【導(dǎo)讀】與傳統(tǒng)照明方式相比，LED 有許多優(yōu)點(diǎn)。通過了解每個(gè) LED 功能，您的設(shè)計(jì)將會(huì)具有更高的效率、更出色的可靠性和更長的使用壽命。
內(nèi)容概覽
本文介紹了 LED 的四個(gè)主要功能，以及如何通過這些功能來優(yōu)化您的設(shè)計(jì)。
1 LED 指示
不斷變化的市場(chǎng)條件將催生更嚴(yán)苛的安全要求標(biāo)準(zhǔn)。
2 LED 動(dòng)畫
LED 動(dòng)畫驅(qū)動(dòng)器包括顏色混合和亮度控制等特性，可驅(qū)動(dòng)應(yīng)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(qū)動(dòng)器可增強(qiáng)多種尺寸規(guī)格的顯示器的用戶體驗(yàn)
– 延長電池壽命并縮小布板空間。
當(dāng)為廣泛的工業(yè)應(yīng)用選擇 LED 驅(qū)動(dòng)器時(shí)，很容易就會(huì)被各種選擇所淹沒。
找到一個(gè) LED 并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)最佳的驅(qū)動(dòng)器就像在夜空中識(shí)別一顆星星。正如平面天體圖可以幫助識(shí)別恒星和星座一樣，了解 LED 的四個(gè)主要功能可以幫助您選擇合適的 LED 和相關(guān)的 LED 驅(qū)動(dòng)器電路。
LED 是一種頗受歡迎的光源，因?yàn)樗诤芏喾矫娑純?yōu)于傳統(tǒng)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(jī)界面 (HMI) 和照明用途中發(fā)出可見光，還可通過紅外 (IR) 和 紫外 (UV) 波長支持檢測(cè)、測(cè)量和醫(yī)療用途。
鑒于 LED 的使用情況非常多樣化，對(duì)于硬件和軟件工程師來說，學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)最佳的 LED 驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)很復(fù)雜。雖然 LED應(yīng)用范圍廣泛，但它們?cè)诮K端設(shè)備中的功能仍有相似之處，并且每種功能都有共同的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
LED 的四個(gè)主要功能包括指示、動(dòng)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(yīng)用
LED 發(fā)明于 20 世紀(jì) 60 年代初，此時(shí)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(shè)備中的七段式顯示器。隨著對(duì) LED 技術(shù)的持續(xù)深入研究，人們生產(chǎn)出了具有不同顏色且效率更高的 LED。1994 年，超亮藍(lán)色 LED的發(fā)明加速了高性價(jià)比白光 LED 的發(fā)展。與此同時(shí)，不可見波長的 LED 從最初的 紅外線 (IR) 擴(kuò)展到了 紫外線（UV），因此現(xiàn)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(xiàn)代 LED 的應(yīng)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(nèi)，幾乎在所有類型的電子設(shè)備中都存在使用案例。例如，在智能家居中，智能揚(yáng)聲器將充當(dāng)智能家居的中心樞排版，與家庭中的其他智能設(shè)備（包括智能鎖、可視門鈴、恒溫器、大小型電器、掃地機(jī)器人和照明系統(tǒng)）相連，見圖 2。在這些應(yīng)用中，使用了不同功率水平，白色和彩色 LED 來指示狀態(tài)，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(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
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(yīng)用的設(shè)計(jì)將會(huì)很復(fù)雜。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則排版以系統(tǒng)中所有 LED 的總功率水平為指導(dǎo)來選擇不同的 LED驅(qū)動(dòng)器。然而，隨著調(diào)光能力成為一種普遍需求以及 RGB 和白光 LED 的顏色混合對(duì)用戶體驗(yàn)的改善，在 LED 驅(qū)動(dòng)之上的軟件控制增加了尋找合適解決方案的難度。因此，設(shè)計(jì)人員不僅要考慮功率水平，還要考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、效率、調(diào)光和混色方法。
LED 指示
LED 指示器的應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有電子設(shè)備。
LED 指示器是最常見的的功能，同時(shí)也是最容易設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)中的指示燈通常只需打開或關(guān)閉即可指示狀態(tài)，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(jī)械或電子開關(guān)（晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 [MOSFET]）可以打開或關(guān)閉 LED。
圖 3.使用限流電阻的 LED 驅(qū)動(dòng)電路。
有些類型的設(shè)備（例如家用電器）使用多個(gè)指示器或七段式和點(diǎn)陣顯示器來顯示時(shí)間或電池電量等信息。設(shè)計(jì)人員通常會(huì)實(shí)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(shù)關(guān)系，因此當(dāng) LED 電源電壓 (VLED)和限流電阻 (RL) 變化時(shí)，LED 電流將會(huì)很容易發(fā)生偏移。
