LED基础知识及恒流恒压电路要点.docx

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LED基础知识及恒流恒压电路要点

LED基础知识及恒流恒压电路汇总

1、概论

LED是发光二极管（LightEmittingDiode,LED）的简称，也被称作发光二极管，这种半导体组件发展以来一般是作为指示灯、显示板，但目前随着技术增加，已经能作为光源使用，它不但能够高效率地直接将电能转化为光能，而且拥有最长达数万小时～10万小时的使用寿命，同时具备不若传统灯泡易碎，并能省电，同时拥有环保无汞、体积小、可应用在低温环境、光源具方向性、造成光害少与色域丰富等优点。

LED的发明

在1955年时，美国无线电公司（RadioCorporationofAmerica）的RubinBraunstein发现了砷化镓（GaAs）与及其它半导体合金的红外线放射作用，而1962年美国通用电气公司（GE）的NickHolonyakJr则开发出可见光的LEDLED。

不过，LED真正的起飞是在1990年代白光LED出现后，才开始渐渐被重视，而应用面越来越广。

LED的发光原理

LED其实就是一种特殊形式的二极管，是一种半导体器件通过掺杂等手段形成PN结，在阳极加正电压，在阴极加负电压，则电流很容易通过，并且通过光的形式释放出能量。

在阴极加正电压，负极加正电压，不导通。

LED最特别的地方在于只有从正极通电才是会发光，故一般给予直流电时，LED会稳定地发光，但如果接上交流电，LED会呈现闪烁的型态，闪亮的频率依据输入交流电的频率而定，照明电路为50Hz交流电完全看不出闪烁。

LED的发光原理是外加电压，让电子与电洞在半导体内结合后，将能量以光的形式释放。

目前全球产业所发展出的不同种类LED能够发出从红外线到蓝之间不同波长的光线，而业界也有紫色～紫外线的LED，近年来LED最吸引人的发展是在蓝光LED上涂上荧光粉，将蓝光转化成白光的白光LED产品。

LED之所以被称为世纪新光源，原因在于LED具备点光源与固态光源的特性，能够节省能源、高耐震、寿命长、体积小响应快速、并且色彩饱和度高。

LED的颜色：

由于随着LED的制造材料不同，产生出来的光子拥有的能量也不同，

•铝砷化镓（AlGaAs）-红色及红外线

•铝磷化镓（AlGaP）-绿色

•磷化铟镓铝（AlGaInP）-高亮度的橘红色，橙色，***，黄绿色

•磷砷化镓（GaAsP）-红色，橘红色，***

•磷化镓（GaP）-红色，***，绿色

•氮化镓（GaN）-绿色，翠绿色，蓝色

•铟氮化镓（InGaN）-近紫外线，蓝绿色，蓝色

•碳化硅（SiC）（用作衬底）-蓝色

•硅（Si）（用作衬底）-蓝色（开发中）

•蓝宝石（Al2O3）（用作衬底）-蓝色

•硒化锌（ZnSe）-蓝色

•钻石（C）-紫外线

•氮化铝（AlN）,铝氮化镓（AlGaN）-波长为远至近的紫外线

LED的寿命：

一般LED的发光寿命很长，产品大多标明为100,000小时以上，但事实上LED的亮度是会衰减的，在运用一段时间后，亮度会衰捡到原本的一半或甚至更少。

但所幸随着业界技术的进步，减少LED亮度衰减问题的方案很多。

在生产过程中，选用如4元素LEC材料能够拥有较久的亮度衰减周期，而厂商使用的LED制程与成品究竟能耐用多久有很大的关系，配色也是LED厂的生产关键。

LED的使用寿命，比一般白炙灯泡的1,000小时、日光灯具的1万小时，LED使用寿命可达5万小时，大幅降低灯具替换的成本。

这项特性帮助LED灯具在价格竞争上，有了将一般灯泡替换成LED的好理由，更可藉由这项优势，让许多原本因经济考虑而不能全天开启的环境，藉由LED照明让公共或私人场所更安全

