多年以來，發(fā)光二極管(LED)一直是狀態(tài)顯示屏和點陣顯示屏的必然選擇。如今，你能選擇先進的藍(lán)光和白光LED(廣泛用于便攜式裝置中)，也可以選擇無所不在的綠光、紅光和黃光LED，如白光LED被視為彩色顯示屏的理想背景照明。但是，在為LED設(shè)計電源系統(tǒng)的時候，應(yīng)該注意這些新型LED器件本身固有的特性。

標(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED

要正確使用一個LED，最簡單的方法是將一個電壓源和一個LED、一個電阻串聯(lián)在一起。只要工作電壓VB保持恒定，LED就能發(fā)出強度恒定的光(雖然隨著環(huán)境溫度的上升光的強度會減弱)。當(dāng)然，你也可以通過改變電阻來改變光強度。注意，通過LED的壓降隨著正向電流增長而增長。假如單個綠光LED正向電流為10mA，恒定的工作電壓為5V，串聯(lián)的電阻RV等于(5V-VF,10Ma)/1mA=300Ω，正向電壓為2V。

商用二極管和用鎵砷磷混合物(GaAsP)制成的二極管一樣，對大多數(shù)設(shè)計工程師來說容易操作和了解，這些二極管擁有很多優(yōu)勢。
· 隨著正向電流、工作電流以及環(huán)境溫度的變化，發(fā)光的顏色(發(fā)出光的波長)保持相對穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)綠光LED發(fā)出一個波長約為565nm的光，只有25nm的小誤差。因為顏色的差異很小，所以將幾個這樣的LED并聯(lián)工作不會出現(xiàn)問題。通常正向電壓的變化能夠在光強方面產(chǎn)生微弱的差異，但這些是次要因素。通常，你可以忽略同一廠家生產(chǎn)的同一批號LED之間的任何差別。
· 正向電流上升到大約10mA時，正向電壓幾乎不出現(xiàn)變化。紅光LED的變化大約為200mV，其它顏色的LED 變化大約為400mV。
· 正向電流低于10mA，藍(lán)光和白光LED正向電壓更低，允許直接用一個Li+電池或者NiMH電池驅(qū)動。

于是，標(biāo)準(zhǔn)LED工作時的耗電很低。如果LED的工作電壓高于它的最大正向電壓，那么就不需要升壓轉(zhuǎn)換器或者復(fù)雜昂貴的電壓源。

只要應(yīng)用環(huán)境能容忍電池放電時光強的減弱，這些LED甚至可以直接用Li+或者NiMH電池來驅(qū)動。

藍(lán)光LED

有相當(dāng)長一段時間，由于藍(lán)光LED還沒有獲得應(yīng)用，設(shè)計工程師只能求助于現(xiàn)成的紅光、綠光和黃光。早期“藍(lán)光”器件實際上不是真正的藍(lán)光LED，只是一些用藍(lán)色發(fā)光體封裝的小白熾燈泡。

幾年前，第一個采用純碳化硅材料(SiC)的“真正藍(lán)光”LED開發(fā)成功，但是它們的發(fā)光效率很低。緊接著的一代器件基礎(chǔ)材料采用氮化鎵(GaN)，使發(fā)光效率達(dá)到了第一版本的好幾倍高。如今的藍(lán)光LED晶粒外延(epitaxy)材料稱為InGaN(Indium-Gallium-Nitride)，發(fā)出的波長在450nm到470nm范圍內(nèi)。InGaN LED產(chǎn)生的光強是氮鎵LED的五倍。

白光LED

真正的白光LED目前還沒有出現(xiàn)，因為LED需要發(fā)出一個特定的波長，這樣的器件很難構(gòu)造，白光不出現(xiàn)在彩色光譜中，取而代之的是從波長混合體中覺察白光。

制造白光LED需要采用一些訣竅，用一個轉(zhuǎn)換材料把產(chǎn)生藍(lán)光的InGaN基體材料封住，當(dāng)被藍(lán)光激勵時轉(zhuǎn)換材料發(fā)出黃光。結(jié)果便產(chǎn)生了藍(lán)光和黃光的混合光，用眼睛觀看就是白光。

