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LED之前世今生及其驱动概述

发布时间:2020-07-21 18:50:15 阅读: 来源:葡萄酒发酵罐厂家

想象一下收到一个灯泡作为礼物会是什么样的情形。用于替代螺旋灯泡的LED灯稀少而昂贵,我居然在去年圣诞节的时候收到了这样一份礼物。不过我们正逐渐走向这样一个交叉路口:led灯将越来越普及,价格越来越便宜,到一定程度时,它们将担负起为世界照明的重担。

我们并不是简单地将采用LED技术的新型灯泡状物体扭进旧装置中。今后再也没有必要把光源看成是一次性物品。很快,灯泡(包括点亮的部分)的使用寿命将超过灯泡用户的寿命。此外,由于LED灯是瞬时开启和关断的,并且电源周期不会造成其使用寿命缩短,因此我们可以只在需要时打开LED灯。

这对于使用光学望远镜的天文学家来说是一个潜在优势,对于城市和建筑所有者来说则有可能实现大幅节能。甚至最后警察和私人保安都倾向于只在响应运动传感器时才打开夜间照明灯,因为这种灯可以帮助他们分辨坏人在哪里。不过,这种技术确实处于其发展的初期阶段,它需要一些时间来逐渐适应。

LED的物理原理

任何二极管处于传导状态时,无论电子与空穴何时复合,都会以光子的形式散发一定的能量。光色(光子的能量)取决于半导体材料的能带隙。砷化铝镓(AlGaAs)和其他材料发红光。氮化铟镓(InGaN)发绿光。硒化锌(ZnSe)发蓝光。

可以通过整合红光二极管、绿光二极管和蓝光二极管来产生白光。不过,我们非常熟悉的高亮度(HB)白光二极管整合的是蓝光InGaN二极管和黄 色荧光粉(一般为掺铈钇铝石榴石,Ce3+:YAG)。

当白光LED使用荧光粉时会发生非常有意思的、有用的事情。在称为斯托克斯(Stokes)位移的量子效应期间,荧光粉层发出的光子所具备的能量低于其从蓝光LED吸收的光子的能量(图1)。在高亮度白光LED中,一小部分蓝光发生斯托克斯位移后具有更长的波长。这是好事情,因为这使得LED厂商可以使用许多不同颜色的荧光粉层,从而扩展发射光谱,有效地提高LED的显色指数(CRI)。

也就是说,对于LED来讲,不应该只考虑白光,而应该尽可能地精确反映LED灯照射的物体的所有颜色。CRI是一个相当难以度量的指标,它表示被人工照明的物体的颜色与在实际太阳光下所显示的颜色的接近程度,我们用该指标作为“白”光的标准。

采用荧光粉的白光LED获得的高CRI是有代价的,因为斯托克斯位移会造成白光LED的效率低于单色LED的效率。不过对于大多数普通的照明应用而言,高CRI胜过效率。

持续不断的改进

根据可与摩尔定律媲美的海兹定律(以Roland Haitz命名),商业LED的最大光输出每36个月左右会翻一番。该定律对产品开发有着极大的作用。基本上,从现在起一年半内主流的LED都将可以提供如今最贵的LED的光输出。借助未来的产品,最先进的机械设计将采用越来越少的LED。

推动海兹定律的其中一个因素与难以获取二极管半导体材料的光子有关,这种材料往往具有比较高的折射率。如果光子无法通过半导体材料与其周围的空气(或真空)之间的接触面,它就会反射回半导体材料中,并被这种材料吸收。

如果半导体材料是立方体形状,它只会或多或多地发出与立方体的一面或另一面垂直的光。(回顾一下Physics 102和有关讨论“临界角”的光学章节部分。)因此,仅仅是切割LED晶圆,并将这些芯片当作某种半导体器件,显然是不符合要求的。

