LED之前世今生及其驅(qū)動概述

　　想象一下收到一個燈泡作為禮物會是什么樣的情形。用于替代螺旋燈泡的LED燈稀少而昂貴，我居然在去年圣誕節(jié)的時候收到了這樣一份禮物。不過我們正逐漸走向這樣一個交叉路口：led燈將越來越普及，價格越來越便宜，到一定程度時，它們將擔(dān)負(fù)起為世界照明的重?fù)?dān)。

　　我們并不是簡單地將采用LED技術(shù)的新型燈泡狀物體扭進(jìn)舊裝置中。今后再也沒有必要把光源看成是一次性物品。很快，燈泡(包括點(diǎn)亮的部分)的使用壽命將超過燈泡用戶的壽命。此外，由于LED燈是瞬時開啟和關(guān)斷的，并且電源周期不會造成其使用壽命縮短，因此我們可以只在需要時打開LED燈。

　　這對于使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的天文學(xué)家來說是一個潛在優(yōu)勢，對于城市和建筑所有者來說則有可能實現(xiàn)大幅節(jié)能。甚至最后警察和私人保安都傾向于只在響應(yīng)運(yùn)動傳感器時才打開夜間照明燈，因為這種燈可以幫助他們分辨壞人在哪里。不過，這種技術(shù)確實處于其發(fā)展的初期階段，它需要一些時間來逐漸適應(yīng)。

　　LED的物理原理

　　任何二極管處于傳導(dǎo)狀態(tài)時，無論電子與空穴何時復(fù)合，都會以光子的形式散發(fā)一定的能量。光色(光子的能量)取決于半導(dǎo)體材料的能帶隙。砷化鋁鎵(AlGaAs)和其他材料發(fā)紅光。氮化銦鎵(InGaN)發(fā)綠光。硒化鋅(ZnSe)發(fā)藍(lán)光。

　　可以通過整合紅光二極管、綠光二極管和藍(lán)光二極管來產(chǎn)生白光。不過，我們非常熟悉的高亮度(HB)白光二極管整合的是藍(lán)光InGaN二極管和黃 色熒光粉(一般為摻鈰釔鋁石榴石，Ce3+:YAG)。

　　當(dāng)白光LED使用熒光粉時會發(fā)生非常有意思的、有用的事情。在稱為斯托克斯(Stokes)位移的量子效應(yīng)期間，熒光粉層發(fā)出的光子所具備的能量低于其從藍(lán)光LED吸收的光子的能量(圖1)。在高亮度白光LED中，一小部分藍(lán)光發(fā)生斯托克斯位移后具有更長的波長。這是好事情，因為這使得LED廠商可以使用許多不同顏色的熒光粉層，從而擴(kuò)展發(fā)射光譜，有效地提高LED的顯色指數(shù)(CRI)。

也就是說，對于LED來講，不應(yīng)該只考慮白光，而應(yīng)該盡可能地精確反映LED燈照射的物體的所有顏色。CRI是一個相當(dāng)難以度量的指標(biāo)，它表示被人工照明的物體的顏色與在實際太陽光下所顯示的顏色的接近程度，我們用該指標(biāo)作為“白”光的標(biāo)準(zhǔn)。

采用熒光粉的白光LED獲得的高CRI是有代價的，因為斯托克斯位移會造成白光LED的效率低于單色LED的效率。不過對于大多數(shù)普通的照明應(yīng)用而言，高CRI勝過效率。

　　持續(xù)不斷的改進(jìn)

　　根據(jù)可與摩爾定律媲美的海茲定律(以Roland Haitz命名)，商業(yè)LED的最大光輸出每36個月左右會翻一番。該定律對產(chǎn)品開發(fā)有著極大的作用?；旧?，從現(xiàn)在起一年半內(nèi)主流的LED都將可以提供如今最貴的LED的光輸出。借助未來的產(chǎn)品，最先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計將采用越來越少的LED。

　　推動海茲定律的其中一個因素與難以獲取二極管半導(dǎo)體材料的光子有關(guān)，這種材料往往具有比較高的折射率。如果光子無法通過半導(dǎo)體材料與其周圍的空氣(或真空)之間的接觸面，它就會反射回半導(dǎo)體材料中，并被這種材料吸收。

　　如果半導(dǎo)體材料是立方體形狀，它只會或多或多地發(fā)出與立方體的一面或另一面垂直的光。(回顧一下Physics 102和有關(guān)討論“臨界角”的光學(xué)章節(jié)部分。)因此，僅僅是切割LED晶圓，并將這些芯片當(dāng)作某種半導(dǎo)體器件，顯然是不符合要求的。

　　如果你從未處理過平面基板上沉積的二極管處延材料，那么你可能會想到模仿金剛石刀具來在這種材料上雕琢小平面。不過最切實可行的做法是，將LED放在折射率介于半導(dǎo)體材料與空氣之間的透明塑料材料中，同時將團(tuán)狀的塑料塑造成球形或半球形，從而增加兩個表面的臨界角。

