內容概覽

 

本文介紹了 LED 的四個(gè)主要功能，以及如何通過(guò)這些功能來(lái)優(yōu)化您的設計。

 

1 LED 指示

 

不斷變化的市場(chǎng)條件將催生更嚴苛的安全要求標準。

 

2 LED 動(dòng)畫(huà)

 

LED 動(dòng)畫(huà)驅動(dòng)器包括顏色混合和亮度控制等特性，可驅動(dòng)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(lái)照亮某些人或物。

 

4 LED 背光 照明

 

背光 LED 驅動(dòng)器可增強多種尺寸規格的顯示器的用戶(hù)體驗

– 延長(cháng)電池壽命并縮小布板空間。

 

當為廣泛的工業(yè)應用選擇 LED 驅動(dòng)器時(shí)，很容易就會(huì )被各種選擇所淹沒(méi)。

 

找到一個(gè) LED 并為系統設計最佳的驅動(dòng)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(gè)主要功能可以幫助您選擇合適的 LED 和相關(guān)的 LED 驅動(dòng)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)于傳統的白熾燈和霓虹燈，包括更高的效率、更出色的可靠性、更長(cháng)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(fā)出可見(jiàn)光，還可通過(guò)紅外 (IR) 和 紫外 (UV) 波長(cháng)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(lái)說(shuō)，學(xué)習如何設計最佳的 LED 驅動(dòng)器可能會(huì )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(gè)主要功能包括指示、動(dòng)畫(huà)、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(fā)明于 20 世紀 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備中的七段式顯示器。隨著(zhù)對 LED 技術(shù)的持續深入研究，人們生產(chǎn)出了具有不同顏色且效率更高的 LED。1994 年，超亮藍色 LED的發(fā)明加速了高性?xún)r(jià)比白光 LED 的發(fā)展。與此同時(shí)，不可見(jiàn)波長(cháng)的 LED 從最初的 紅外線(xiàn) (IR) 擴展到了 紫外線(xiàn)（UV），因此現代 LED 開(kāi)始能夠支持可見(jiàn)光、紫外和紅外波長(cháng)，并具有高效的光輸出。

 

現代 LED 的應用范圍廣泛，從簡(jiǎn)單的指示器到可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光均包含在內，幾乎在所有類(lèi)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(mén)鈴、恒溫器、大小型電器、掃地機器人和照明系統）相連，見(jiàn)圖 2。在這些應用中，使用了不同功率水平，白色和彩色 LED 來(lái)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(kāi)，但使用一種方法來(lái)覆蓋眾多應用的設計將會(huì )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(lái)選擇不同的 LED驅動(dòng)器。然而，隨著(zhù)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(hù)體驗的改善，在 LED 驅動(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(jiàn)的的功能，同時(shí)也是最容易設計的。系統中的指示燈通常只需打開(kāi)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。機械或電子開(kāi)關(guān)（晶體管或金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 [MOSFET]）可以打開(kāi)或關(guān)閉 LED。

 

圖 3.使用限流電阻的 LED 驅動(dòng)電路。

 

有些類(lèi)型的設備（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(lái)顯示時(shí)間或電池電量等信息。設計人員通常會(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關(guān)系，因此當 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(dòng)電路（如圖 4 所示）可產(chǎn)生流經(jīng)所有 LED 的更準確的電流。參考電壓 (VREF) 通常來(lái)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(dòng)電路。

 

集成這類(lèi)恒流電路的 LED 驅動(dòng)器應用非常廣泛。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(lái)驅動(dòng)多個(gè) LED 還可以減小系統尺寸。如果在驅動(dòng)器中添加了內部重影消除電路，則可以簡(jiǎn)化點(diǎn)陣顯示器的驅動(dòng)設計。經(jīng)過(guò)巨大的半導體工藝改進(jìn)，LED 指示驅動(dòng)器的成本現在與晶體管陣列相當。

 

LED 動(dòng)畫(huà)

 

隨著(zhù)彩色 LED 的發(fā)明，LED 動(dòng)畫(huà)變得越來(lái)越普遍。動(dòng)畫(huà)有助于改善 HMI 體驗，因為它可以通過(guò)生成數百萬(wàn)種顏色并更改亮度來(lái)形成視覺(jué)上令人愉悅的照明圖案。在智能家居設備等設備中，LED 動(dòng)畫(huà)促進(jìn)了“冰冷”的電子設備與人之間的生動(dòng)互動(dòng)，使設備能夠在與消費者的互動(dòng)中進(jìn)行“交談”或“聆聽(tīng)”。這就是 LED 動(dòng)畫(huà)的魔力。

 

LED 動(dòng)畫(huà)驅動(dòng)器是對 LED 指示器驅動(dòng)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(dòng)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(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(wàn)種顏色。在生成某種顏色后，通過(guò)應用漸變的亮度變化，可以實(shí)現“呼吸”式效果。

 

圖 5.通過(guò) RGB 顏色模型生成的色環(huán)。

 