這些電流偏移將導(dǎo)致較差的均勻性和使用壽命縮短（尤其是對(duì)于 VLED 變化很大的電池供電型應(yīng)用而言）。恒流 LED 驅(qū)動(dòng)電路（如圖 4 所示）可產(chǎn)生流經(jīng)所有 LED 的更準(zhǔn)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(qū)動(dòng)電路。
集成這類恒流電路的 LED 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用非常廣泛。多個(gè)通道的高電流精度確保了更好的亮度均勻性，同時(shí)使用單個(gè)芯片來驅(qū)動(dòng)多個(gè) LED 還可以減小系統(tǒng)尺寸。如果在驅(qū)動(dòng)器中添加了內(nèi)部重影消除電路，則可以簡化點(diǎn)陣顯示器的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過巨大的半導(dǎo)體工藝改進(jìn)，LED 指示驅(qū)動(dòng)器的成本現(xiàn)在與晶體管陣列相當(dāng)。
LED 動(dòng)畫
隨著彩色 LED 的發(fā)明，LED 動(dòng)畫變得越來越普遍。動(dòng)畫有助于改善 HMI 體驗(yàn)，因?yàn)樗梢酝ㄟ^生成數(shù)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(shè)備等設(shè)備中，LED 動(dòng)畫促進(jìn)了“冰冷”的電子設(shè)備與人之間的生動(dòng)互動(dòng)，使設(shè)備能夠在與消費(fèi)者的互動(dòng)中進(jìn)行“交談”或“聆聽”。這就是 LED 動(dòng)畫的魔力。
LED 動(dòng)畫驅(qū)動(dòng)器是對(duì) LED 指示器驅(qū)動(dòng)器的升級(jí)；其額外具備的特性包括顏色混合和亮度控制，可驅(qū)動(dòng)應(yīng)用最廣泛的 RGB LED。
根據(jù) RGB 顏色模型，以各種方式添加 RGB 光時(shí)可以產(chǎn)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(lán)色）都具有 8 位的深度，則所有可能的組合將可以創(chuàng)造出共 1680 萬種顏色。在生成某種顏色后，通過應(yīng)用漸變的亮度變化，可以實(shí)現(xiàn)“呼吸”式效果。
圖 5.通過 RGB 顏色模型生成的色環(huán)。
顏色混合和亮度控制通常通過一個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器來完成，該驅(qū)動(dòng)器將具有模擬調(diào)光或脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)光，可獨(dú)立控制每個(gè) RGB LED。模擬調(diào)光可調(diào)節(jié)流經(jīng) LED 的直流正向電流，因此可用于進(jìn)行顏色校準(zhǔn)，以達(dá)到一定色溫，如 6500K 白色。PWM 調(diào)光則以不同的占空比來調(diào)制平均電流，因此可以輕松獲得高達(dá) 16 位的分辨率，以實(shí)現(xiàn)更好的效果。
由于人類的感知亮度與 LED 亮度不成線性關(guān)系，并且人眼在低亮度下更為敏感，因此需要通過 LED 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行指數(shù)調(diào)光，才能實(shí)現(xiàn)呼吸般的平滑效果。
圖 6 顯示了 LED 動(dòng)畫驅(qū)動(dòng)器的典型框圖。
圖 6.典型的 LED 動(dòng)畫驅(qū)動(dòng)器框圖。
有些應(yīng)用需要自動(dòng)控制，這意味著 LED 驅(qū)動(dòng)器無需與控制器進(jìn)行連續(xù)通信即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)照明模式，而這需要靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和相應(yīng)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(yī)療和化工行業(yè)中起著重要作用。
恒流功率調(diào)節(jié)器對(duì)于 LED 照明來說是必須的，因?yàn)榇蠊β蔐ED 的電流在電壓僅增加 10% 的情況下便有可能會(huì)翻倍，這意味著 LED 極有可能會(huì)受到損壞。功率級(jí)的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和靈活的調(diào)光控制是選擇 LED 照明驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)主要注意事項(xiàng)，如圖 7 所示。
圖 7.LED 照明的典型框圖
對(duì)于功率級(jí)，LED 照明通常使用 LED 燈串，因此必須對(duì) LED燈串的總正向電壓 (VF) 和輸入電壓 (VIN) 進(jìn)行比較，以便選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果 VF高于 VIN，您將需要使用一個(gè)升壓拓?fù)鋪懋a(chǎn)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?fù)鋪硖岣呖傂省Ｈ绻?VF接近但略低于 VIN，則線性恒定電流源或阱也可能適用。