LED的应用：

最早LED是用在音响上当指示灯，然后运用在汽车上的仪表板灯、指示灯及音响面板等等，再进而至方向灯、室内灯，很快将应用到照射路面的大灯上。

用在方向灯上的技术，己快速展开LED作为一种发光元件可以用于任何照明和指示灯应用，同时LED作为白炽灯和荧光灯的替代品，

固态照明（SSL）──多个白光LED组合成一簇构成一个光源（见图）。

可以用于汽车，摩托车，电动自行车的指示灯

LED的效率提升得很快︰目前大功率白光平均光输出为60~80流明每瓦（lm/W），2008年底有望达到120lm/W。

LED的长寿命让固态照明非常有吸引力。

机械上SSL也比白炽灯和荧光灯更坚固。

目前固态照明还未能实现家用，因为还需要电源转换，而且比较昂贵，尽管成本正在下降。

闪光LED目前已经广泛应用了。

白炽灯泡非常便宜，但效率也很低，家用钨丝灯为16lm/W，卤素灯大约为22lm/W。

荧光灯效率很高，50到100lm/W（平均60lm/W），但是灯管易碎，并且需要起辉器和镇流器，因而有时会产生听觉噪音。

节能灯里面集成了一个安静的镇流器，相对比较坚固和高效，适用于标准灯座，目前是家用照明的最佳选择。

随着技术的发展，SSL的成本会不断降低，并有望在2020年以前进入千家万户。

现下LED主要用于信号指示，而在LED这一领域具有明显的优势。

在世界各地，采用发光二极管发光的交通信号灯、汽车指示灯及道路状况告示等已慢慢的变得普遍。

在香港地下铁列车中试验的发光二极管照明。

至于普通照明，目前（2008年2月）已经有量产化的商品出现。

基于省电节能及环保的原由，很多大型机构都已开始试验发光二极管照明

LED的优点很多我总结一下：

一个就是亮度高同时还非常省电第二个是寿命长：

LED使用寿命可达5万小时

下面讲讲LED的使用方法：

LED的使用方法：

LED是电流控制的元件，LED是电流型元件，主要是看通过管子电流大小的。

一般5mm的LED电流达到1mA就开始起辉，到>25mA即可能烧毁，实际在15-25mA亮度变化已不明显。

如果你把自己的LED工作电流设计在10mA，好多产品的LED指示灯工作电流设计在5mA。

下图是最简单的LED显示电路，其中电阻起到限流和分压作用，二极管有内压降，普通的二极管管压降硅管为0.7V，锗管为0.5V，LED为1.7V

上图大家注意LED有两极（就是两根线跟外部相连，阳极和阴极，阳极接电池的正，阴极接负，则LED发亮，否则LED不会亮）同时上图中电阻的阻值应该选用多少呢？

？

？

？

假设我们设计电路中电流为10ma，在25ma以下都行

R=（12-1.7）/10mA=1千欧姆哈哈很简单吧

大家思考一下如果是接入220v交流照明电路电阻值应该选多少呢

R=（311-1.7）/10mA为什么选311因为220为有效值，最大值为根号2倍的220=311

同时电阻也不能随便选择，选择了不对的电阻可能会烧毁电阻

电阻的功率选择：

P=UI=10.3V*0.01A=0.103W

可选择即使用1/8W的电阻

大家想想如果是48V的电阻怎么选呢：

R=（48-1.7）/10mA

如果为36v则电阻选R=（36-1.7）/10mA

LED的保护：

（电动自行车可以不用因为即使接反也不会烧毁LED因为电动自行车电池电压48V不会导致二极管烧毁即使64V也没问题，不过弄一个最好了呵呵）

大家如果接线接反了，LED承受反向电压，如果反向电压超过了其反向击穿电压则可能导致LED烧毁，最简单的方法是在电路中串联一个二极管，此二极管起到了保护作用，电路图如图所示:

