九乡新闻网资生堂水密码:led技术全攻略
来源：百度文库 编辑：九乡新闻网 时间：2024/04/28 21:52:52
led技术全攻略（转）
LED 技术常见 LED 的分类
1. 按发光管发光颜色分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺 或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。
2. 按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。
圆形灯按直径分为 φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm 及 φ20mm 等。国外通常把 φ3mm的发光二极管记作 T-1；把 φ5mm 的记作 T-1（3/4）；把 φ4.4mm 的记作 T-1（1/4）[6-8]。
由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：
1)高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
2)标准型。通常作指示灯用，其半值角为 20°～45°。
3)散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为 45°～90°或更大，散射剂的量较大。
3. 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
4. 按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED（发光强度小于 10mcd）；超高亮度的 LED（发光强度大于 100mcd）；把发光强度在 10～100mcd 间的叫高亮度发光二极管。一般 LED 的工作电流在十几 mA 至几十 mA，而低电流 LED 的工作电流在 2mA 以下（亮度与普通发光管相同）。
R、G、B 三基色组成
白色是红绿蓝三基色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21％，蓝色的亮度为10％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED 红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。当为全彩色LED 显示屏进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1 比例的LED 器件组成像素。白平衡要求三种原色在相同的调配值下合成的仍旧为纯正的白色。
原色、基色：
原色指能合成各种颜色的基本颜色。色光中的原色为红、绿、蓝，色度图中的三个顶点为理想的原色波长。如果原色有偏差，则可合成颜色的区域会减小，光谱表中的三角形会缩小，从视觉角度来看，色彩不仅会有偏差，丰富程度减少，见下图。
LED 发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性可大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等，橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、 纯绿、纯蓝价格上便宜很多。三个原色中绿色最为重要，因为绿色占据了白色中69％的亮度，且处于色彩横向排列表的中心。因此在权衡颜色的纯度和价格两者之 间的关系时，绿色是着重考虑的对象。
大功率LED封装结构
随着半导体材料和封装工艺的提高,LED的光通量和出光效率逐渐提高, 从而使固体光源成为可能, 已广泛应用于交通灯、汽车照明、广告牌等特殊照明领域, 并且逐渐向普通照明领域过渡, 被公认为有望取代白炽灯、荧光灯的第四代光源。
不同应用领域对LED光源提出更高要求, 除了对LED出光效率、光色有不同的要求, 而且对出光角度、光强分布有不同的要求。这不但需要上游芯片厂开发新半导体材料, 提高芯片制作工艺, 设计出满足要求的芯片, 而且对下游封装厂提出更高要求, 设计出满足一定光强分的封装结构, 提高LED外部的光利用率。
目前封装多种多样，封装将随着今后的发展，不断改进和迎合实际需要，为LED今后在各个领域应用奠定基础。
LED 驱动技术原理
超高亮 LED 的特性
