LED驱动基础知识详细解答.PDF

LED 驱动基础知识详细解答 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