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标准和白光发光二极管LED的基础知识与驱动,LED circuits and applications
关键字：LED,驱动，元件选择
在绝大多数应用中，单个白光LED是不够的，需要同时驱动几个LED。必须采用特定的操作，以确保它们的强度和色彩一致，即使是在电池放电或其它条件变化时。
图7给出了一组随机挑选的白光LED的电流-电压曲线。在这些LED上加载3.3V电压(上端虚线)会产生2mA至5mA范围的正向电流，导致不同亮度的白光。该区域中(如图5所示) Y坐标变化很剧烈，会导致显示色彩的不真实。同样，LED也具有不同的光强，这会产生不均匀的亮度。另外一个问题是所需的最小供电电压，LED要求高于3V的电压驱动，若低于该电压，几个LED可能会完全变暗。
 图7. 曲线显示了不同白光LED的电流-电压特性之间的相当大的差异，甚至是从同一产品批次中随机挑选的LED。因此，用恒定的3.3V驱动这样几个并联的LED会导致不同亮度的白光(上虚线)。
锂电池在完全充满电时可以提供4.2V的输出电压，在很短的一段工作时间内会下降到标称的3.5V。由于电池放电，其输出电压会进一步下降到3.0V。如果白光LED直接由电池驱动，如图3所示，则会产生如下问题：
首先，当电池充满电时，所有的二极管都被点亮，但会具有不同的光强和色彩。当电池电压下降至其标称电压时，光强减弱，并且白光间的差异变得更大。因此，设计人员必须考虑电池电压和二极管正向电压的数值，而需要计算串联电阻的阻值。(随着电池彻底放电，部分LED将会完全熄灭。)
带有电流控制的电荷泵
LED供电电源的目标是提供一个足够高的输出电压，并且在并联连接的LED上加载同样的电流。注意(如图5所示)，如果并联配置的所有LED具有一致的电流，那么所有的LED将会具有相同的色彩坐标。Maxim提供带有电流控制的电荷泵，以实现这一目标(MAX1912)。
图8所示的三个并联的LED，电荷泵具有较大量程，可以提高输入电压至1.5倍。早期的电荷泵只能简单的使输入电压倍压，而新的技术则提供了更好的效率。将输入电压升高至恰好可以驱动LED工作的电平。连接至SET (10引脚)的电阻网络保证所有LED的电流一致。内部电路保持SET电平在200mV，这样就可以计算出流经每个LED的电流ILED = 200mV/10 = 20mA。如果某些二极管需要较低的电流，可以同时并联驱动3个以上的LED，MAX1912的输出电流可达60mA。进一步的应用和图表可以参考MAX1912数据资料。
 图8. IC内部包括电荷泵和电流控制，电荷泵为白光LED提供足够的驱动电压，而电流控制通过给每个LED加载同样的电流来确保均匀的白光。
简单电流控制
如果系统提供高于二极管正向导通电压的电平，白光LED可以很容易的被驱动。例如，数码照相机通常包括一个+5V供电电源。如果那样的话，就不需要升压功能，因为供电电压足以驱动LED。对于图8所示电路，应该选择一个匹配的电流源。比如，MAX1916可以同时驱动3个并联的LED (如图9所示)。
 图9. 单个外部电阻(RSET)设定流经每个LED的电流数值。在IC的使能引脚(EN)上加载脉宽调制信号可以实现简单的亮度控制(调光功能)。
工作简单：电阻RSET设定加载至所连LED的电流。这种方法占用很少的PCB空间。除IC (小巧的6引脚SOT23封装)和几个旁路电容之外，仅需要一个外部电阻。IC具有极好的电流匹配，不同LED之间差别0.3%。这种结构提供了相同的色彩区域，因此每个LED具有一致的白光亮度。
调光改变光强
某些便携式设备根据环境光线条件来调节其光输出亮度，有些设备在一段较短的空闲时间之后通过软件降低其光强。这都要求LED具有可调光强，并且这样的调节应该以同样的方式去影响每路正向电流，以避免可能的色彩坐标偏移。利用小型数模转换器控制流经RSET电阻的电流可以得到均匀的亮度。
6位分辨率的转换器，比如带有I2C接口的MAX5362或者带有SPI接口的MAX5365，能够提供32级亮度调节(如图10所示)。由于正向电流会影响色彩坐标，因此LED白光会随着光强的变化而改变。但是这并不是问题，因为相同的正向电流会使得这个组里的每个二极管都发出同样的光。
 图10. 数模转换器通过一致改变LED的正向电流来控制LED的调光。
使色彩坐标不发生移动的调光方案叫做脉宽调制。它能够由绝大多数可以提供使能或者关断控制的电源器件实现。例如，通过拉低EN电平禁止器件工作时，MAX1916可以将流经LED的泄漏电流限定在1μA，使发射光为零。拉高EN电平可以管理可控的LED正向电流。如果给EN引脚加脉宽调制信号，那么亮度就与该信号的占空比成正比。
由于流经每个LED的正向电流持续保持一致，因而色彩坐标不会偏移。但是，肉眼会感觉到占空比改变带来的光强变化。人眼无法分辨超过25Hz的频率，因此200-300Hz的开关频率是PWM调光的很好选择。更高的频率会产生问题，用来切换LED开关的短暂时间间隔内色彩坐标会发生变化。PWM信号可以由微处理器的I/O引脚或其外设提供。可提供的两度等级取决于所用的计数寄存器的字节长度。
开关模式升压转换器，具有电流控制
除了前面所提到的电荷泵(MAX1912)之外，还可以实现带有电流控制的升压转换器。比如，开关模式电压转换器MAX1848，可以产生最高至13V的输出电压，足以驱动三个串联的LED (如图11所示)。这种方法也许是最简洁的，因为所有串接的LED具有完全相同的电流。LED电流由RSENSE与加载在CTRL输入上的电压共同决定。
 图11. 开关模式升压转换器可以驱动几个串联的LED。这些LED都具有相同的正向电流，该电流(比如)由数模转换器通过CTRL输入来控制。
MAX1848可以根据前面所描述的任一方法来实现调光功能。通过LED的正向电流与加载在CTRL引脚的电压成正比。由于当加载在CTRL上的电压低于100mV时MAX1848会进入关断模式，这样也可以实现PWM调光功能。
概述
如果能够通过使LED正向电流相等而确保白光发射的均匀性，则可以并联驱动白光LED。为驱动LED，应该选择可控的电流源或者带有电流控制的步进转换器。采用电荷泵或者开关升压转换器可以实现这样的与几个标准产品的结合。
参考文献
数据资料："LR5360, LS5360, LY5360, LG5360", OSRAM Opto Semiconductors, Regensburg, 2001.
"Driving InGaN-Based LED in Parallel Circuits," Gerhard Scharf, OSRAM Opto Semiconductors, 2001年11月.
Colorimetry, 第二版, CIE出版，15.2-1986, ISBN 3 900 734 00 3.
数据资料："Hyper ChipLED LW Q983," OSRAM Opto Semiconductors, Regensburg, 2001.
数据资料：MAX1912, Maxim Integrated Products, 2002: http://www.maxim-ic.com.cn/max1912.
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