如果你从未处理过平面基板上沉积的二极管处延材料,那么你可能会想到模仿金刚石刀具来在这种材料上雕琢小平面。不过最切实可行的做法是,将LED放在折射率介于半导体材料与空气之间的透明塑料材料中,同时将团状的塑料塑造成球形或半球形,从而增加两个表面的临界角。

基本LED驱动

LED的驱动应该比较简单。它们是二极管,具有一定的正向压降,其光输出取决于电流,任何给定的二极管都有一个电流极限值。这看起来像一组可管理的参数,不过情况开始变得越来越复杂。就传统二极管而言,LED电流随电压呈指数级变化。(这就是肖克利(Shockley)二极管方程)

不必多说,这里讨论的不是欧姆定律。电压的微小变化会导致电流发生很大的变化。这就是为什么在多数情况下LED采用恒流源驱动的原因。采用一组手表电池供电的便宜的袖珍手电筒是一个值得注意却不吸引人的特例。这些电池很贵,但使用时间却不长。优质手电筒采用传统电池和微型升压转换器驱动器。这种手电筒价格昂贵,不过可以让传统的AAA碱性电池工作几个月的时间。

多个LED

在考虑驱动电路之前,需要进行早期的设计决策,包括阵列中LED互连的配置。除了袖珍手电筒之外,很少有应用只采用单个LED。无论是街灯中的屏幕背光LED阵列,还是替代白炽灯或荧光灯的LED方案,大多数设计都需要多个LED。

设计人员必须首先作出的其中一个决策是以串联、并联还是作为LED串的并联阵列方式驱动LED。一般来讲,以并联方式驱动许多单个LED并不可取,因为这会导致非均匀电流共享(即使LED全部具有相同的额定正向压降)。

采用串联驱动LED的方式又会引起单个LED出现故障时自动打开的情况下出现的问题。在每个LED处采用并联的齐纳二极管或硅控整流器(SCR)可以解决这个问题,不过成本比较高。SCR比较具有吸引力,因为在必须处理失效LED时,它们的功耗较低。

最佳的策略也许是承认单个LED失效与整个LED串失效一样严重,然后实现鲁棒的热设计,最大限度地减少所有LED在应有的产品使用寿命内发生热应力引起的故障的机会。

如果设计人员采用多个并联LED串,那么与采用较少具有足够输出能力的驱动器(理想情况下是一个)来驱动多个并联LED串相比,每个LED串采用独立驱动器所花费的成本将更高。

采用多个LED串往往会引起电流共享问题,这样就需要采用第一个案例中的LED串,不过仍有必要针对每个LED串采用一个镇流电阻。设计人员可以计算电阻值,假设目标为通过LED串的正压降的变化控制在±10%以内,并且假设需要匹配每个并联LED串中的电流,以便该电流的变化控制在±20%以内。

假设对于每个LED串而言,LED正向压降与通过镇流电阻的电压之和应等于驱动器标称输出电压的80%。根据这一点即可算出镇流电阻和恒流驱动器的额定电流。另一个比较简单的方案是购买匹配且交叉连接的串联/并联LED串阵列,如Philips公司的Luxeon Flood产品。

动态背光

普通的照明阵列与背光阵列除了光输出、阵列间隔和更均匀的照明效果之外就几乎不存在其它差别了。不过当背光强度与移动视频图像动态匹配时,情况有所变化。

动态背光可以产生与背光屏幕上的图像流明值相对应的局部背光强度变化,其日益普及的原因有两个。

首先,动态背光会增加被显示图像的明显动态范围(或对比度)。其次,通过对背光中的部分LED进行节流,动态背光可以降低总能耗。它对于在商店中通过比较显示屏选择高端电视机的顾客有很大的影响(图2);在很大程度上也是一种延长移动设备中的电池使用时间的方法。

图2:动态背光可调节电视屏幕背光阵列中单个LED的亮度,从而与显示图像的流明值匹配,提高显示屏的感知对比度。

我第一次看到动态背光是在恩智浦公司(NXP)的新闻发布会上,那次演示让我想起了我大学时期的某个夏季在一家电视台工

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