白光LED的顏色用顏色坐標(biāo)系定義，這些X和Y坐標(biāo)值是根據(jù)國際照明協(xié)會CIE(the Commission International De L`Eclairage)的15.2版本中出現(xiàn)的說明進行計算的。

不幸的是，基于InGaN技術(shù)LED的使用并不是像標(biāo)準(zhǔn)綠光、紅光和黃光型LED那樣容易掌握。InGaN LED主導(dǎo)波長(顏色)是隨著正向電流而變化的。例如，由于轉(zhuǎn)換材料濃度的不同，白光LED的顏色會發(fā)生變化。而且波長隨著發(fā)出藍(lán)光的InGaN材料的正向電壓而變化(正如前面提到的，白光LED沒有特定的波長)。

由于正向電流可達(dá)10mA，正向電壓變化比較大，變化范圍大約是800mV(對于某些型號的二極管，正向電壓變化甚至更多)。這樣，由于電池放電造成的工作電壓變化就改變了二極管的顏色，這是因為工作電壓的變化改變了正向電流。在正向電流為10mA時，正向電壓大約為3.4V(這個數(shù)值隨著生產(chǎn)廠家而變化，范圍在3.1V至4.0V)。不同LED的電流-電壓特性有明顯的變化。LED直接靠一節(jié)電池來工作是很困難的，因為大多數(shù)電池放電狀態(tài)低于LED的最低所需正向電壓。

并聯(lián)白光LED的操作

許多便攜式和電池驅(qū)動型裝置用白光LED作為背景照明，特別是PDA彩色顯示屏需要一個白色背光燈，以獲得接近原始色彩的再現(xiàn)效果。將來3G移動電話將支持圖像和視頻數(shù)據(jù)，這就更加需要白色背光顯示屏。

在多數(shù)情況下，只有單個白光LED是不夠的，要將多個白光LED組合在一起。即使在電池充電和其它條件變化時，也必須采取特殊的步驟，以確保它們的光強和顏色相匹配。

對于一組任意選擇的白光LED，為它們施加3.3V電壓就產(chǎn)生2mA至5mA的正向電流，最終產(chǎn)生不同色調(diào)的白光，結(jié)果導(dǎo)致照明顯示屏上不真實的顏色再生。LED也有不同光強，這些光強產(chǎn)生不均勻的照明。

另一個問題是所需要的最小供給電壓。對LED操作來說，最小供給電壓必須遠(yuǎn)高于3V。低于這個電壓值，某些LED可能無法點亮。

一個充滿電的Li-Ion電池提供4.2V的輸出電壓，在短時間工作以后輸出電壓降為有名無實的3.5V。由于電池放電，該電壓進一步降至3.0V。如果白光LED直接靠電池工作，那么將會出現(xiàn)下面的問題：首先，當(dāng)電池充滿電時，所有的二極管發(fā)光，光強和色調(diào)不同；但電池電壓降到有名無實時，光強減弱和白光色調(diào)差異變得更明顯，因此設(shè)計師傅在計算串聯(lián)電阻時，必須考慮電池電壓值和二極管正向電壓(隨著電池完全放電，一些LED將完全變暗)。

充電泵的電流控制

LED電源的目標(biāo)是提供足夠高的輸出電壓，并且迫使同樣的電流通過所有并聯(lián)的LED。注意，如果所有并聯(lián)白光LED有同樣的電流，那么這些白光LED將有相同的色相坐標(biāo)。Maxim公司提供能達(dá)到此目的的電流控制充電泵(MAX1912)。

3個LED處于并聯(lián)結(jié)構(gòu)，充電泵是一個大規(guī)模器件，能夠使輸入電壓得到系數(shù)為1.5的提升，早期充電泵只是將輸入電壓雙倍增大，但這個新技術(shù)提供更好的效率。將輸入電壓放大到剛好使LED工作的電壓。電阻網(wǎng)絡(luò)與SET(pin10)相連，確保所有LED中有相同電流。內(nèi)部電路將SET電壓維持在200mV，所以通過任何LED的電流可以計算為：

ILED=200 mV /10Ω=20mA

如果某些二極管需要更低的電流，可以將3個以上的二極管并聯(lián)，因為MAX1912釋放出差不多60mA的電流，具體參照MAX1912參數(shù)表。

簡單的電流控制方法

如果為系統(tǒng)提供一個高于二極管正向電壓的工作電壓，白光LED就容易控制。例如，數(shù)字照相機通常有一個+5V的供給電壓，這樣就不需要升壓功能，因為供給電壓有足夠的余量來驅(qū)動LED。

