【導讀】與傳統照明方式相比，LED 有許多優點。通過了解每個 LED 功能，您的設計將會具有更高的效率、更出色的可靠性和更長的使用壽命。
內容概覽
本文介紹了 LED 的四個主要功能，以及如何通過這些功能來優化您的設計。
1 LED 指示
不斷變化的市場條件將催生更嚴苛的安全要求標準。
2 LED 動畫
LED 動畫驅動器包括顏色混合和亮度控制等特性，可驅動應用最廣泛的RGB LED。
3 LED 照明
LED 照明將使用大功率 LED 或 LED 燈串來照亮某些人或物。
4 LED 背光 照明
背光 LED 驅動器可增強多種尺寸規格的顯示器的用戶體驗
– 延長電池壽命并縮小布板空間。
當為廣泛的工業應用選擇 LED 驅動器時，很容易就會被各種選擇所淹沒。
找到一個 LED 并為系統設計最佳的驅動器就像在夜空中識別一顆星星。正如平面天體圖可以幫助識別恒星和星座一樣，了解 LED 的四個主要功能可以幫助您選擇合適的 LED 和相關的 LED 驅動器電路。
LED 是一種頗受歡迎的光源，因為它在很多方面都優于傳統的白熾燈和霓虹燈，包括更高的效率、更出色的可靠性、更長的使用壽命、更小巧的外形以及更快的切換能力。LED 不僅可用于在人機界面 (HMI) 和照明用途中發出可見光，還可通過紅外 (IR) 和 紫外 (UV) 波長支持檢測、測量和醫療用途。
鑒于 LED 的使用情況非常多樣化，對于硬件和軟件工程師來說，學習如何設計最佳的 LED 驅動器可能會很復雜。雖然 LED應用范圍廣泛，但它們在終端設備中的功能仍有相似之處，并且每種功能都有共同的設計注意事項。
LED 的四個主要功能包括指示、動畫、照明和背光照明，如下圖 1 所示。
圖 1.四種典型 LED 功能的示例。
LED 歷史及其首次應用
LED 發明于 20 世紀 60 年代初，此時由于其功率密度低且成本極高，主要用于取代白熾燈或霓虹燈以及昂貴設備中的七段式顯示器。隨著對 LED 技術的持續深入研究，人們生產出了具有不同顏色且效率更高的 LED。1994 年，超亮藍色 LED的發明加速了高性價比白光 LED 的發展。與此同時，不可見波長的 LED 從最初的 紅外線 (IR) 擴展到了 紫外線（UV），因此現代 LED 開始能夠支持可見光、紫外和紅外波長，并具有高效的光輸出。
現代 LED 的應用范圍廣泛，從簡單的指示器到可見光和不可見光均包含在內，幾乎在所有類型的電子設備中都存在使用案例。例如，在智能家居中，智能揚聲器將充當智能家居的中心樞排版，與家庭中的其他智能設備（包括智能鎖、可視門鈴、恒溫器、大小型電器、掃地機器人和照明系統）相連，見圖 2。在這些應用中，使用了不同功率水平，白色和彩色 LED 來指示狀態，或支持 HMI、LCD 背光照明或 IR/白光照明。
圖 2.智能家居中的 LED 用例。
設計注意事項
LED 是一種二極管，在正向偏置的情況下很容易就能打開，但使用一種方法來覆蓋眾多應用的設計將會很復雜。傳統的設計原則排版以系統中所有 LED 的總功率水平為指導來選擇不同的 LED驅動器。然而，隨著調光能力成為一種普遍需求以及 RGB 和白光 LED 的顏色混合對用戶體驗的改善，在 LED 驅動之上的軟件控制增加了尋找合適解決方案的難度。因此，設計人員不僅要考慮功率水平，還要考慮拓撲結構、效率、調光和混色方法。
LED 指示
LED 指示器的應用范圍幾乎涵蓋了所有電子設備。
LED 指示器是最常見的的功能，同時也是最容易設計的。系統中的指示燈通常只需打開或關閉即可指示狀態，因此在 LED 上施加正向偏置電壓并添加限流電阻（如圖 3 所示）是最直接的方法。機械或電子開關（晶體管或金屬氧化物半導體場效應晶體管 [MOSFET]）可以打開或關閉 LED。
圖 3.使用限流電阻的 LED 驅動電路。
有些類型的設備（例如家用電器）使用多個指示器或七段式和點陣顯示器來顯示時間或電池電量等信息。設計人員通常會實施通用移位寄存器，如 74HC164 或 74HC595。然而，由于LED 的電壓和電流呈指數關系，因此當 LED 電源電壓 (VLED)和限流電阻 (RL) 變化時，LED 電流將會很容易發生偏移。