下图为正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值(约2V)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF 与 VF 成正比。见表是当前主要超高亮LED 的电气特性。由表可知，当前超高亮 LED 的最高 IF 可达 1A，而 VF 通常为 2～4V。
由于 LED 的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量(φV)与 IF 的关系曲线，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED 的正向压降变化范围比较大(最大可达 1V 以上)，而由上图中的 VF-IF 曲线可知，VF 的微小变化会引起较大的，IF 变化，从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证 LED 亮度的一致性，并且影响 LED的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮 LED 通常采用恒流源驱动。
下图是 LED 的温度与光通量(φV)关系曲线，由下图可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是 25℃时的一半，而一 40℃时光输出是 25℃时的 1．8 倍。温度的变化对 LFD 的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是 LED 保持恒定亮度的保证。
下图是 LED 的温度与光通量关系曲线。
一般 LED 驱动电路介绍
由于受到 LED 功率水平的限制，通常需同时驱动多个 LED 以满足亮度需求，因此，需要专门的驱动电路来点亮 LED。下面简要介绍 LED 概念型驱动电路。
阻限流电路
如下图所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算。
式中：
Vin 为电路的输入电压：
VF 为 IED 的正向电流；
VF 为 LED 在正向电流为，IF 时的压降；
VD 为防反二极管的压降(可选)；
y 为每串 LED 的数目；
x 为并联 LED 的串数。
由上图可得 LED 的线性化数学模型为
式中：
Vo 为单个 LED 的开通压降；
Rs 为单个 LED 的线性化等效串联电阻。
则上式限流电阻的计算可写为
当电阻选定后，电阻限流电路的 IF 与 VF 的关系为
由上式可知电阻限流电路简单，但是，在输入电压波动时，通过 LED 的电流也会跟随变化，因此调节性能差。另外，由于电阻 R 的接人损失的功率为 xRIF，因此效率低。
线性调节器介绍
线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或 MOSFFET 作为一动态可调电阻来控制负载。线性调节器有并联型和串联型两种。
下图 a 所示为并联型线性调节器又称为分流调节器(图中仅画出了一个 LED，实际上负载可以是多个 LED 串联，下同)，它与 LED 并联，当输入电压增大或者 LED 减少时，通过分流调节器的电流将会增大，这将会增大限流电阻上的压降，以使通过 LED 的电流保持恒定。
由于分流调节器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围比较宽的情况下很难做到恒定的调节。
下图 b 所示为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持 LED 上的电压(电流)恒定。
由于功率三极管或 MOSFET 管都有一个饱和导通电压，因此，输入的最小电压必须大于该饱和电压与负载电压之和，电路才能正确地工作。
开关调节器介绍
上述驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。在用于低功率的普通 LED 驱动时，由于电流只有几个 mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百 mA 甚至更高的高亮 LED 的驱动时，功率电路的损耗就成了比较严重的问题。开关电源是目前能量变换中效率最高的，可以达到 90％以上。Buek、Boost 和 Buck-Boost 等功率变换器都可以用于 LED 的驱动，只是为
了满足 LED 的恒流驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。