二极管可选用1N4004或1N4007，选用二极管的原则是反向电压小于二极管的反向工作电压即可。

不过可能要稍微改写一下，以为此二极管内部有0.7V的压降则R=（12-1.7-0.7）/10mA

多个LED的串联：

下图5个发光二极管串联，R选择多少呢？

R=（12-1.7*5-0.7）/10mA=0.28千欧姆

2、发光二极管（LED）应用

LED（发光二极管）用于状态显示和矩阵面板已经很多年了。

现在，可选用的LED包括新开发的蓝光和白光LED（广泛用于便携装置）以及普遍存在的绿光、红光和黄光LED。

白光LED可做为彩显的理想背景照明。

但是，在为LED设计电源时应注意这些新LED器件的固有特性。

本文描述新、老LED的特性以及激励它们所需的电源性能。

图1标准红光、绿光和黄光LED的正向电压（范围1.4V~2.6V）与正向电流的关系

图2串联电阻器和恒压源为LED工作提供一种简单方法

图3并联工作的几个红光、黄光、绿光LED配置

图4白光LED发射波长（实线）包含蓝光和黄光区域的峰值，被人眼视为白光（图中的虚线为人眼相对光灵敏度）

标准红光，绿光和黄光LED

使LED工作的最简单方法是把电压源通过一个串联电阻加到LED上。

只要工作电压（VB）保持恒定，LED会发射恒定强度的光（虽然光强随环境温度增高会减弱）。

可以根据要求改变电阻值来变化光强。

图1示出5mm直径标准LED的正向电压（VF）与正向电流（IF）的关系。

注意，跨接在LED上的压降随正向电流增加。

假定单个绿光LED在5V恒定工作电压下具有10mA正向电流，则串联电阻器KV=（5V-VF,10mA）/10mA=300W。

如图2所示，典型工作条件下数据手册给出正向电压是2V。

像这种商用二极管是用镓-砷化物-磷化物制造的。

大多数的设计工作师了解和容易处理它们，这种LED具有如下特点：

*发射的彩光（发射波长）在正向电流、工作电压和环境温度变化时能相对保持恒定。

标准绿光LED发射波长为565nm左右，容差只有25nm。

因此，几个这样的LED并联工作（图3）不会成问题。

其色差是很小的。

正向电压的正常变化会导致光强略有变化，但这种差别也是较小的。

通常，可以忽略来自同一厂家和同一批号的LED的差别。

*在正向电流接近10mA时正向电压随正向电流有小的变化。

红光LED变化大约200mV，其他LED变化400mV左右（见图1）。

·在正向电流低于10mA时，其正向电压比蓝光或白光LED小很多，这样可直接用Li+电池或一个3节NiMH电池对它们供电。

因此，使标准LED工作的供电成本是相当低的。

在LED工作电压大于其最大正向电压时不需要升压变换器或复杂昂贵的电流源。

只要应用允许随电池放电所导致光强减弱的容限，LED甚至可直接工作在Li+或3节NiMH电池。

图5正向电流变化导致的白光LED色度坐标移位

图6增加正向电流改变发射波长使蓝光LED色度变化

蓝光和白光LED

长期以来人们无法得到发射蓝光的LED。

设计人员只能用已有的红光、绿光和黄光LED。

早期的器件实际上不是蓝光LED，而是用蓝光围绕小的白炽灯泡散射。

几年前，用纯硅碳（SiC）材料开发出首批“真正的蓝光”LED，但其光效率不高。

第二代器件是用钾一氮化物材料，其光效率是第一代蓝光LED的几倍。

现在蓝乐LED所用的外延材料是铟-钾-氮化物（InGaN）。

在450nm~470nm发射波长范围，InGaNLED光强是钾-氮化物LED的5倍。

真正的白光LED仍未能用，制造这种器件的困难在于白光不能呈现在彩色光谱中，而我们看到的白光是不同波长的混合光。

因此，必须用妙法产生白光。

用发射黄光的变换材料覆盖发蓝光的InGaN基底材料，用蓝光激发。

因此，产生蓝光和黄光的混合光，这就是人眼看到的白光（见图4）。

因为白光是不同波长的混合，所以，白光LED不可能有一个特定波长。

用色坐标定义白光LED。

根据CIE（CommissionInternationaleDeL,eclairage）15.2版计算X和Y坐标。