對(duì)于調(diào)光控制，模擬調(diào)光和 PWM 調(diào)光仍然是主要的控制方法。模擬調(diào)光具有連續(xù)的輸出電流，在視頻監(jiān)控等攝像頭相關(guān)的應(yīng)用中很受歡迎，因?yàn)樗梢詼p少閃爍。對(duì)于模擬調(diào)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(diào)光將通過施加直流電壓信號(hào)來調(diào)整輸出電流。由于電壓精度的原因，這種方法的調(diào)光比通常較低。PWM輸入可以實(shí)現(xiàn)高調(diào)光比（范圍從 0% 到接近 100% 不等），并且在使用內(nèi)部濾波器時(shí)通常需要高頻 PWM 輸入。
對(duì)于 PWM 調(diào)光，輸出電流不是連續(xù)的，如圖 9 所示。在 LED 電流波形中，tr 和 tf 是響應(yīng) PWM 命令的上升和下降時(shí)間，它們會(huì)影響調(diào)光比和最小脈沖寬度。上升和下降時(shí)間將因 PWM 調(diào)光方法（包括主 FET 調(diào)光、串聯(lián) FET 調(diào)光和并聯(lián) FET 調(diào)光）而異，如圖 10 所示。
圖 8.采用模擬調(diào)光的 LED 照明。
主 FET 調(diào)光具有最高的上升和下降時(shí)間，因此很難實(shí)現(xiàn)快速調(diào)光和高調(diào)光比。串聯(lián) FET 調(diào)光可以提高調(diào)光速度和調(diào)光比，而并聯(lián) FET 則是調(diào)光速度最快、調(diào)光比最高的 PWM 調(diào)光解決方案。表 1 比較了至今為止所介紹的所有調(diào)光方法。
圖 9.采用 PWM 調(diào)光的 LED 照明。
圖 10.LED 照明 PWM 調(diào)光方法。
表 1.LED 照明的調(diào)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(yīng)用。由于 LCD 不是自發(fā)光的，因此通常會(huì)使用幾個(gè)白光 LED 燈串來為 LCD 顯示器提供背光。雖然手機(jī)、筆記本電腦、顯示器和電視等應(yīng)用所使用的 LCD 的尺寸不盡相同，但其 LED 背光照明的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)仍然是相同的，主要集中在效率以及調(diào)光比或?qū)Ρ榷壬稀ＭǔＪ褂蒙龎盒?LED 驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng) LED 燈串。為了產(chǎn)生所需的最大亮度，LCD 面板越大，所需的 LED 燈串和每個(gè)燈串中串聯(lián)的 LED 數(shù)量就越高。通過添加恒定電流阱，可在不同LED 燈串之間實(shí)現(xiàn)更高的精度。
高效率對(duì)于背光驅(qū)動(dòng)器非常重要，因?yàn)樗馕吨摦a(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)用的電池壽命。為了實(shí)現(xiàn)高效率，LED 背光驅(qū)動(dòng)器需要高效的功率級(jí)、低靜態(tài)電流、針對(duì)恒定電流阱的低凈空電壓以及經(jīng)過優(yōu)化的外部組件。
對(duì)比度是背光照明的另一個(gè)關(guān)鍵注意事項(xiàng)，特別是對(duì)于同時(shí)涉及室內(nèi)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(diào)光比小于 500:1，但類似尺寸的探魚器可能需要高達(dá) 3000 尼特的亮度，且調(diào)光比需要超過 10000:1。模擬調(diào)光可以實(shí)現(xiàn)低調(diào)光比，如 500:1，而調(diào)光比超過 10000:1 時(shí)則需要采用高分辨率的 PWM 調(diào)光或混合調(diào)光（即將 PWM 調(diào)光和模擬調(diào)光相結(jié)合）。
根據(jù) LED 架構(gòu)的不同，LED 背光照明有兩種配置：全局調(diào)光和局部調(diào)光。
全局調(diào)光可以在 LCD 面板邊緣放置一個(gè)或多個(gè) LED 燈串，并使用導(dǎo)光板均勻地分散光線。該方案易于實(shí)現(xiàn)，是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的解決方案。
局部調(diào)光使用完整的 LED 陣列，通過在面板后面應(yīng)用更多獨(dú)立控制的區(qū)域來提高對(duì)比度。隨著微型 LED 和相應(yīng)矩陣驅(qū)動(dòng)器方面的突破，局部調(diào)光在需要超高對(duì)比度的應(yīng)用領(lǐng)域具有極佳的發(fā)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(yīng)用于更多的使用場(chǎng)合。同時(shí)，LED 驅(qū)動(dòng)器還基于上述四種LED 功能進(jìn)行了優(yōu)化，以滿足不同的要求：
• LED 指示器驅(qū)動(dòng)器的集成度越來越高，其成本與分立式晶體管陣列相當(dāng)。
• LED 動(dòng)畫驅(qū)動(dòng)器面臨更高通道數(shù)的挑戰(zhàn)，隨著矩陣驅(qū)動(dòng)器繼續(xù)投放市場(chǎng)，將能夠以單個(gè)芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)百個(gè) LED。
• LED 照明驅(qū)動(dòng)器需要更快的調(diào)光能力（對(duì)于機(jī)器視覺等應(yīng)用而言），以及更高的功率密度和低電磁干擾。
• LED 背光驅(qū)動(dòng)器在多級(jí)升壓級(jí)領(lǐng)域正面臨突破，未來將可在全局調(diào)光中實(shí)現(xiàn)極高的效率，而使用矩陣驅(qū)動(dòng)器的局部調(diào)光則可提供更高的對(duì)比度。
用于實(shí)現(xiàn) LED 的四大功能的高級(jí) LED 驅(qū)動(dòng)器將有助于解決當(dāng)今的挑戰(zhàn)，并將 LED 應(yīng)用提升到一個(gè)新的水平。
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