā)明我們的前輩、發(fā)明家愛(ài)迪生發(fā)明了用電供電的白熾燈，并使白熾燈實(shí)用化。這一創(chuàng)舉使得人類在整個(gè)20世紀(jì)在有電的環(huán)境下無(wú)一例外的采用電燈照明，從而消除了火焰照明帶來(lái)的空氣污染。然而，白熾燈的效率相對(duì)很低，僅有7%的電能轉(zhuǎn)換為光能。從電能的利用率角度考慮這是一種效能低的人工照明方式，普通的白熾燈光效大約在每瓦10流明左右。因此人類將不斷的追求效能更高的應(yīng)用電能的照明方式。熒光燈的發(fā)明使照明進(jìn)入高效照明時(shí)期美國(guó)人伊曼，在1938年發(fā)明了熒光燈。這是一種利用氣體放電原理發(fā)光的新型光源。其光效從每瓦10流明增加到最初的每瓦40流明以上。很顯然熒光燈的發(fā)光效果遠(yuǎn)高于白熾燈。隨著熒光燈制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在的熒光燈的最高光效可以達(dá)到每瓦110流明！然而不可否認(rèn)的是，熒光燈的不僅體積大，還有汞污染的的問(wèn)題，盡管現(xiàn)在的熒光光燈的含汞量已經(jīng)大大的減小了。而且是否還有更潔凈、更高光效的電光源則是人類不斷的追求。發(fā)光二極管的發(fā)明是照明進(jìn)入固體照明時(shí)期20世紀(jì)60年代末發(fā)光二極管（英文名：lightemittingdiode簡(jiǎn)稱LED）問(wèn)世。以后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的可見(jiàn)光的LED僅僅是紅光、黃光、綠光的LED。不僅如此，這時(shí)的LED光效也是很低的。LED具有體積小、不怕磕碰的優(yōu)點(diǎn)，不像白熾燈和熒光燈那樣容易破碎。如果其光效能夠達(dá)到或超過(guò)熒光燈的光效，而且成本能夠降下來(lái)，則LED就會(huì)成為性能更加優(yōu)異的電光源器件，這就是如今LED應(yīng)用紅火的主要原因之一。白光LED的出現(xiàn)才真正的實(shí)現(xiàn)了LED照明LED進(jìn)入照明領(lǐng)域是藍(lán)光LED發(fā)明后的事情，在此以前的LED都是單色的。跟據(jù)三基色原理，要利用單色光合成白光需要不可缺少的藍(lán)光。因此藍(lán)光LED的發(fā)明稱為L(zhǎng)ED進(jìn)入照明領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。LED能夠進(jìn)入照明領(lǐng)域的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是經(jīng)一步提高LED的光效。各種電光源光效及其發(fā)展白光LED的發(fā)展歷程從圖中可以看到，即使是本世紀(jì)的前幾年，LED的光效還是很低的，甚至在世紀(jì)交替時(shí)LED的光效與白熾燈差不多，直到2007年以后LED的光效才達(dá)到熒光燈的水平。隨著LED制造技術(shù)的提高，2005年以后，LED的光效在快速增長(zhǎng)，目前的白光LED的光效已超過(guò)每瓦100流明。當(dāng)照明用的白光LED成本降低到可以大量商用的時(shí)候，LED照明時(shí)代就會(huì)真正的到來(lái)。（1）LED正向特性LED特性與普通的二極管相似，所不同的主要是不同顏色LED的正向電壓不同。在實(shí)際應(yīng)用中，利用的是LED正向特性。對(duì)于一般作為指示燈用的LED，其正向電流大多為10mA左右。其正向電壓分別為紅外：約1V；紅光：1.2V；綠光：1.4V；藍(lán)光約3V。1.2LED的基本特性圖1.2紅光的LED光譜（2）LED光譜圖1.3黃光的LED光譜圖1.4綠光的LED光譜圖1.5藍(lán)光的LED光譜（3）LED的指向性LED是利用LED芯片發(fā)光，通過(guò)LED的外封裝聚光或散光，不管聚光還是散光，LED發(fā)光的指向性強(qiáng)于其它電光源。LED的指向性可以分為：強(qiáng)指向型，一般指向型和散射型。強(qiáng)指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。一般指向型。通常作指示燈用，其半值角為20～45°。