做LED設計 要搞明白這兩件事

我們在 LED 設計過程中，可能會有一些關鍵參數的含義并不是很清楚。本文著重分享一些LED容易忽略的關鍵參數。然后針對LED調光應用，介紹兩種常見的PWM調光方法。

01 LED關鍵參數

1.1 主波長與峰值波長

我們在看數據手冊的時候，可能會發現有兩種不同的波長參數：“峰值波長”和 “主波長” 。

我們以Kingbright 的 APT1608SURCK舉例，根據數據手冊,  當電流為20mA的時候，APT1608SURCK峰值波長為645nm，主波長為630nm

峰值波長 λP（Peak Wavelength ) : 定義為光譜輻射功率最大處所對應的波長。簡單的說就是它不代表人肉眼能看到的波長而是光學檢測器能看到的波長。

主波長 λD（Dominant Wavelength）：眼睛能看到光源發出的主要光的顏色所對應的波長為主波長；通?？吹降囊皇?，它并非是單一波長的光，它是由很多波長的光組合而成的。我們人眼感受到的是各波長作用的綜合結果，感覺它對應于一個單一波長的光，這個波長值就是主波長λD。

一般來說，這兩個參數并沒有太大的不同，但在使用這兩個參數進行選料時可以考慮我們的應用。例如，

◆ 如果LED用于光學儀器并且機器用于識別波長，則應使用峰值波長進行LED選料。

◆ 如果LED用于為顯示器提供背光或以其他方式照亮或指示操作人員的某些內容，則應使用主波長進行LED選料。

1.2 流明（Lumens）

流明是指用于測量光源發光強度的單位。如果說波長決定了我們看到LED的顏色，那么流明就決定了我們看到LED的亮度。

我們還是以Kingbright 的 APT1608SURCK舉例：

根據 數據手冊在測試電流20mA下，LED流明最小可以到達120 mcd，典型值230mcd

亮度單位 mcd

發光二極管的亮度一般用發光強度 (Luminous Intensity) 表示,單位是坎德拉 cd。

一般而言，蠟燭光的發光強度大約為1cd。mcd即毫坎德拉， 1cd（坎德拉）= 1000mcd（毫坎德拉）。也就是說230mcd相當于1/4蠟燭的亮度。

1.3 色溫CCT

相關色溫（ CCT ） ——是指以開氏度數（K）為單位的LED光度表示方式。

舉例：Luminus的 MP-2016-1100-27-90

根據數據手冊，色溫在2700K

CCT 小于 5,000 K 時，計算 CRI 采用的參照光源符合黑體輻射源的光譜功率分布 (SPD) 規律。CCT 大于 5,000 K 時，則采用由日光數學模型計算出的假象 SPD。這兩種參照光源最初選定，以便接近白熾燈泡和日光。上圖所示為日光與一些常見光源（含白光 LED）的 SPD 對比。

1.4 顯色指數 CRI

顯色指數 —— 是指LED光源與自然光源之間的對比百分比。CRI（顯色指數）的范圍為0 - 100%。光源的CRI是指與陽光（陽光為100%）相比，光源重現物體顏色的最精確表示的能力。CRI并非用于測量的亮度或強度。CRI越高，在還原物體的精確顏色方面，光源就越接近陽光。

舉例：Luminus 的 MP-2016-1100-27-90

根據 數據手冊，在測試電流60mA條件下，顯色指數CRI 有90%

在攝影師的工作室中，高顯色指數照明尤為重要；對于街道照明，則為獲得能效而犧牲了顯色指數。

一般來說，冷白光熒光燈的 CRI 大概在 62，但熒光燈含有 CRI 值為 80 或以上的稀土熒光粉。汞蒸氣燈性能差，CRI 為 45，鹵素燈性能好，CRI  不低于 90，而緊湊型熒光燈 (CFL) 的 CRI 在 80 左右。

1.5 Bin分級

分級 ——用于將LED進行分類排序，使同級別的LED擁有相似的光輸出。分級可以理解為根據LED光的色度，亮度等不同參數歸類到不同的級別。

我們以Cree 的 CXA2520-0000-000N00R250F舉例：

根據數據手冊，CXA2520-0000-000N00R250F 色溫5000K, 最小顯色指數70

某些廠家為了更好的將LED分類，會對LED進行色度測試，并放置在由以下邊界坐標定義的區域之一

根據上圖，該LED在50F組，因此將落入3A,3B,3C,3D區域。

02 LED PWM 調光應用

傳統模擬調光法存在一些明顯的缺點。其中主要有能效影響（輸出亮度 (lm)/輸入功率 (W)）、由于最小正向電流閾值造成的受限對比度、精確控制典型 LED 驅動器較大范圍輸出電流的設計復雜度增加，以及影響最大的是，LED 的相關色溫 (CCT) 隨正向電壓/正向電流變化而變化。