顏色混合和亮度控制通常通過(guò)一個(gè) LED 驅動(dòng)器來(lái)完成，該驅動(dòng)器將具有模擬調光或脈寬調制 (PWM) 調光，可獨立控制每個(gè) RGB LED。模擬調光可調節流經(jīng) LED 的直流正向電流，因此可用于進(jìn)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(lái)調制平均電流，因此可以輕松獲得高達 16 位的分辨率，以實(shí)現更好的效果。

 

由于人類(lèi)的感知亮度與 LED 亮度不成線(xiàn)性關(guān)系，并且人眼在低亮度下更為敏感，因此需要通過(guò) LED 驅動(dòng)器進(jìn)行指數調光，才能實(shí)現呼吸般的平滑效果。

 

圖 6 顯示了 LED 動(dòng)畫(huà)驅動(dòng)器的典型框圖。

 

圖 6.典型的 LED 動(dòng)畫(huà)驅動(dòng)器框圖。

 

有些應用需要自動(dòng)控制，這意味著(zhù) LED 驅動(dòng)器無(wú)需與控制器進(jìn)行連續通信即可實(shí)現相應照明模式，而這需要靜態(tài)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(lái)照亮某些人或物。白光 LED 照明幾乎無(wú)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(jiàn)。UV LED照明在醫療和化工行業(yè)中起著(zhù)重要作用。

 

恒流功率調節器對于 LED 照明來(lái)說(shuō)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(huì )翻倍，這意味著(zhù) LED 極有可能會(huì )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(dòng)器的兩個(gè)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 (V_F) 和輸入電壓 (V_IN) 進(jìn)行比較，以便選擇合適的拓撲結構。如果 V_F高于 _VIN，您將需要使用一個(gè)升壓拓撲來(lái)產(chǎn)生足夠的電壓，以正向偏置 LED 燈串。如果 V_F低于V_IN，則需要使用降壓拓撲來(lái)提高總效率。如果 V_F接近但略低于 V_IN，則線(xiàn)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(guān)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(lèi)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(guò)施加直流電壓信號來(lái)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(shí)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(shí)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(shí)間，它們會(huì )影響調光比和最小脈沖寬度。上升和下降時(shí)間將因 PWM 調光方法（包括主 FET 調光、串聯(lián) FET 調光和并聯(lián) 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(shí)間，因此很難實(shí)現快速調光和高調光比。串聯(lián) FET 調光可以提高調光速度和調光比，而并聯(lián) 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(fā)光的，因此通常會(huì )使用幾個(gè)白光 LED 燈串來(lái)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(dòng)器來(lái)驅動(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 數量就越高。通過(guò)添加恒定電流阱，可在不同LED 燈串之間實(shí)現更高的精度。

 

高效率對于背光驅動(dòng)器非常重要，因為它意味著(zhù)該產(chǎn)品可以實(shí)現更低的功耗和更出色的熱性能。高效率還可以延長(cháng)電池供電型應用的電池壽命。為了實(shí)現高效率，LED 背光驅動(dòng)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(guò)優(yōu)化的外部組件。

 

對比度是背光照明的另一個(gè)關(guān)鍵注意事項，特別是對于同時(shí)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(lèi)似尺寸的探魚(yú)器可能需要高達 3000 尼特的亮度，且調光比需要超過(guò) 10000:1。模擬調光可以實(shí)現低調光比，如 500:1，而調光比超過(guò) 10000:1 時(shí)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(gè)或多個(gè) LED 燈串，并使用導光板均勻地分散光線(xiàn)。該方案易于實(shí)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(guò)在面板后面應用更多獨立控制的區域來(lái)提高對比度。隨著(zhù)微型 LED 和相應矩陣驅動(dòng)器方面的突破，局部調光在需要超高對比度的應用領(lǐng)域具有極佳的發(fā)展前景。

 

展望未來(lái)

 

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(chǎng)合。同時(shí)，LED 驅動(dòng)器還基于上述四種LED 功能進(jìn)行了優(yōu)化，以滿(mǎn)足不同的要求：

 

• LED 指示器驅動(dòng)器的集成度越來(lái)越高，其成本與分立式晶體管陣列相當。

• LED 動(dòng)畫(huà)驅動(dòng)器面臨更高通道數的挑戰，隨著(zhù)矩陣驅動(dòng)器繼續投放市場(chǎng)，將能夠以單個(gè)芯片驅動(dòng)數百個(gè) LED。

• LED 照明驅動(dòng)器需要更快的調光能力（對于機器視覺(jué)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(dòng)器在多級升壓級領(lǐng)域正面臨突破，未來(lái)將可在全局調光中實(shí)現極高的效率，而使用矩陣驅動(dòng)器的局部調光則可提供更高的對比度。

 

用于實(shí)現 LED 的四大功能的高級 LED 驅動(dòng)器將有助于解決當今的挑戰，并將 LED 應用提升到一個(gè)新的水平。

 

 

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