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常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)

發(fā)布時間:2021-01-03 來源:Kenneth Du 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】與傳統(tǒng)照明方式相比,LED 有許多優(yōu)點(diǎn)。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(yàn)
– 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?yàn)樗诤芏喾矫娑純?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(xiàng)。
 
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。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
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。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
圖 2.智能家居中的 LED 用例。
 
設(shè)計注意事項(xiàng)
 
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(yàn)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。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
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(diǎn)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(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(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。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
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(diǎn)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(yàn),因?yàn)樗梢酝ㄟ^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(fèi)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(shí)現(xiàn)“呼吸”式效果。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
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(dú)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(shí)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(shí)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。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
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(shí)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?yàn)榇蠊β蔐ED 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(xiàng),如圖 7 所示。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
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?yàn)樗梢詼p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(shí)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。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
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(shí)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。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
圖 9.采用 PWM 調(diào)光的 LED 照明。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
圖 10.LED 照明 PWM 調(diào)光方法。
 
常見LED功能和LED驅(qū)動器設(shè)計注意事項(xiàng)
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(xiàng)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(shí)現(xiàn)更高的精度。
 
高效率對于背光驅(qū)動器非常重要,因?yàn)樗馕吨摦a(chǎn)品可以實(shí)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(shí)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(xiàng),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(shí)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(shí)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(dú)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(shí)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(shí)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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