下 图(a)为采用 Buck 变换器的 LED 驱动电路，与传统的 Buek 变换器不同，开关管 S 移到电感 L 的后面，使得 S 源极接地，从而方便了 S 的驱动，LED 与 L 串联，而续流二极管 D 与该串联电路反并联，该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容，降低了成本。但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个 LED 串联的场合。
上图(b)为采用 Boost 变换器的 LED 驱动电路，通过电感储能将输出电压泵至比输入电压更高的期望值，实现在低输入电压下对 LED 的驱动。优点是这样的驱动 IC 输出可以并联使用，有效的提高单颗 LED 功率。
上图(c)为采用 Buck—Boost 变换器的 LED 驱动电路。与 Buek 电路相似，该电路 S 的源极可以直接接地，从而方便了 S 的驱动。Boost 和 Buck-Boosl 变换器虽然比 Buck 变换器多一个电容，但是，它们都可以提升输出电压的绝对值，因此，在输入电压低，并且需要驱动多个LED 时应用较多。
PWM 调光知识介绍
在手机及其他消费类电子产品中，白光 LED 越来越多地被使用作为显示屏的背光源。近来，许多产品设计者希望白光 LED 的光亮度在不同的应用场合能够作相应的变化。这就意味着，白光 LED 的驱动器应能够支持 LED 光亮度的调节功能。目前调光技术主要有三种：PWM 调光、模拟调光、以及数字调光。市场上很多驱动器都能够支持其中的一种或多种调光技术。本文
将介绍这三种调光技术的各自特点，产品设计者可以根据具体的要求选择相应的技术。
PWM Dimming (脉宽调制) 调光方式——这是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光 LED驱动器的调光技术。应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光 LED 的亮度。PWM 调光的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高！例如在手机的系统中，利用一个专用 PWM 接口可以简单的产生任意占空比的脉冲信号，该信号通过一个电阻，连接到驱动器的 EN 接口。多数厂商的驱动器都支持PWM 调光。
但是，PWM 调光有其劣势。主要反映在：PWM 调光很容易使得白光 LED 的驱动电路产生人耳听得见的噪声（audible noise，或者 microphonic noise）。这个噪声是如何产生？通常白光 LED 驱动器都属于开关电源器件（buck、boost 、charge pump 等），其开关频率都在 1MHz左右，因此在驱动器的典型应用中是不会产生人耳听得见的噪声。但是当驱动器进行 PWM
调光的时候，如果 PWM 信号的频率正好落在 200Hz 到 20kHz 之间，白光 LED 驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声。所以设计时要避免使用 20kHz 以下低频段。
我们都知道，一个低频的开关信号作用于普通的绕线电感（wire winding coil），会使得电感中的线圈之间互相产生机械振动，该机械振动的频率正好落在上述频率，电感发出的噪音就能够被人耳听见。电感产生了一部分噪声，另一 部分来自输出电容。现在越来越多的手机设计者采用陶瓷电容作为驱动器的输出电容。陶瓷电容具有压电特性，这就意味着：当一个低频电压纹波信号作用于输出电 容，电容就会发出吱吱的蜂鸣声。当 PWM 信号为低时，白光LED 驱动器停止工作，输出电容通过白光 LED 和下端的电阻进行放电。因此在 PWM 调光时，输出电容不可避免的产生很大的纹波。总之，为了避免 PWM 调光时可听得见的噪声，白光LED 驱动器应该能够提供超出人耳可听见范围的调光频率！
相对于 PWM 调光，如果能够改变 RS 的电阻值，同样能够改变流过白光 LED 的电流，从而变化 LED 的光亮度。我们称这种技术为模拟调光。
模拟调光最大的优势是它避免了由于调光时所产生的噪声。在采用模拟调光的技术时，LED的正向导通压降会随着 LED 电流的减小而降低，使得白光 LED 的能耗也有所降低。但是区别于 PWM 调光技术，在模拟调光时白光 LED 驱动器始终处于工作模式，并且驱动器的电能转换效率随着输出电流减小而急速下降。所以，采用模拟调光技术往往会增大整个系统的能耗。
模拟调光技术还有个缺点在于发光质量。由于它直接改变白光 LED 的电流，使得白光 LED的白光质量也发生了变化！