這些電流偏移將導致較差的均勻性和使用壽命縮短（尤其是對于 VLED 變化很大的電池供電型應用而言）。恒流 LED 驅動電路（如圖 4 所示）可產生流經所有 LED 的更準確的電流。參考電壓 (VREF) 通常來自精確的電壓源，從而使 LED電流恒定，而不受 VLED 變化的影響。
圖 4.具有恒定電流的 LED 驅動電路。
集成這類恒流電路的 LED 驅動器應用非常廣泛。多個通道的高電流精度確保了更好的亮度均勻性，同時使用單個芯片來驅動多個 LED 還可以減小系統尺寸。如果在驅動器中添加了內部重影消除電路，則可以簡化點陣顯示器的驅動設計。經過巨大的半導體工藝改進，LED 指示驅動器的成本現在與晶體管陣列相當。
LED 動畫
隨著彩色 LED 的發明，LED 動畫變得越來越普遍。動畫有助于改善 HMI 體驗，因為它可以通過生成數百萬種顏色并更改亮度來形成視覺上令人愉悅的照明圖案。在智能家居設備等設備中，LED 動畫促進了“冰冷”的電子設備與人之間的生動互動，使設備能夠在與消費者的互動中進行“交談”或“聆聽”。這就是 LED 動畫的魔力。
LED 動畫驅動器是對 LED 指示器驅動器的升級；其額外具備的特性包括顏色混合和亮度控制，可驅動應用最廣泛的 RGB LED。
根據 RGB 顏色模型，以各種方式添加 RGB 光時可以產生廣泛的顏色陣列，如圖 5 所示。例如，如果每種顏色（紅色、綠色和藍色）都具有 8 位的深度，則所有可能的組合將可以創造出共 1680 萬種顏色。在生成某種顏色后，通過應用漸變的亮度變化，可以實現“呼吸”式效果。
圖 5.通過 RGB 顏色模型生成的色環。
顏色混合和亮度控制通常通過一個 LED 驅動器來完成，該驅動器將具有模擬調光或脈寬調制 (PWM) 調光，可獨立控制每個 RGB LED。模擬調光可調節流經 LED 的直流正向電流，因此可用于進行顏色校準，以達到一定色溫，如 6500K 白色。PWM 調光則以不同的占空比來調制平均電流，因此可以輕松獲得高達 16 位的分辨率，以實現更好的效果。
由于人類的感知亮度與 LED 亮度不成線性關系，并且人眼在低亮度下更為敏感，因此需要通過 LED 驅動器進行指數調光，才能實現呼吸般的平滑效果。
圖 6 顯示了 LED 動畫驅動器的典型框圖。
圖 6.典型的 LED 動畫驅動器框圖。
有些應用需要自動控制，這意味著 LED 驅動器無需與控制器進行連續通信即可實現相應照明模式，而這需要靜態隨機存儲器和相應的算法。
LED 照明
LED 照明使用大功率 LED 或 LED 燈串來照亮某些人或物。白光 LED 照明幾乎無處不在，是最高效的光源之一，IR LED 照明則可以與攝像頭配合使用，使物體在黑暗中可見。UV LED照明在醫療和化工行業中起著重要作用。
恒流功率調節器對于 LED 照明來說是必須的，因為大功率LED 的電流在電壓僅增加 10% 的情況下便有可能會翻倍，這意味著 LED 極有可能會受到損壞。功率級的 拓撲結構和靈活的調光控制是選擇 LED 照明驅動器的兩個主要注意事項，如圖 7 所示。
圖 7.LED 照明的典型框圖
對于功率級，LED 照明通常使用 LED 燈串，因此必須對 LED燈串的總正向電壓 (VF) 和輸入電壓 (VIN) 進行比較，以便選擇合適的拓撲結構。如果 VF高于 VIN，您將需要使用一個升壓拓撲來產生足夠的電壓，以正向偏置 LED 燈串。如果 VF低于VIN，則需要使用降壓拓撲來提高總效率。如果 VF接近但略低于 VIN，則線性恒定電流源或阱也可能適用。
