LED(發光二極管)用于狀態顯示和矩陣面板已經很多年了。現在，可選用的LED包括新開發的藍光和白光LED(廣泛用于便攜裝置)以及普遍存在的綠光、紅光和黃光LED。白光LED可做為彩顯的理想背景照明。但是，在為LED設計電源時應注意這些新LED器件的固有特性。本文描述新、老LED的特性以及激勵它們所需的電源性能。


圖1  標準紅光、綠光和黃光LED的正向電壓(范圍1.4V~2.6V)與正向電流的關系


圖2  串聯電阻器和恒壓源為LED工作提供一種簡單方法


圖3  并聯工作的幾個紅光、黃光、綠光LED配置



圖4  白光LED發射波長(實線)包含藍光和黃光區域的峰值，被人眼視為白光(圖中的虛線為人眼相對光靈敏度)

標準紅光，綠光和黃光LED
使LED工作的最簡單方法是把電壓源通過一個串聯電阻加到LED上。只要工作電壓(VB)保持恒定，LED會發射恒定強度的光(雖然光強隨環境溫度增高會減弱)。可以根據要求改變電阻值來變化光強。
圖1示出5mm直徑標準LED的正向電壓(VF)與正向電流(IF)的關系。注意，跨接在LED上的壓降隨正向電流增加。假定單個綠光LED在5V恒定工作電壓下具有10mA正向電流，則串聯電阻器KV=(5V-VF,10mA)/10mA=300W。如圖2所示，典型工作條件下數據手冊給出正向電壓是2V。像這種商用二極管是用鎵-砷化物-磷化物制造的。大多數的設計工作師了解和容易處理它們，這種LED具有如下特點：
?發射的彩光(發射波長)在正向電流、工作電壓和環境溫度變化時能相對保持恒定。標準綠光LED發射波長為565nm左右，容差只有25nm。因此，幾個這樣的LED并聯工作(圖3)不會成問題。其色差是很小的。正向電壓的正常變化會導致光強略有變化，但這種差別也是較小的。通常，可以忽略來自同一廠家和同一批號的LED的差別。
?在正向電流接近10mA時正向電壓隨正向電流有小的變化。紅光LED變化大約200mV，其他LED變化400mV左右(見圖1)。
·在正向電流低于10mA時，其正向電壓比藍光或白光LED小很多，這樣可直接用Li+電池或一個3節NiMH電池對它們供電。
因此，使標準LED工作的供電成本是相當低的。在LED工作電壓大于其最大正向電壓時不需要升壓變換器或復雜昂貴的電流源。只要應用允許隨電池放電所導致光強減弱的容限，LED甚至可直接工作在Li+或3節NiMH電池。


圖5  正向電流變化導致的白光LED色度坐標移位


圖6  增加正向電流改變發射波長使藍光LED色度變化

藍光和白光LED
長期以來人們無法得到發射藍光的LED。設計人員只能用已有的紅光、綠光和黃光LED。早期的器件實際上不是藍光LED，而是用藍光圍繞小的白熾燈泡散射。幾年前，用純硅碳(SiC)材料開發出首批“真正的藍光”LED，但其光效率不高。第二代器件是用鉀一氮化物材料，其光效率是第一代藍光LED的幾倍。現在藍樂LED所用的外延材料是銦-鉀-氮化物(InGaN)。在450nm~470nm發射波長范圍，InGaN LED光強是鉀-氮化物LED的5倍。
真正的白光LED仍未能用，制造這種器件的困難在于白光不能呈現在彩色光譜中，而我們看到的白光是不同波長的混合光。因此，必須用妙法產生白光。用發射黃光的變換材料覆蓋發藍光的InGaN基底材料，用藍光激發。因此，產生藍光和黃光的混合光，這就是人眼看到的白光(見圖4)。
因為白光是不同波長的混合，所以，白光LED不可能有一個特定波長。用色坐標定義白光LED。根據CIE(Commission Internationale De L,eclairage)15.2版計算X和Y 坐標。往往在白光LED數據手冊中給出色坐標隨正向電流增加而變化(見圖5)。可惜，InGaN LED處理起來不像標準綠光、紅光和黃光LED那樣容易。
InGaN  LED的主波長(彩色)隨正向電流而變化(圖6)。例如，在白光LED中，除了發藍光InGaN材料波長隨正向電壓變化外，變換材料的不同密度也產生色移。從圖5可見這種色變化，X和Y坐標改變意味著色變化。如前所述，白光LED不具有一個特定的波長。
對于高達10mA的正向電流，正向電壓變化很大。其變化范圍800mV左右(某些二極管型號甚至變化更大)。因此，電池放電引起的工作電壓變化會改變光色，這是因為工作電壓變化會改變正向電流。在10mA正向電流時，正向電壓為3.4V左右(此數值隨制造商不同而異，范圍為3.1V~4.0V)。對于不同LED，其電流-電壓特性也呈現出很大差異。LED直接由電池供電工作是困難的，因為，大多數電池的放電態低于LED所需的最小正向電壓。


圖7  隨機選擇的一組白光LED的電壓-電流特性曲線


圖8  具有電流控制的MAX1912電荷泵為并聯白光LED提供足夠的工作電壓和電流控制


圖9  單個外電阻器(RSET)可編程MAX1916加到每個LED上的相同電流。加PWM信號到使能引腳可產生簡單的亮度控制(降低亮度功能)



圖10  D/A轉換器控制LED的降低亮度


圖11  開關升壓變換器使能幾個串聯LED工作(通過CTRL輸入由D/A變換器控制LED的同一正向電流)