往往在白光LED数据手册中给出色坐标随正向电流增加而变化（见图5）。

可惜，InGaNLED处理起来不像标准绿光、红光和黄光LED那样容易。

InGaNLED的主波长（彩色）随正向电流而变化（图6）。

例如，在白光LED中，除了发蓝光InGaN材料波长随正向电压变化外，变换材料的不同密度也产生色移。

从图5可见这种色变化，X和Y坐标改变意味着色变化。

如前所述，白光LED不具有一个特定的波长。

对于高达10mA的正向电流，正向电压变化很大。

其变化范围800mV左右（某些二极管型号甚至变化更大）。

因此，电池放电引起的工作电压变化会改变光色，这是因为工作电压变化会改变正向电流。

在10mA正向电流时，正向电压为3.4V左右（此数值随制造商不同而异，范围为3.1V~4.0V）。

对于不同LED，其电流-电压特性也呈现出很大差异。

LED直接由电池供电工作是困难的，因为，大多数电池的放电态低于LED所需的最小正向电压。

图7随机选择的一组白光LED的电压-电流特性曲线

图8具有电流控制的MAX1912电荷泵为并联白光LED提供足够的工作电压和电流控制

图9单个外电阻器（RSET）可编程MAX1916加到每个LED上的相同电流。

加PWM信号到使能引脚可产生简单的亮度控制（降低亮度功能）

图10D/A转换器控制LED的降低亮度

图11开关升压变换器使能几个串联LED工作（通过CTRL输入由D/A变换器控制LED的同一正向电流）

白光LED并联工作

当今大部分便携和电池工作装置采用白光LED做为背景照明。

特别是PDA的彩色显示需要白光背光以便得到色再生来接近于原色。

未来3G移动电话也将刺激白光LED的需求。

这些装置除电话功能外，也可传输图像和视频数据，它们需要白光背光照明。

数码相机、MP3播放机和其他视频、音频设备所有的显示也需要背光照明。

大多数情况下，单个白光LED不能满足需求，所以，需要几个白光LED并联工作。

图7示出几个随机选择的白光LED（图中的虚线）产生2mA~5mA范围的正向电流，进而产生不同强度的白光。

特别是Y坐标在该区域有很大的变化（见图5），这导致照明显示器偏离真实的色彩。

另外，由于LED具有不同的光强，导致不均匀照明。

另一个问题是所需的最低电源电压。

为保证LED工作，3V以上的电压是必须的。

低于此电压，几个LED可能完全保持暗的。

Li-Ion电池充满电时能提供4.2V输出电压，在工作短时间后降到额定3.5V。

随着电池的放电，其电压进一步下降到3.0V。

若白光LED直接从电池供电（如图3所示），则会引起下面的问题。

第一个问题是当电池充满电时所有二极管都点亮，但具有不同的光强和色彩。

随着电池降到其额定电平，其光强减弱而白光的差别变大。

因此，设计人员必须考虑电池电压和二极管正向电压值，以便计算串联电阻值。

用完全放电的电池供电，一些LED将进入全暗状态。

带电流控制的电荷泵

LED电源的目标是能提供足够的高输出电压，并能使相同的电流流经并联连接的所有LED。

注意（图5），若所有并联配置的白光LED具有相同的电流，则所有LED将具有相同的坐标系。

Maxim公司的MAX1912能为此目的提供带电流控制的电荷泵。

在3个LED并联配置（图8）中，电荷泵是个大尺寸的型号，它将输入电压提高1.5倍。

较早的电荷泵只是简单地将输入电压倍压，而新技术能提供更好的效率。

把输入电压提升到刚好使LED工作的电平。

连接到SET（引脚10）的电阻器网络保证在所有LED中有相同电流。

内部电路保持SET端电压在200mV，所以，流经任何LED的电流可用下式计算：

ILED=200mV/10W=20mA。

若某些二极管需要较低的电流电平，则3个以上LED可并联工作，因为MAX1912能提供高达60mA电流。

简单的电流控制

若系统能提供高于二极管正向电压的电压，则很容易使白光LED工作。

例如，数码相机通常包含+5V电源。

这样就不需要升压功能，因为电源电压具有驱动LED的足够容限。

对于图8的电路，应选择匹配电流源。