廠商規定了 LED 在特定正向電壓/正向電流工作點下的 CCT。設計人員從特定 CCT“分檔”中選擇 LED，他們知道從該分檔中選擇的所有產品都將發出幾乎相同的 CCT。雖然領先制造商通常還提供 CCT 如何隨正向電壓/正向電流變化的信息，但他們并不保證特定產品在超出推薦參數以外的工作點的性能。尤其是，LED制造商不保證來自相同分檔的器件在建議工作點以外的任何點產生相同的 CCT。下圖說明了 OSRAM LED 的色度坐標（決定其 CCT）如何隨正向電流變化。

LED 的色度和 CCT 隨正向電壓變化。在較大范圍的正向電流中，可以通過肉眼觀察這些變化。（來源：OSRAM）

LED亮度在非常低的直流電流下一般會有很大的光輸出誤差。當LED偏置小于其額定電流的0.1%時，這些誤差就會發生。真正的PWM避免了這種情況，因為LED電流是恒定的，在所有亮度水平下都接近高電平。

介紹兩種常見的PWM調光方法：

2.1 帶低通濾波PWM調光

我們以TI LED驅動器TPS61165舉例：下圖是一個具有低通濾波PWM輸入的典型的LED驅動器升壓電路，使用的是照明用白色LED。

(圖片來源于TI)

上面的電路中，LED驅動器中結合了一個LPF，并結合了一個外部復位。邏輯電平PWM信號被緩沖和電平移位，因此它在參考電壓(VBG)和地（GND）之間擺動。然后，濾波后的信號用作升壓誤差放大器的參考，迫使FB節點調節到VREF，以便設置LED電流通過低側電阻R1。

下面是TPS61165(低通濾波PWM)波形

(圖片來源于TI)

濾波PWM的主要缺點是:

1.當PWM占空比從0到100%快速變化時，升壓輸出電壓的響應緩慢。這主要是由于LED正向電壓的變化導致升壓輸出電壓需要在不同的電平之間轉換。

2.當濾波后的參考電壓變得非常小時引入偏移誤差（offset errors）。

偏移誤差是這類控制的主要問題。由于VREF變得非常低(低占空比)，誤差放大器的偏移量成為參考電壓的很大一部分。為了糾正這一點，要么必須進行微調，要么必須使用更復雜的偏移抵消放大器。圖3顯示了LED電流設定點上偏移電壓(VOS)的有效框圖。這可以建模為誤差放大器+輸入處參考電壓的偏移(VOS可以是正的也可以是負的)。對于正VOS， D = 0時可以實現的最小LED電流。

(圖片來源于TI)

2.2 采樣PWM調光

對低通濾波PWM調光方法的改進是對PWM進行采樣，PWM輸入信號被轉換為數字代碼，并將該數字代碼應用于內部DAC。因為這是為更高性能的LED驅動器設計的，所以這主要用在集成電流源的產品上。此外，這些器件提供了將PWM輸入與I2C占空比代碼相結合的能力。

舉例：TI 的 LM36923

PWM采樣調光典型框圖

(圖片來源于TI)

由于采樣把PWM轉換為代碼，因此偏移電壓的問題變成了LSB大小問題。這可以從下圖中看到，其中最小電流為50μA(相當于LM36923器件11位調光響應中的代碼1)。并且包括了超時計數器，以確保0占空比下的0電流。

(圖片來源于TI)

采樣PWM的主要缺點是驅動采樣器所需的靜態電流較高。這主要是由于使用的是高頻振蕩器。

采樣PWM (相對于濾波PWM)的主要優點如下:

1.允許將PWM輸入映射到指數調光曲線(或任何其他可用的映射模式)。

2.允許LED電流在占空比變化之間斜坡。使用可編程斜坡可以將低分辨率PWM占空比輸入轉換為更高分辨率的電流斜坡。

3.數字濾波器(可編程遲滯)可用于消除可能導致LED亮度閃爍的PWM輸入中的抖動。

4.允許低頻PWM輸入。由于PWM輸入轉換為數字代碼，因此避免了低頻PWM所需的大型低通濾波器。

5.允許更快地響應占空比的變化。由于PWM采樣時鐘遠高于PWM輸入頻率，因此可以在單個PWM周期內解釋占空比的任何變化。然而，當PWM占空比偏差較大時，LED電壓的波動會成為瓶頸。

總結

隨著傳統照明到發光二極管 (LED) 的快速發展, 設計人員的難點在于，與傳統白熾燈或日光燈照明不同，要在保持光線質量的同時對 LED 調光并非易事。雖可進行模擬調光，但這會造成明顯的色度和發射光“溫度”偏移。了解LED的關鍵參數與LED調光的方法，幫你事半功倍。