　　基本LED驅(qū)動

　　LED的驅(qū)動應(yīng)該比較簡單。它們是二極管，具有一定的正向壓降，其光輸出取決于電流，任何給定的二極管都有一個電流極限值。這看起來像一組可管理的參數(shù)，不過情況開始變得越來越復(fù)雜。就傳統(tǒng)二極管而言，LED電流隨電壓呈指數(shù)級變化。(這就是肖克利(Shockley)二極管方程)

　　不必多說，這里討論的不是歐姆定律。電壓的微小變化會導(dǎo)致電流發(fā)生很大的變化。這就是為什么在多數(shù)情況下LED采用恒流源驅(qū)動的原因。采用一組手表電池供電的便宜的袖珍手電筒是一個值得注意卻不吸引人的特例。這些電池很貴，但使用時間卻不長。優(yōu)質(zhì)手電筒采用傳統(tǒng)電池和微型升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器。這種手電筒價格昂貴，不過可以讓傳統(tǒng)的AAA堿性電池工作幾個月的時間。

　　多個LED

　　在考慮驅(qū)動電路之前，需要進(jìn)行早期的設(shè)計決策，包括陣列中LED互連的配置。除了袖珍手電筒之外，很少有應(yīng)用只采用單個LED。無論是街燈中的屏幕背光LED陣列，還是替代白熾燈或熒光燈的LED方案，大多數(shù)設(shè)計都需要多個LED。

　　設(shè)計人員必須首先作出的其中一個決策是以串聯(lián)、并聯(lián)還是作為LED串的并聯(lián)陣列方式驅(qū)動LED。一般來講，以并聯(lián)方式驅(qū)動許多單個LED并不可取，因為這會導(dǎo)致非均勻電流共享(即使LED全部具有相同的額定正向壓降)。

　　采用串聯(lián)驅(qū)動LED的方式又會引起單個LED出現(xiàn)故障時自動打開的情況下出現(xiàn)的問題。在每個LED處采用并聯(lián)的齊納二極管或硅控整流器(SCR)可以解決這個問題，不過成本比較高。SCR比較具有吸引力，因為在必須處理失效LED時，它們的功耗較低。

　　最佳的策略也許是承認(rèn)單個LED失效與整個LED串失效一樣嚴(yán)重，然后實現(xiàn)魯棒的熱設(shè)計，最大限度地減少所有LED在應(yīng)有的產(chǎn)品使用壽命內(nèi)發(fā)生熱應(yīng)力引起的故障的機(jī)會。

　　如果設(shè)計人員采用多個并聯(lián)LED串，那么與采用較少具有足夠輸出能力的驅(qū)動器(理想情況下是一個)來驅(qū)動多個并聯(lián)LED串相比，每個LED串采用獨(dú)立驅(qū)動器所花費(fèi)的成本將更高。

　　采用多個LED串往往會引起電流共享問題，這樣就需要采用第一個案例中的LED串，不過仍有必要針對每個LED串采用一個鎮(zhèn)流電阻。設(shè)計人員可以計算電阻值，假設(shè)目標(biāo)為通過LED串的正壓降的變化控制在±10%以內(nèi)，并且假設(shè)需要匹配每個并聯(lián)LED串中的電流，以便該電流的變化控制在±20%以內(nèi)。

　　假設(shè)對于每個LED串而言，LED正向壓降與通過鎮(zhèn)流電阻的電壓之和應(yīng)等于驅(qū)動器標(biāo)稱輸出電壓的80%。根據(jù)這一點(diǎn)即可算出鎮(zhèn)流電阻和恒流驅(qū)動器的額定電流。另一個比較簡單的方案是購買匹配且交叉連接的串聯(lián)/并聯(lián)LED串陣列，如Philips公司的Luxeon Flood產(chǎn)品。

　　動態(tài)背光

　　普通的照明陣列與背光陣列除了光輸出、陣列間隔和更均勻的照明效果之外就幾乎不存在其它差別了。不過當(dāng)背光強(qiáng)度與移動視頻圖像動態(tài)匹配時，情況有所變化。

　　動態(tài)背光可以產(chǎn)生與背光屏幕上的圖像流明值相對應(yīng)的局部背光強(qiáng)度變化，其日益普及的原因有兩個。

　　首先，動態(tài)背光會增加被顯示圖像的明顯動態(tài)范圍(或?qū)Ρ榷?。其次，通過對背光中的部分LED進(jìn)行節(jié)流，動態(tài)背光可以降低總能耗。它對于在商店中通過比較顯示屏選擇高端電視機(jī)的顧客有很大的影響(圖2)；在很大程度上也是一種延長移動設(shè)備中的電池使用時間的方法。

　　圖2：動態(tài)背光可調(diào)節(jié)電視屏幕背光陣列中單個LED的亮度，從而與顯示圖像的流明值匹配，提高顯示屏的感知對比度。

　　我第一次看到動態(tài)背光是在恩智浦公司(NXP)的新聞發(fā)布會上，那次演示讓我想起了我大學(xué)時期的某個夏季在一家電視臺工