【導(dǎo)讀】與傳統(tǒng)照明方式相比，LED 有許多優(yōu)點。通過了解每個 LED 功能，您的設(shè)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(nèi)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(yōu)化您的設(shè)計。
1 LED 指示
不斷變化的市場條件將催生更嚴(yán)苛的安全要求標(biāo)準(zhǔn)。
2 LED 動畫
LED 動畫驅(qū)動器包括顏色混合和亮度控制等特性，可驅(qū)動應(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)動器可增強(qiáng)多種尺寸規(guī)格的顯示器的用戶體驗
– 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)動器時，很容易就會被各種選擇所淹沒。
找到一個 LED 并為系統(tǒng)設(shè)計最佳的驅(qū)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(guān)的 LED 驅(qū)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(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、測量和醫(yī)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(xué)習(xí)如何設(shè)計最佳的 LED 驅(qū)動器可能會很復(fù)雜。雖然 LED應(yīng)用范圍廣泛，但它們在終端設(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(yīng)用
LED 發(fā)明于 20 世紀(jì) 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(shè)備中的七段式顯示器。隨著對 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)明加速了高性價比白光 LED 的發(fā)展。與此同時，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(yīng)用的設(shè)計將會很復(fù)雜。傳統(tǒng)的設(shè)計原則排版以系統(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 的顏色混合對用戶體驗的改善，在 LED 驅(qū)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(shè)計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，同時也是最容易設(shè)計的。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)動電路。
有些類型的設(shè)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(shè)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(shù)關(guān)系，因此當(dāng) LED 電源電壓 (VLED)和限流電阻 (RL) 變化時，LED 電流將會很容易發(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（尤其是對于 VLED 變化很大的電池供電型應(yīng)用而言）。恒流 LED 驅(qū)動電路（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)動電路。
集成這類恒流電路的 LED 驅(qū)動器應(yīng)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(qū)動多個 LED 還可以減小系統(tǒng)尺寸。如果在驅(qū)動器中添加了內(nèi)部重影消除電路，則可以簡化點陣顯示器的驅(qū)動設(shè)計。經(jīng)過巨大的半導(dǎo)體工藝改進(jìn)，LED 指示驅(qū)動器的成本現(xiàn)在與晶體管陣列相當(dāng)。
LED 動畫
隨著彩色 LED 的發(fā)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(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 動畫促進(jìn)了“冰冷”的電子設(shè)備與人之間的生動互動，使設(shè)備能夠在與消費者的互動中進(jìn)行“交談”或“聆聽”。這就是 LED 動畫的魔力。
LED 動畫驅(qū)動器是對 LED 指示器驅(qū)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(qū)動應(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 LED 驅(qū)動器來完成，該驅(qū)動器將具有模擬調(diào)光或脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)光，可獨立控制每個 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)動器進(jìn)行指數(shù)調(diào)光，才能實現(xiàn)呼吸般的平滑效果。
圖 6 顯示了 LED 動畫驅(qū)動器的典型框圖。
圖 6.典型的 LED 動畫驅(qū)動器框圖。
有些應(yīng)用需要自動控制，這意味著 LED 驅(qū)動器無需與控制器進(jìn)行連續(xù)通信即可實現(xiàn)相應(yīng)照明模式，而這需要靜態(tài)隨機(jī)存儲器和相應(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和靈活的調(diào)光控制是選擇 LED 照明驅(qū)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(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?。如?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(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，因為它可以減少閃爍。對于模擬調(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)部濾波器時通常需要高頻 PWM 輸入。
對于 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間，它們會影響調(diào)光比和最小脈沖寬度。上升和下降時間將因 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間，因此很難實現(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，因此通常會使用幾個白光 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)計注意事項仍然是相同的，主要集中在效率以及調(diào)光比或?qū)Ρ榷壬?。通常使用升壓?LED 驅(qū)動器來驅(qū)動 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 燈串之間實現(xiàn)更高的精度。
高效率對于背光驅(qū)動器非常重要，因為它意味著該產(chǎn)品可以實現(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。為了實現(xiàn)高效率，LED 背光驅(qū)動器需要高效的功率級、低靜態(tài)電流、針對恒定電流阱的低凈空電壓以及經(jīng)過優(yōu)化的外部組件。
對比度是背光照明的另一個關(guān)鍵注意事項，特別是對于同時涉及室內(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)光可以實現(xiàn)低調(diào)光比，如 500:1，而調(diào)光比超過 10000:1 時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 面板邊緣放置一個或多個 LED 燈串，并使用導(dǎo)光板均勻地分散光線。該方案易于實現(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)用更多獨立控制的區(qū)域來提高對比度。隨著微型 LED 和相應(yīng)矩陣驅(qū)動器方面的突破，局部調(diào)光在需要超高對比度的應(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)用于更多的使用場合。同時，LED 驅(qū)動器還基于上述四種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 動畫驅(qū)動器面臨更高通道數(shù)的挑戰(zhàn)，隨著矩陣驅(qū)動器繼續(xù)投放市場，將能夠以單個芯片驅(qū)動數(shù)百個 LED。
• LED 照明驅(qū)動器需要更快的調(diào)光能力（對于機(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)動器在多級升壓級領(lǐng)域正面臨突破，未來將可在全局調(diào)光中實現(xiàn)極高的效率，而使用矩陣驅(qū)動器的局部調(diào)光則可提供更高的對比度。
用于實現(xiàn) LED 的四大功能的高級 LED 驅(qū)動器將有助于解決當(dāng)今的挑戰(zhàn)，并將 LED 應(yīng)用提升到一個新的水平。
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