白光LED并聯工作
當今大部分便攜和電池工作裝置采用白光LED做為背景照明。特別是PDA的彩色顯示需要白光背光以便得到色再生來接近于原色。未來3G移動電話也將刺激白光LED的需求。這些裝置除電話功能外，也可傳輸圖像和視頻數據，它們需要白光背光照明。數碼相機、MP3播放機和其他視頻、音頻設備所有的顯示也需要背光照明。大多數情況下，單個白光LED不能滿足需求，所以，需要幾個白光LED并聯工作。
圖7示出幾個隨機選擇的白光LED(圖中的虛線)產生2mA~5mA范圍的正向電流，進而產生不同強度的白光。特別是Y坐標在該區域有很大的變化(見圖5)，這導致照明顯示器偏離真實的色彩。另外，由于LED具有不同的光強，導致不均勻照明。另一個問題是所需的最低電源電壓。為保證LED工作，3V以上的電壓是必須的。低于此電壓，幾個LED可能完全保持暗的。
Li-Ion電池充滿電時能提供4.2V輸出電壓，在工作短時間后降到額定3.5V。隨著電池的放電，其電壓進一步下降到3.0V。若白光LED直接從電池供電(如圖3所示)，則會引起下面的問題。
第一個問題是當電池充滿電時所有二極管都點亮，但具有不同的光強和色彩。隨著電池降到其額定電平，其光強減弱而白光的差別變大。因此，設計人員必須考慮電池電壓和二極管正向電壓值，以便計算串聯電阻值。用完全放電的電池供電，一些LED將進入全暗狀態。

帶電流控制的電荷泵
LED電源的目標是能提供足夠的高輸出電壓，并能使相同的電流流經并聯連接的所有LED。注意(圖5)，若所有并聯配置的白光LED具有相同的電流，則所有LED將具有相同的坐標系。Maxim公司的MAX1912能為此目的提供帶電流控制的電荷泵。
在3個LED并聯配置(圖8)中，電荷泵是個大尺寸的型號，它將輸入電壓提高1.5倍。較早的電荷泵只是簡單地將輸入電壓倍壓，而新技術能提供更好的效率。把輸入電壓提升到剛好使LED工作的電平。連接到SET(引腳10)的電阻器網絡保證在所有LED中有相同電流。內部電路保持SET端電壓在200mV，所以，流經任何LED的電流可用下式計算：ILED=200mV/10W=20mA。
若某些二極管需要較低的電流電平，則3個以上LED可并聯工作，因為MAX1912能提供高達60mA電流。

簡單的電流控制
若系統能提供高于二極管正向電壓的電壓，則很容易使白光LED工作。例如，數碼相機通常包含+5V電源。這樣就不需要升壓功能，因為電源電壓具有驅動LED的足夠容限。對于圖8的電路，應選擇匹配電流源。做為一個實例，MAX1916可以驅動3個并聯的LED(圖9)。
其工作是簡單的：電阻器KSET編程流經所連接LED的電流。此方法所占板面積非常小。除IC(小的6引線SOT23封裝)和少量旁路電容器外，它只需要一個外部電阻。IC提供LED之間良好的電流匹配(0.3%)。這種配置能提供相同的色度配置和來自每個LED的相同類型的白光。

減低亮度改變光強
一些便攜裝置根據環境光條件控制其光輸出強度，而另一些裝置在短時間待機之后通過軟件降低光強。這些操作都需要LED降低亮度，而這種微光功能將影響每個正向電流，以相同的方法使亮度坐標產生偏差。用小的數模轉換器控制流經RSET電阻器可以實現均勻亮度。
6位分辨率轉換器(如帶I2C兼容接口MAX5362或帶SPI兼容接口的MAX5365)可提供32級光強調節(見圖10)。這類LED的白光隨著亮度而變化，因為正向電流影響色坐標。這不應該是個問題，因為相同的正向電流使組中的每個二極管發射相同的光。
不使色度坐標偏移的亮度調節是脈寬調制。這可以用電源器件實現，這些電源器件能提供使能或停機功能。例如，MAX1916只要EN變低就能立即限制流經LED的漏電流僅為1mA。這導致無光發射。EN變高態控制流經LED的可編程正向電流。若加一個脈寬調制信號到EN端，則亮度正比于占空比。
色度坐標不會移動，因為每個LED連續流過相同的正向電流。然而，人眼可覺察到隨占空比變化的亮度變化，人眼分辨不出25Hz以上的頻率，所以選擇200-300Hz開關頻率對于PWM減低亮度是合適的。較高的頻率可能會出會問題，因為開關LED通、斷所需的短暫時間期間可能移位色度坐標。從微處理器I/O引腳或一個外設器件可提供PWM信號。可用的亮度級數取決于所用計數器的寬度。

開關升壓變換器具有電流控制
除了上面提供的電荷泵(MAX1912)外，也可以用帶電流控制的升壓變換器實現。例如開關電壓變換器MAX1848可產生高達13V的輸出電壓，此電壓驅動3個串聯LED(圖11)是足夠的。此方法也許是最健全的，因為所有二極管是串聯的，具有完全相同的電流。RSENSE和加在CTRL輸入的電壓確定LED電流。
根據上面所述方法，MAX1848可實現降低亮度功能。流經LED的正向電流正比于加到CTRL引腳的電壓。因為，當加到CTRL引腳的電壓低于100mV時，MAX1818變為關機模式，所以，可以實現PWM微亮功能。

結語
白光LED可并聯工作，但要保證其正向電流相等，確保均勻的白光發射。為使LED工作，選擇可控制電流源或帶電流控制的升壓變換器組合。用電荷泵或開關升壓變換器可以實現各種組合。