散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45～90°或更大，散射劑的量較大。是否單色LED就可以作為照明用電光源呢？如果一種照明光源的光譜與太陽(yáng)光的光譜相差甚遠(yuǎn)，則人眼會(huì)感覺(jué)非常不舒服的，而且也會(huì)導(dǎo)致快速的用眼疲勞，近視就是這類用眼疲勞的最明顯的表現(xiàn)。作為照明用的電光源的光譜引進(jìn)可能的與太陽(yáng)光的光譜相接近。一般的評(píng)判方法是評(píng)判光源與白光的接近程度，即顯色性。（1）照明用LED的光譜特性1.3用于照明的LED基本特性在海平面上的太陽(yáng)的可見(jiàn)光光譜太陽(yáng)光譜圖人眼、白熾燈和各種LED標(biāo)準(zhǔn)白光和白光LED要想讓LED發(fā)出的光譜能夠與太陽(yáng)光相近，需要利用三基色原理將紅、綠、藍(lán)三種光通過(guò)合適的比例混合成“白光”。一般的白光LED的實(shí)現(xiàn)方法是在藍(lán)色LED表面涂黃色熒光粉來(lái)獲得所謂的白光，這種白光LED的光譜特性如圖利用紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED組獲得白光LED很顯然，利用合適的紅、綠、藍(lán)組合而成“白光”的顯色性優(yōu)于用熒光粉產(chǎn)生“白光”的顯色性，但使用三種單色LED組合成的光譜特性相對(duì)利用藍(lán)光LED附加熒光粉的方法要復(fù)雜的多，而且一旦工作條件稍有改變，其光譜特性就會(huì)隨之改變。不同色溫的LED的光譜特性也不相同。CREE公司的不同色溫白光LED的光譜特性（2）高亮度白光LED一般的LED的工作電流僅10~20mA，對(duì)應(yīng)的燈功率也僅僅40~60mW。而且一般的LED光強(qiáng)度比較低，也就是說(shuō)光效比較低。

不僅燈功率要大幅度提高，而且單位功率的光通量（光效）也要大幅度提高。這種大功率高亮度的LED通常被稱為“高亮度LED”，英文名為：“HighBrightnessLEDs”，英文縮寫為“HBLED”。

HBLED的燈功率一般在0.5W以上，對(duì)應(yīng)的燈電流至少在100mA以上。1．XP-ELED系列的特點(diǎn)有白色（2600K~10000K）、藍(lán)色、綠色、黃色、紅色及紅橙色可選；最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1A；低熱阻，僅9℃/W；最高結(jié)溫150℃；視角寬，可達(dá)115°到130°；在環(huán)境不超過(guò)30℃、相對(duì)濕度不超過(guò)85%的條件下，使用壽命不受限制；散熱部分不帶電，也就是說(shuō)將LED芯片與散熱底座是電氣隔離的。1.4高亮度（HB）LED的電氣特性表XP-ELED系列的白光LED的光通量特性顏色色溫范圍（K）基本訂購(gòu)代碼

最小光通量訂購(gòu)代碼最小最大組光通量（lm）冷白500010000Q393.9XPEWHT-L1-0000-00B01Q4100XPEWHT-L1-0000-00C01Q5107XPEWHT-L1-0000-00D01R2114XPEWHT-L1-0000-00E01中性白37005000P480.8XPEWHT-L1-0000-009E4Q287.4XPEWHT-L1-0000-00AE4Q393.9XPEWHT-L1-0000-00BE4Q4100XPEWHT-L1-0000-00CE4暖白26003700P267.2XPEWHT-L1-0000-007E7P373.9XPEWHT-L1-0000-008E7P480.6XPEWHT-L1-0000-009E7Q287.4XPEWHT-L1-0000-00AE72.光通量特征3.光通量與結(jié)溫的關(guān)系XP-ELED系列的白光LED在正向電流350mA條件下的白光部分相對(duì)光通量與結(jié)溫的關(guān)系如圖4.電氣特征XP-ELED系列的白光LED的正向電壓與正向電流的關(guān)系如圖：這個(gè)特性與普通二極管的正向特性相似，不同的是HBLED正向電壓值高于普通二極管。由于HBLED的正向電壓遠(yuǎn)高于普通二極管的正向電壓，因此HBLED的正向電壓變化對(duì)工作電流影響非常大，可以達(dá)到正向電壓變化5%，正向電流就會(huì)隨之變化40%！