除了 PWM 调光，模拟调光，目前有些产商的驱动器支持数字调光。具备数字调光技术的白光LED 驱动器会有相应的数字接口。该数字接口可以是 SMB、I2C、或者是单线式数字接口。系统设计者只要根据具体的通信协议，给驱动器一串数字信号，就可以使得白光 LED 的光亮发生变化。
LED 驱动设计技巧
LED 串并联驱动方式参考设计
LED 因其 VF 值特性原因做不到相同，随着温度及电流大小也有些 VF 值也会发生变化，一般不适合并联设计。但是有些情况又不得不并联解决多颗 LED 驱动成本问题，这些设计可以为大家做些参考。
注意需要 VF 值分档，同档 VF 值的 LED 尽量使用在同一产品上面，产品可以保证误差电流在1mA 之内、LED 相对工作恒流状态。
下图采用集成三极管可以保持每路 LED 电流一致，这些三极管在相同温度环境下、相同工艺条件生产出来的 β 值一样，可以保证每路电流基本一样。恒流部分在要求不是很高的条件下可以这样设计，稳定的电压或稳定的 PWM 伏值驱动稳压后的三极管偏压，做到基本恒流。
下图采用精度较高的 IC 做恒流参考源，R 可以设定 IC 输出电流，一经确定 R 阻值可以使用固定电阻代替。多三极管集成器件的使用可以减少 IC 的使用数量，从而减低设计产品成本。
线 性大功率 LED 恒流输出可以并联使用，在产品设计中我们往往找不到较大电流的驱动 IC，一般 2A 以上就很少见，标称 2A 的 IC 也不一定可以极限使用。大于 1A 的 IC 工艺成本的原因 MOS 管都是外置，外置 MOS 管线路复杂，可靠性减低。并联使用是有效的设计办法。
下图采用 DD312 并联参考设计直接驱动 3 颗 6W LED。使能 PWM 控制信号需要适当的隔离，免相互干扰和驱动能力问题。EN 使能电压要符合规格书要求，不要电压太高损坏 EN 脚。一般 IC 耐压是指负载和电源，没有注明激励电压请不要大于 5V 设计。
像这种检测在 LED 的一端 LED 恒流驱动 IC 也可以并联设计驱动，实际上 IC 是单独工作的，最后在并流一起。DC-DC 方式是工作在较高的频率上，需要注意的是 PCB 布板时避免交叉设计，各自滤波、旁路电容要紧靠 IC 附近，负载电流最后会和即可。
当然可以 2 并，也可以 3 并或多并联设计，不过要提醒多试之！
LED 驱动设计参考案例及选型指导
大功率 LED 温度保护参考设计
最佳的温度保护居里点温度应该是 80-90℃。最高环境温度，夏天 40℃，在夏日光暴晒 50℃，50℃为最高环境温度，一般大功率 LED 结温度在 120℃是可以承受的，芯片到铝基板的热阻，规格书一般推荐 10-15℃，那 LED 基板要保证在 120-15=105℃。保留温差取 50--105℃中间值 77.5℃，一般电子元器件工作温度在 85℃是可靠的，77℃是符合这个原则。
建议 77℃开始启动保护，85℃前大幅度的减低电流，90℃彻底完成产品温度保护功能。选者居里点在 85℃左右的热敏电阻可以设计出理想电路。
LED 的控制系统通常由主控箱、扫描板和显控装置三大部分组成。主控箱从计算机的显示卡中获取一屏象素的各色亮度数据,然后重新分配给若干块扫描板，每块扫描板负责控制LED 屏上的若干行(列)，而每一行(列)上 LED 的显控信号则用串行的方式传送。目前有两种串行传送显示控制信号的方式：一种是扫描板上集中控制各象素点灰度，扫描板将来自控制箱的各行象素的亮度值进行分解(即脉宽调制)，然后将各行 LED 的开通信号以脉冲形式(点亮为 1，不亮为 0)按行用串行方式传输到相应的 LED 上，控制其是否点亮。这种方式使用器件较少，但串行传输的数据量较大，因为在一个重复点亮的周期内，每个象素在 16 级灰度下需要 16 个脉冲，在 256 级灰度下需要 256 个脉冲，由于器件工作频率限制，一般只能使 LED 屏做到 16 级灰度。
另一种方法是扫描板串行传输的内容不是每个 LED 的开关信号而是一个 8 位二进制的亮度值。每个 LED 都有一个自己的脉宽调制器来控制点亮时间。这样，在一个重复点亮的周期内，每个象素点在 16 级灰度下只需要 4 个脉冲，256 级灰度下只需 8 个脉冲，大大降低了串行传输频率。用这种分散控制 LED 灰度的方法可以很方便地实现 256 级灰度控制。
一般 LED 大屏幕低频怎么会闪烁，是由于，LED 本身不具有余辉效应的特性，所以采用传统的恒流源脉冲调宽控制灰度的 LED 屏的刷新率必须大于 120Hz 才能实现无闪烁的图像显示。这样就需要对灰度数据较低的输八帧频的图像信号进行增频刷新，其结果造成刷新数据出现了极大冗余度，井增加了 LED 驱动板的硬件开销。
