高辉度LED的特性与驱动方法

一、高辉度LED的特性

1、顺向电压——顺向电流特性

图1是一般高辉度白光与红光LED的VF-IF特性，这类LED具备与一般二极管相同的特性，图中顺向电压低于1.7V与2.8V以下时，几乎没有任何电流流动，不过一旦超过上述两电压，电流就开始流动，要使LED点灯的电压随着各产品不同，一般需要1.7V~4V左右的电压。

2、顺向电流——相对光度特性

直流驱动时LED的亮度一直到该产品的设计值为止，几乎与电流呈直线性比例，利用PWM脉冲驱动时，LED的亮度与Duty几乎呈直线性关系。

图2是IF=20mA亮度为1时，IF产生的相对光度特性，由图可知2倍的电流亮度不会变成2倍，主要原因如图3所示增加电流，LED本身具有自我发热特性造成组件温度上升，换句话说大部份的电能转换成热能，实际上使LED点亮的电流与施加的电流并不是2倍关系。

3、顺向电流适应值

部份产品除外大多数高辉度LED的适应顺向电流与发光色无关都设定为20mA，虽然LED的规格书中并未明确记载，一般该值都被设定成可以充分发挥LED的性能与可靠性，也就是说规格书记载的项目，都采用20mA点灯时的数据。

LED的IF=20mA时的VF，例如表1白光技术数据记载规定VF在3.6~4V范围，不过这并不表示“只要是3.6~4V之间，就有20mA的电流流动”，它表示随着产品各自的差异，即使在该范围内VF也会有散乱分布现象，即使对同品种LED施加相同电流，各LED的VF值却不相同，此外还需注意VF对周围温度的变动。由此可知同品种LED随着各LED差异， 会有散乱分布现象，不过它并不表示该LED是不良品或是瑕疵品。

为量测实际LED的VF，电流计与电压计依照图3连接，并将电源设备的电压设定成可以使IF变成20mA，此时施加于LED的电压变成VF。

接着从相同批次适当取出2个白光LED量测，其结果如图4（a）、（b）所示，VF值分别是3.7V与3.1V，虽然3.1V低VF LED已经偏离规格值，不过最近的LED发光效率提升VF值却下跌，因此大部份高辉度LED的VF值都低于3V。

二、复数LED的点灯方法

1、并联连接方式

LED的VF各自差异对复数LED并联连接点灯有不良影响，如图5所示上述已经测试过VF相异的LED并联连接施加电压时，会产生类似图6亮度极端差异结果，照片右侧LED的内部电流接近额定，左侧LED的电流只能使LED开始点亮的程度，由此证实电流不均会直接反映在亮度。

虽然直接提高电压左侧LED会变亮，不过右侧LED内部流动的电流也会随着变成过大，进而对LED形成无法复原的伤害，此时为获得相同亮度因此对两LED施加相同电流。如图7所示所谓并联连接是将电阻并联连接在各LED，藉此调整电流的方式，这种连接方式以往经常出现在各种LED应用电子产品。图8是并联连接方式的实验结果，由于联连接方式事前必需调查VF调整所有LED的电流，LED数量很多时相当费时，一般认为这种方式不太实用。

2、串联连接方式

若能维持稳定的电源电压，串联连接LED反而比较简单，串联连接方式最大特点是不论连接几个LED，各LED内流动的电流完全相同，它与VF散乱分布现象无任何关连。

•常用LED驱动电路

（a）利用电阻限制电流的驱动方式
     根据奥姆法则图9限制电流的电阻（Ω）可用下式计算：
     R=VCC-VFall/ILED
     VCC：电源电压（V）
     VFall：所有LED的VF总合（V）
     ILED：顺向电流（A）
     这种驱动方式最大缺点是即使微弱的电源电压变动ILED也会受到影响，因此必需使用稳定化的电源，此外还要考虑LED本身的发热与IF对周围温度的变化。
     （b）利用CRD定电流的驱动方式
     图10是定电流电路，图中的ILED与定电流二极管（CRD: Current Regulative Diode，以下简称为CRD）与直接依存关系，CRD并联时可以调整电流，需注意的是例如为了使石冢电子的15mA的E-153（CRD）进行定电流动作，电源电压必需设定成可以对CRD施加4.3V以上的电压，而且对CRD施加的电压不可以超过最高使用电压，必需在CRD的容许损失范围内操作。
 CRD的电源电压对变动变压器Type AC Adapter非常有效，部份制品除外几乎所有CRD的电流值对温度具有负的特性，尤其是对周围温度的变化安全性很高。
     （c）利用3端子比较器的定电流驱动方式
     依照图11电路连接就可以利用定电压输出3端子比较器（Regulator）制作高性能定电流电路。图中的7805可以使1-2脚架之间（R1两端的电压）控制在5V，所以可以用 的阻抗值使ILED维持一定值。
 7805本身的动作电流ILED（5mA左右）从第2脚架通过LED流至GND，因此：
  ILED=IR1+Iopr
  IR1：R1内的电流（A）
  Iopr：7805的消费电流（A） 
     R1为333Ω时，ILED就是变成20mA。驱动本电路Vcc的电压必需大于LED的VF与7805两者的动作电压总合。
     （d）利用OP增幅器的定电流驱动方式
     图12的电路会Feedback LED内部的电流值，所以可以使电路对电源电压与周围温度变化更加稳定。本电路利用ILED产生的R1电压与OP增幅器产生的Zener电压Vz比较，因此：
     ILED=VZ/R1
     ＊（基准电压必需稳定化）
     以上介绍的电路范例基本上消费电力使Vcc电压与LED的IF两者相乘结果，如果电源电压过高效果反而变差请读者注意。表2是上述4种LED驱动方式的比较。