這就是說(shuō)HBLED的正向電壓變化5%就會(huì)導(dǎo)致其光通量變化35%以上！如圖從圖中可以看到，HBLED的正向電壓為3.4V左右時(shí)的正向電流為700mA，而將HBLED的正向電壓降低到3.3V左右時(shí)，HBLED的正向電流下將帶約500mA。如果是工頻導(dǎo)致的HBLED正向電壓的變化，就會(huì)出現(xiàn)100Hz的閃爍，盡管這個(gè)頻率的閃爍對(duì)視覺(jué)影響不大，但是工頻鎮(zhèn)流電感導(dǎo)致的熒光燈的閃爍卻成為熒光燈的一大詬病，如果供電質(zhì)量不佳而導(dǎo)致的工頻閃爍，則HBLED也難免存在閃爍的問(wèn)題。5.熱特性最大正向電流由LED的管芯到環(huán)境之間的熱阻決定。最終LED產(chǎn)品射擊方式必須能夠?qū)⒑副P到環(huán)境之間的熱阻減至最小，以便延長(zhǎng)LED的使用壽命。

XP-ELED系列的白光LED環(huán)境溫度與正向電流以及管芯到環(huán)境的熱阻之間的關(guān)系6.光通量與電流的關(guān)系加大HBLED正向電流會(huì)使得HBLED輸出的光通量增加。XP-ELED系列的白光LED的正向電流與光通量之間的關(guān)系如圖：7.光強(qiáng)分布形式盡管XP-ELED系列的白光LED是廣角的，但是，LED本身特性決定了它具有比較強(qiáng)的指向性，也就是說(shuō)在LED的正面的光強(qiáng)最強(qiáng)，隨著偏離LED的正面，光強(qiáng)減弱，當(dāng)偏離角越大光強(qiáng)衰減的越厲害。在LED的正面±40°范圍內(nèi)的光強(qiáng)度衰減的比較慢

當(dāng)偏離LED的正面±45°以后，光強(qiáng)度衰減的比較快，當(dāng)偏離正面90°時(shí)基本上就沒(méi)有什么光強(qiáng)度了。這一點(diǎn)LED的指向性比其它點(diǎn)光源都明顯。XP-ELED系列的白光LED的光強(qiáng)度分布形式如圖XP-ELED系列的白光LED的光強(qiáng)度分布形式1.5高亮度（HB）LED的壽命特性HBLED的使用壽命雖應(yīng)用條件改變。在制造商給定的條件下HBLED的壽命很長(zhǎng)，據(jù)稱可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)，這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各種文獻(xiàn)中所給的白熾燈的1000小時(shí)、熒光燈的5000小時(shí)。HBLED壽命終了的指標(biāo)。HBLED壽命與應(yīng)用條件有關(guān)，主要是工作電流和工作溫度關(guān)系最大。HBLED的工作電流、工作溫度與壽命的關(guān)系1.6LED的應(yīng)用從LED問(wèn)世，LED以其壽命長(zhǎng)、節(jié)電、體積小、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)在各種指示燈領(lǐng)域中替代白熾燈、氖管等；LED的數(shù)碼管問(wèn)世，使得LED數(shù)碼管迅速的取代了真空管、氣體放電管的數(shù)碼顯示方式；除此之外各種LED顯示屏也是普通LED所獨(dú)有的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著高亮度白光LED的問(wèn)世，LED的應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大的拓展。1.6.1液晶顯示板的背光傳統(tǒng)的電視機(jī)和電腦顯示器等都是應(yīng)用真空顯像管作為圖像顯示器件的。隨著液晶竟如電視機(jī)、電腦顯示器領(lǐng)域。液晶電視機(jī)、電腦顯示器以厚度非常薄占用空間小而迅速的“取代”了CRT（CathodeRayTube陰極射線管）電視機(jī)、電腦顯示器。液晶顯示需要背光，傳統(tǒng)的液晶電視機(jī)、電腦顯示器的背光是采用冷陰極熒光燈CCFL作為背光光源的，這需要一個(gè)均勻光源的白板置于CCFL和液晶屏之間。