LED及其驱动电路设计基础

　　前言

　　照明伴随着人类文明的发展已经有几千年的历程。从最原始的钻木取火到种类繁多的各种光源，如白炽灯、卤素灯、日光灯、节能灯、LED灯等等，照明产品不断向着高效、节能、环保、高科技方向发展。LED的诞生和发展为人类照明提供了高质量、绚丽多彩的光环境。它被广泛的应用于民用照明、工业照明、医疗照明、汽车照明等不同领域。随着LED在各个领域的不同应用需求，LED驱动电路也在不断进步和发展。本文针对LED和LED驱动电路设计作了相应的介绍、分析和展望。

　　LED 和传统光源相比较的特点

　　相对于传统光源，LED具有显著的优势：

　　LED发光是由电能直接转换成光的过程。比较起传统光源，如白炽灯先由电能转化为热能，然后再由热能转化成光能的发光的发光过程，LED具有高光效，节能的优势，此外在适当的驱动条件下，LED灯具有寿命长等特点。

　　LED具有发光响应块，光源造型多变，色彩控制灵活的优点。

　　LED和传统光源相比具有良好的低温特性。

　　LED和传统光源相比，不存在诸如水银、铅等环境污染物，因此更加绿色环保。

　　尽管LED比较起传统光源具有名显优势，但是目前LED灯成本较高，驱动电路设计、光学系统、机械设计比较复杂。

　　LED 发光原理

　　LED–Light Emitting Diode发光二极管，是一种能发光的半导体电子元件。LED发光是一种注入式电致发光。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。而光的波长决定了光的颜色。

　　发光波长：

　　式中：h—普朗克常数； c—光速；—半导体的禁带宽度。

　　LED 发光原理如图1所示：

　　图1 LED 发光原理

　　LED 结构

　　LED基本机构包括LED芯片、电极、焊接线，以及构成LED整个封装机械部件和光学部件如LED芯片支架、透镜、硅胶、环氧树脂、荧光粉等。

　　LED分为单芯片封装，多芯片封装产品。随着科技的发展部分保护元件或部分LED驱动电路元件也和LED芯片一同封装。

　　单芯片LED 基本结构如图2，图3所示：

　　图2 SMD封装 LED结构　　     图3 插件封装 LED结构

　　LED 主要参数

　　电参数

　　最大正向工作电流IF：是指LED正常工作情况下，允许加在LED的最大的正向电流值。

　　最大浪涌电流IFM：允许加在LED的最大的浪涌电流值。

　　正向工作电压VF：是在给定的正向电流下得到的二极管正向工作电压。

　　最大反向电压VR：LED PN结所允许的最大反向电压。

　　额定功率PD：允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流乘积的最大值。

　　光学参数

　　峰值发射波长p：光谱辐射功率最大的值所对应的波长。

　　光谱半波宽Δλ：峰值发射波长的辐射功率的1/2所对应两波长的间隔。

　　光通量Φv：通过发光二极管的正向电流为规定值时，器件光学窗口发射的光通量。

　　光强：点光源在给定方向上，单位立体角内发出的光通量，单位坎德拉（Cd）。

　　半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半角值二倍为视角（半功率角）。

　　色度坐标x、y、z：1931CIE-XYZ系统，就是在RGB系统的基础上，用数学方法，选用三个理想的原色来代替实际的三原色。从而将CIE-RGB系统中的光谱三刺激值 和色度坐标r、g、b均变为正值。

　　显色指数CRI：与标准的参考光源相比较，一个光源对物体颜色外貌所产生的效果。换句话说，CRI是一个光源与标准光源（例如日光）相比较下在颜色辨认方面的一种测量方式。

　　色温TC（Color Temperature）：光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度（TC）为光源的色温度。

　　其它参数

　　操作温度：发光二极管可正常工作的环境温度范围。

　　热阻：热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比，LED的热阻定义（Rth j-s）：从PN结（j） 到焊点（s）的热阻。

　　结温：LED P-N 结区所能承受的温度的额定最大值。

　　常规特性曲线

　　LED 常规特性曲线如下图所示。以下常规特性曲线基于OSRAM LCW CRDP.PC 规格书举例说明：

图4相对光通量和LED驱动电流                              图5 LED 正向导通电流和LED正向导通压降

图6