做为一个实例，MAX1916可以驱动3个并联的LED（图9）。

其工作是简单的：

电阻器KSET编程流经所连接LED的电流。

此方法所占板面积非常小。

除IC（小的6引线SOT23封装）和少量旁路电容器外，它只需要一个外部电阻。

IC提供LED之间良好的电流匹配（0.3%）。

这种配置能提供相同的色度配置和来自每个LED的相同类型的白光。

减低亮度改变光强

一些便携装置根据环境光条件控制其光输出强度，而另一些装置在短时间待机之后通过软件降低光强。

这些操作都需要LED降低亮度，而这种微光功能将影响每个正向电流，以相同的方法使亮度坐标产生偏差。

用小的数模转换器控制流经RSET电阻器可以实现均匀亮度。

6位分辨率转换器（如带I2C兼容接口MAX5362或带SPI兼容接口的MAX5365）可提供32级光强调节（见图10）。

这类LED的白光随着亮度而变化，因为正向电流影响色坐标。

这不应该是个问题，因为相同的正向电流使组中的每个二极管发射相同的光。

不使色度坐标偏移的亮度调节是脉宽调制。

这可以用电源器件实现，这些电源器件能提供使能或停机功能。

例如，MAX1916只要EN变低就能立即限制流经LED的漏电流仅为1mA。

这导致无光发射。

EN变高态控制流经LED的可编程正向电流。

若加一个脉宽调制信号到EN端，则亮度正比于占空比。

色度坐标不会移动，因为每个LED连续流过相同的正向电流。

然而，人眼可觉察到随占空比变化的亮度变化，人眼分辨不出25Hz以上的频率，所以选择200-300Hz开关频率对于PWM减低亮度是合适的。

较高的频率可能会出会问题，因为开关LED通、断所需的短暂时间期间可能移位色度坐标。

从微处理器I/O引脚或一个外设器件可提供PWM信号。

可用的亮度级数取决于所用计数器的宽度。

开关升压变换器具有电流控制

除了上面提供的电荷泵（MAX1912）外，也可以用带电流控制的升压变换器实现。

例如开关电压变换器MAX1848可产生高达13V的输出电压，此电压驱动3个串联LED（图11）是足够的。

此方法也许是最健全的，因为所有二极管是串联的，具有完全相同的电流。

RSENSE和加在CTRL输入的电压确定LED电流。

根据上面所述方法，MAX1848可实现降低亮度功能。

流经LED的正向电流正比于加到CTRL引脚的电压。

因为，当加到CTRL引脚的电压低于100mV时，MAX1818变为关机模式，所以，可以实现PWM微亮功能。

结语

白光LED可并联工作，但要保证其正向电流相等，确保均匀的白光发射。

为使LED工作，选择可控制电流源或带电流控制的升压变换器组合。

用电荷泵或开关升压变换器可以实现各种组合。

3、高效、大电流白光LED驱动器EL7516

前言　　随着白光LED的发展，它的应用越来越广。

从前，白光LED最常见的应用是作为小尺寸LCD彩屏的背光。

现在白光LED的亮度加大，它的应用已普及到其它方面，例如手电筒或手机照相辅助照明。

本文介绍一种利用普通的升压芯片来驱动大电流LED的高效电路。

　　电路设计

　　一般白光LED的电流在20mA左右，但高亮度的LED需要200~300mA电流。

如果产品需要用三至四颗高亮度的白光LED，为了亮度平均，一般的做法都是把它们串连接在一起。

市场上绝大部分的白光LED驱动芯片都只能驱动20mA左右。

碰上串联大电流LED的应用便要另想办法。

Intersil的EL7516是一颗典型的升压芯片，此芯片工作于1.2MHz定频PWM模式，内置1.5A,200mΩMOSFET。

图1示出EL7516的典型应用电路。

通过DC-DC升压作用，EL7516将2.7~5.5V输入转化成12V的恒定电压。

跟一般PWM控制芯片一样，FB引脚是接到与1.3V比较的误差放大器。

通过选定R1,R2的电阻值来设置输出电压。

　　将EL7516的恒压电路改成驱动LED的恒流电路是非常简单的。

如图2所示，只要将在FB端的R1换成LED，改变R2就可以调节通过LED的电流。

可从下式选定R2值：

R2=VFB/Iled其中VFB是FB引脚的电压，即1.3V；Iled是通过LED的电流。