這樣，CCFL和白板將占有比較大的厚度，盡管這個(gè)厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真空顯像管，畢竟這個(gè)背光系統(tǒng)使得液晶電視機(jī)的厚度約10cm左右。采用LED背光后，液晶電視機(jī)的厚度可減薄到30mm以下，甚至有的LED背光的液晶電視機(jī)的厚度可以降低到20mm左右！采用LED背光的筆記本電腦的厚度、重量和功耗也都有明顯的降低。除液晶電視、電腦之外，很多手持式視頻、以及很多掌上閱讀器，手機(jī)等便攜式產(chǎn)品的液晶顯示的背光幾乎都采用了LED背光。從以上液晶顯示的背光光源看，高亮度白光LED將有著很大的市場(chǎng)。1.6.2汽車電子LED在交通方面的應(yīng)用首先是交通燈，因?yàn)榧t綠黃色的LED早已商業(yè)化，交通等采用LED后，不僅可以降低用白熾燈作為交通等的耗電，最大的好處是LED的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于白熾燈。特別是在頻繁的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下。當(dāng)汽車步入電子時(shí)代后，很多汽車電流子產(chǎn)品選用了LED。例如：汽車轉(zhuǎn)向燈以及剎車燈大多采用了LED其主要原因有：LED節(jié)電，節(jié)電就意味著節(jié)油，而且發(fā)熱相對(duì)低，這就會(huì)帶來(lái)更好的安全性；壽命長(zhǎng)則是另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一旦LED的成本降低到可以加收的程度，LED取代白熾燈作為汽車的轉(zhuǎn)向燈以及剎車燈就是一個(gè)水到渠成的事。隨著高亮度白光LED的問(wèn)世，人們也開(kāi)始?jí)粝肫嚨那盁粲肔ED替代，這會(huì)節(jié)省更多的電能，特別在夜間，這種節(jié)能會(huì)比轉(zhuǎn)向燈以及剎車燈更為明顯?，F(xiàn)在的問(wèn)題是何時(shí)能夠做出10W~20W的高亮度白光LED？至少現(xiàn)在，市面上很少看到5W以上的HBLED，而且這種LED大多需要工作在一般功率狀態(tài)下。當(dāng)然可以通過(guò)數(shù)只LED串聯(lián)獲得更大的功率。需要注意的是，隨著汽車電子的飛速發(fā)展，12V電壓等級(jí)的供電所需要提供的巨大電流將使得供電系統(tǒng)變得越來(lái)源難以承受。除了汽車的前燈以及各種指示燈。汽車儀表盤的背光照明、地圖燈、頂部照明、連續(xù)照明、車牌照明、裝飾用重點(diǎn)照明以及信號(hào)燈照明都可以采用白光LED。1．室內(nèi)局部照明作為室內(nèi)的局部照明會(huì)裝潢，LED是一個(gè)很好的選擇。在局部照明和裝潢中將充分發(fā)揮LED指向性好的優(yōu)點(diǎn)把局部照明和裝潢照明盡情渲染。1.6.4室內(nèi)照明2．室內(nèi)一般照明作為室內(nèi)的主照明，LED還不能勝任，其主要原因是：成本太高，要想作為15~20平方米的室內(nèi)照明，至少要有40~60W的高亮度LED照明才能感到與兩只T5/28W三基色熒光燈（光效在每瓦100lm以上）相似的舒適度。現(xiàn)在，1W及其以上的高亮度白光LED的單價(jià)不會(huì)低于10元人民幣，是想40只就是400多元！這與6元人民幣一只的熒光燈管的差價(jià)，大眾是決不會(huì)接受的！當(dāng)然，作為豪華裝修，LED還是很時(shí)尚的。1.6.5大屏幕LED顯示器在大街和廣場(chǎng)上以及一些人群聚集場(chǎng)所經(jīng)常會(huì)看到大屏幕LED顯示屏，在08年北京奧運(yùn)會(huì)的開(kāi)幕式上，人們看到了任何顯示器后不能比擬的巨大屏幕的LED顯示屏，北京火車站廣場(chǎng)東側(cè)也會(huì)看到大屏幕LED顯示屏，為過(guò)往后車乘客消遣寂寞，了解國(guó)內(nèi)外新聞。這些是液晶顯示器所達(dá)不到的尺寸。1.7LED照明需要解決的問(wèn)題LED有這么多的優(yōu)點(diǎn)，是不是LED已近打遍天下了？還沒(méi)有，因?yàn)橛泻芏鄦?wèn)題還沒(méi)有解決，一旦這些問(wèn)題得到解決，就是高亮度白光LED普遍應(yīng)用之時(shí)。1．成本與應(yīng)用的矛盾白熾燈電燈已面