該控制過程很簡單：電阻RSET規(guī)定了強制流經(jīng)所有并聯(lián)LED的電流。這個方法占用很小PCB空間。除IC(小型6管腳SOT23封裝)和很少旁路電容外，只需一個外接電阻，IC在LED之間提供完美的0.03%電流匹配。這種結(jié)構(gòu)提供相同的色相，使每個LED發(fā)出相同類型的白光。

通過調(diào)光改變光強

一些便攜裝置根據(jù)周圍光線的環(huán)境控制光輸出強度，其它則在短暫待機間隔后通過軟件降低光強。這兩種操作均需要對LED進行調(diào)光處理，這種調(diào)光功能將以同樣的方式影響每個正向電流，以避免色相坐標(biāo)可能的變化。采用一個小巧的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器來控制流經(jīng)RSET電阻的電流，就能夠得到這種一致性。

借助于6位解析度的轉(zhuǎn)換器，如采用兼容12C接口的MAX5362，或者兼容SPI接口的MAX5365，就有可能實現(xiàn)具有32級光強的調(diào)光功能。來自LED的白光類型隨著亮度改變而改變，因為正向電流影響色相坐標(biāo)，這應(yīng)該不是個問題，因為相同的正向電流可使一組二極管發(fā)出相同的光。

能讓色相坐標(biāo)不發(fā)生偏移的調(diào)光功能稱為脈寬調(diào)制，這可通過大多數(shù)提供啟動或關(guān)閉功能的電源器件來實現(xiàn)脈寬調(diào)制。例如，只要調(diào)低EN使該器件不起作用，MAX1916就將LED的漏電流限制在僅有1μA，結(jié)果就不會發(fā)光。調(diào)高EN可使規(guī)定的正向電流通過LED。如果將脈寬調(diào)制信號應(yīng)用于EN，那么亮度就與信號的占空比成比例。

因為每個LED持續(xù)流過相同的正向電流，所以色相坐標(biāo)不發(fā)生位移。然而，人眼可以覺察到因為亮度變化而造成的占空比變化。高于25Hz的頻率不能被人眼覺察，所以200-300Hz的開關(guān)頻率對脈寬調(diào)制調(diào)光是一個好的選擇。更高的頻率會產(chǎn)生問題，因為LED點亮、熄滅的短暫間隔內(nèi)，色相坐標(biāo)可能會移動。微處理器的I/O腳或它的任一外圍器件都能夠提供脈寬調(diào)制信號�？色@得的亮度等級數(shù)依賴于為此而設(shè)計的計數(shù)寄存器的寬度。

具有電流控制功能的開關(guān)式升壓轉(zhuǎn)換器

除了上面提及的充電泵MAX1912之外，也可以使用具有電流控制功能的升壓轉(zhuǎn)換器。例如，開關(guān)式電壓轉(zhuǎn)換器MAX1848產(chǎn)生高達(dá)13V的輸出電壓，足夠驅(qū)動3個串聯(lián)的LED。這種方法可能最簡潔，因為所有的串聯(lián)LED有非常一致的電流。LED的電流由RSNSE和應(yīng)用到CTRL輸入端的電壓決定。

根據(jù)上面講述的任何一個方法，MAX1848能夠執(zhí)行調(diào)光功能。由于通過LED的正向電流與應(yīng)用于CTRL腳的電壓成比例，當(dāng)應(yīng)用于CTRL的電壓變得低于100mV時，MAX1848進入關(guān)閉模式，同樣也實現(xiàn)了脈寬調(diào)制調(diào)光功能。

總結(jié)

如果采用使二極管正向電流相等的方法，確保它們發(fā)出均勻的白光，那么這些LED就能夠以并聯(lián)方式工作。為了正確使用LED，既可選擇受控電流源，也可選擇組合有電流控制功能的升壓轉(zhuǎn)換器。如果采用充電泵或者開關(guān)式升壓轉(zhuǎn)換器，就能通過極少數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品實現(xiàn)這種組合。

欲了解更多資料，請參考Standard and White LED Basics and Operation - AN3070，網(wǎng)址為http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN3070.pdf。