對于調光控制，模擬調光和 PWM 調光仍然是主要的控制方法。模擬調光具有連續的輸出電流，在視頻監控等攝像頭相關的應用中很受歡迎，因為它可以減少閃爍。對于模擬調光，可以考慮使用兩種類型的輸入源：直流電壓輸入和 PWM 輸入，如圖 8 所示。采用直流電壓輸入的模擬調光將通過施加直流電壓信號來調整輸出電流。由于電壓精度的原因，這種方法的調光比通常較低。PWM輸入可以實現高調光比（范圍從 0% 到接近 100% 不等），并且在使用內部濾波器時通常需要高頻 PWM 輸入。
對于 PWM 調光，輸出電流不是連續的，如圖 9 所示。在 LED 電流波形中，tr 和 tf 是響應 PWM 命令的上升和下降時間，它們會影響調光比和最小脈沖寬度。上升和下降時間將因 PWM 調光方法（包括主 FET 調光、串聯 FET 調光和并聯 FET 調光）而異，如圖 10 所示。
圖 8.采用模擬調光的 LED 照明。
主 FET 調光具有最高的上升和下降時間，因此很難實現快速調光和高調光比。串聯 FET 調光可以提高調光速度和調光比，而并聯 FET 則是調光速度最快、調光比最高的 PWM 調光解決方案。表 1 比較了至今為止所介紹的所有調光方法。
圖 9.采用 PWM 調光的 LED 照明。
圖 10.LED 照明 PWM 調光方法。
表 1.LED 照明的調光方法比較。
LED 背光照明
LED 背光照明也是LED照明的一種特殊應用。由于 LCD 不是自發光的，因此通常會使用幾個白光 LED 燈串來為 LCD 顯示器提供背光。雖然手機、筆記本電腦、顯示器和電視等應用所使用的 LCD 的尺寸不盡相同，但其 LED 背光照明的設計注意事項仍然是相同的，主要集中在效率以及調光比或對比度上。通常使用升壓型 LED 驅動器來驅動 LED 燈串。為了產生所需的最大亮度，LCD 面板越大，所需的 LED 燈串和每個燈串中串聯的 LED 數量就越高。通過添加恒定電流阱，可在不同LED 燈串之間實現更高的精度。
高效率對于背光驅動器非常重要，因為它意味著該產品可以實現更低的功耗和更出色的熱性能。高效率還可以延長電池供電型應用的電池壽命。為了實現高效率，LED 背光驅動器需要高效的功率級、低靜態電流、針對恒定電流阱的低凈空電壓以及經過優化的外部組件。
對比度是背光照明的另一個關鍵注意事項，特別是對于同時涉及室內和室外使用情形的顯示器而言。帶有 7 英寸 LCD 顯示器的恒溫器可能僅需要 300 尼特的最大亮度，且調光比小于 500:1，但類似尺寸的探魚器可能需要高達 3000 尼特的亮度，且調光比需要超過 10000:1。模擬調光可以實現低調光比，如 500:1，而調光比超過 10000:1 時則需要采用高分辨率的 PWM 調光或混合調光（即將 PWM 調光和模擬調光相結合）。
根據 LED 架構的不同，LED 背光照明有兩種配置：全局調光和局部調光。
全局調光可以在 LCD 面板邊緣放置一個或多個 LED 燈串，并使用導光板均勻地分散光線。該方案易于實現，是當今應用最廣泛的解決方案。
局部調光使用完整的 LED 陣列，通過在面板后面應用更多獨立控制的區域來提高對比度。隨著微型 LED 和相應矩陣驅動器方面的突破，局部調光在需要超高對比度的應用領域具有極佳的發展前景。
展望未來
更高的功率密度、更高的效率和更小的封裝尺寸使 LED 能夠應用于更多的使用場合。同時，LED 驅動器還基于上述四種LED 功能進行了優化，以滿足不同的要求：
• LED 指示器驅動器的集成度越來越高，其成本與分立式晶體管陣列相當。
• LED 動畫驅動器面臨更高通道數的挑戰，隨著矩陣驅動器繼續投放市場，將能夠以單個芯片驅動數百個 LED。
• LED 照明驅動器需要更快的調光能力（對于機器視覺等應用而言），以及更高的功率密度和低電磁干擾。
• LED 背光驅動器在多級升壓級領域正面臨突破，未來將可在全局調光中實現極高的效率，而使用矩陣驅動器的局部調光則可提供更高的對比度。
用于實現 LED 的四大功能的高級 LED 驅動器將有助于解決當今的挑戰，并將 LED 應用提升到一個新的水平。
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