　　若Iled的要求为300mA，那么R2需要4.3W，如图3所示。

　　关于图3的电路，最大的缺点在于R2的损耗。

R2通过300mA时，电阻的功耗接近0.39W。

这样大的功耗不但影响效率，也须要用体积比较大的电阻，才能接受0.39W的热量。

一般来说，这些应用都是电池供电的，效率及线路PCB空间要求都比较严格，现在让我们看看怎样提高此线路的效率。

　　图4示出改善电路。

比较图3,图4增加了两个元件—R3及D1。

无论电路怎样改动，EL7516都会调节占空比使到FB的电压维持1.3V。

假设D1的正向导通压降是0.6V，R2的压降便约0.7V。

要保持300mALED电流，R2可选用2.3Ω。

而R2的功耗亦从原来的0.39W降至0.21W。

虽然功耗已降低，但R2也得用半瓦电阻来实现这种电路。

　　图5示出了进一步的改善方法。

一个廉价的TL431加进电路里作为2.5V的基准源。

如前所述，EL7516会保持FB在1.3V；所以通过R4的电流是:

（2.5-1.3）/20k=60mA。

因FB是一高阻抗引脚，我们假设这60mA全数流入R5而做成同样1.2V压降。

剩下的0.1V，会由R2来完成。

为了方便购买，我们把R2选定为0.39Ω。

所以通过LED的电流约为:

0.1/0.39=255mA。

R2的功耗亦大幅降低至:

0.1×0.255=26mW。

通过实验，我们得出图3与图5的效率比较结果（表1）。

　　结语

　　从以上实验可以见到，只要在电路上稍作改动，可大大提高高电流LED的工作效率。

实验中，我们用5V输入。

实际的应用很可能是单个锂电池供电。

EL7516最低工作电压为2.3V，所以适用于单个锂电池供电。

但EL7516内置MOSFET有峰值电流（1.3Amin）保护，如锂电池电压掉到3V以下，驱动四颗LED有可能触发电流保护。

如须要在3V以下工作，最好把输出减少为三颗LED。

4、LED照明灯存在的问题和解决办法

一、LED做照明灯具目前存在的问题

　　称为希望之光的LED,从1964年发明至今，已发展到普及化照明的时代，其节能、环保、亮度高、功耗小、寿命长、耐冲击等优点，前景极为广阔；在室内照明的起步阶段，还有其固有的缺点，主要表现在以下几方面：

1、不一致性带来的问题：

　　理论上LED都是能发光的二极管，而实际上所有LED的电性能都是有差异的，每个厂家的生产工艺是不一致的，甚至相差很大，就是同一厂家的不同时间的工艺都是有差异的；不同厂家使用的半导体原材料的纯度是有差异的，这就使LED的发光强度与驱动电流是不完全相同、耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了；封装工艺和封装材料的不同，使得整体的散热能力是不一样的，还有组合材料的热彭胀与散热的问题等。

由此不难看出,LED发光二极管在短期内仍存在个体之间的很大的差异，如果每个灯只用一个LED，好控制。

例如电视机、DVD上的电源指示灯；而当我们用LED制作照明灯具时，就不是用单个的LED，而是用多个、上百上千个LED成阵列接入电路，因LED的差异总有一个最先损坏，当有几个坏掉时（通常是短路），会使电流增大而损坏其他的LED。

这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。

2、驱动电路复杂的问题：

　　a.在电压匹配方面，LED不象普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。

LED是2--3.伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源。

b.在电流供应方面，LED的正常工作电流在18mA-20mA，供电电流小于15mA时LED的发光强度不够，而大于20mA时，发生光衰而导致LED老化，同时发热大增，老化加快、寿命缩短，当超过50mA时会很快损坏，为了延长LED照明灯的使用寿命，常用集成电路电源、电子变压器、分