三、LED驱动器的制作

国外厂商开发许多LED驱动专用IC，不过一般业者却无法取得，有鉴于此本文将介绍一种单片微机构成的升压型定电流LED驱动器。本驱动器利用4个电池动作，2V系列LED使用3~15个，3.6V系列使用2~8个串联连接的LED，它以20mA定电流使LED点灯。

1、电路结构

     图13是LED驱动器的电路亦即一般称为“Switching Type DC-DC Converter”，微处理器使用同时具备A-D Converter与PWM功能的PIC12F683，它会自动调整Chopper Type升压电路的输出电压，使LED内流动的电流变成20mA形成定电流驱动。
     由于LED作串联连接，因此所有LED都以相同电流值驱动，LED内部流动的电流值以OP增幅器将R7产生的电压增幅，接着再用A-D Converter读取。电源使用4个电池，虽然电源电压只有4~6V左右，随着LED串联数量升压电路的输出电压最大可以提高到30V，整体而言电路结构非常简单，而且LED的VF总合值即使超过电源电压低于30V也可以正常动作。

2、电路与微处理器的动作

     PIC微处理器一旦开始动作，就会以AN0读取LED内部流动的电流值，再与PIC内部预设的目标电流值20mA的数据进行比较，最后根据比较结果增减升压电路的PWM Duty值并输出到CCP1。Duty的增减条件如下：
     ILED〉20mA时Duty减少
     ILED〉20mA时Duty增加
     由于电源投入后瞬间升压电路并未动作，因此LED内部无电流流动，Duty增加升压电路启动后输出电压变高，此时LED内部电流才开始流动，如果电压过高LED的电流值超过20mA时，PIC微处理器会减少Duty降低输出电压，其结果反复定电流动作最后在20mA稳定下来。
     图14是升压型LED驱动电路板的实际外观；清单1是升压型LED驱动器的PLC程序；图15 LED驱动器的外观。实验时将15个橙色LED串联，输出电压在3.0V附近略有变动，不过LED的电流在20mA却非常稳定，在此状态下输入为5.5V/180mA，输出为30.1V/120mA，效率大约是61％。表3是主要高功率LED的规格摘，表中记载的规格原则上都是标准值，至于最大值与最小值表示概略平均值，至于相同型号细分等级，则一律采用中级品当作标准值。
 升压型LED驱动器的PLC程序（使用CCS-C程序编辑器）：
 # includ   〈12f683.h〉
 # device   ADC=10          //A-D转换10bit
 # fuses INTRC_IO, NOWDT, NOPROTECT, NOMCLR, BROWNOUT //指定内部clock
 # use delay (CLOCK = 8000000)   //指定clock频率
 # use fast_in (A)                     //固定输出入模式
 # define LED_IF 20                //LED电流（A）（实测补偿）
 Void main()
 {
    Signed long duty;              //Duty data
    Float current;                //电流量测资料
    Setup_oscillator(OSC_SMHZ);        //内部clock 8MHz
    ///A-DこI/0的设定
    Setup_adc_portsANO_ANALOG);     //输入PA0类比
    Setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_32);       //Fosc/32
    Setup_tris_a(0b00000011);               //输入AN0，AN1
    ///CCP1的初期设定 
    Setup_ccp1(CCP_PWM);      //CCP1设定成PWM
    Setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,0x3F,1);      //Timer2 31,125kHz
 Duty=0              //启动软体
 While(1){                 //永久Loop
    Set_adc_channel(0);      //AN0
    Delay_us(S0);
    Current=read_adc();      //量测电流
    Current=（current*56）/1024    //
    If(current〉LED_IF) duty－  //Duty减少
    If(current〈LED_IF) duty++ //Duty增加
 If(duty〈0) duty=0;  
 If(duty〉0xC8) duty=0xC8;    //lmitter(8bit)
 Set_pwm1_duty(duty);       //Duty输出
    }
}