目前市场上多采用南京德普达科技实业有限公司和深圳灵星雨科技发展有限公司控制系统
较多。详细资料可以到上述公司网站查看或咨询。
异形屏幕和级联式灯饰控制设计方式
异形屏幕灵活的点间距和灵活的设计越来越多的受到广泛的采用，能把它制作成我们心目中任意想像的形状,大可以装饰几十层楼整栋大厦,小的可以显示金字招 牌。可以避让窗户、楼台等不需要装饰的任何地方；远距离观看，比如海岸、江河对岸观看；大型灯饰广场装饰等。较成熟的控制方式目前有北京中庆微电子公司和 常州银港数据系统公司等控制方式产品。
目前可以支持这种设计的 IC 有以下几款：
北京中庆微电子公司 ZQL9712
该芯片是专门为LED驱动应用设计的芯片。采用了先进的CMOS工艺，具有低功耗的优点。ZQL9712 芯片可以应用于LED 显示系统，特比适合多离散点的级连应用。ZQL9712 提供了3 个大电流驱动输出，驱动电流最大为30mA。
ZQL9712 芯片包括串行移位寄存器和输出寄存器。经串行移位寄存器，串移输入转为3bit 并
行输出，并把该输出作为输出寄存器的输入。串移寄存器和输出寄存器由不同的时钟信号控制，并且都是在时钟信号的上升沿有效。ZQL9712 将控制信号驱动后输出，该输出可作为后级电路的输入信号。
杭州士兰微电子公司 SC16722
SC16722是专门为LED驱动设计的芯片，采用先进的CMOS工艺，具有低功耗的优点。电路所有的输入和输出均有内部线路保护功能，以减少由于静电感应应而损坏器件的可能性，具有高抗噪音和驱动负载的能力。
常州银港数据系统公司 SD600
SD600是一款先进的单芯片LED 调光控制芯片，使用两根线实现控制电路的同步通信，使芯片的级联更加方便与灵活。SD600 支持3 路PWM 调光，灰度等级为256，采用高速同步通信接口，数据速率高达10Mbps，SOP10 封装，最多能控制2048 个像素。
深圳彩拓科技有限公司 LPD6803
LPD680 是专门为 LED 灯光系统设计的驱动芯片，CMOS 工艺，提供三路恒流和灰度输出，特别适合离散的多灰阶全彩灯光系统。
台湾点晶科技股份有限公司 DM412
DM412 是一颗具脉波宽度调制(PWM)输出及使能控制的 LED 驱动芯片，专为 LED 照明,装饰,大屏显示等应用而设计。每一输出通道皆可输出高达 16 比特(65,536 级)灰阶的可调线性电流。芯片内含移位缓存器, 数据锁存, 三通道恒流驱动器(电流值可由相对应的三个外挂
电阻调控), 以及做 PWM 功能之用的内建震荡器。数据,时钟,与锁存讯号输出端均内建缓
冲，支持长串接应用。内建 LED 开路侦测功能可帮助使用者找出 LED 开路的具体位置，无
需加上任何外围组件。独特的「输出端极性反转功能」使 DM412 亦能用做「PWM 讯号产生
器」，可与大功率 LED 驱动器(DD311/2/3)搭配，以实现大功率 LED 之 65,536 级灰阶的颜
色变化。
LED 线路设计为了更好的解决散热问题，LED 和有些大功率 IC 需要用到铝基线路板。
铝基板 pcb 由电路层（铜箔层）、导热绝缘层和金属基层组成。电路层要求具有很大的载流能力，从而应使用较厚的铜箔，厚度一般 35μm~280μm；导热绝缘层是 PCB 铝基板核心技术之所在，它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成，热阻小，粘弹性能优良，具有抗热老化的能力，能够承受机械及热应力。IMS-H01、 IMS-H02 和 LED-0601 等高性能 PCB 铝基板的导热绝缘层正是使用了此种技术，使其具有极为优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能；金属基层是铝基板的支撑构件，要求具有高导热性，一般是铝 板，也可使用铜板（其中
铜板能够提供更好的导热性），适合于钻孔、冲剪及切割等常规机械加工。工艺要求有：镀金、喷锡、osp 抗氧化、沉金、无铅 ROHS 制程等。
基材:铝基板产品特点：绝缘层薄，热阻小；无磁性 ；散热好；机械强度高产品标准厚度：0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm 铜箔厚度：1.8um 35um 70um 105um 140um 特点: 具有高散热性、电磁屏蔽性，机械强度高，加工性能优良。 用途: LED 专用 功率混合 IC（HIC）。 铝基板是承载 LED 及器件热传导，散热主要还是靠面积，集中导热可以选择高导热系数的板材，比如美国贝格斯板材；慢导热或散热国产一般材料即可。价格相差较大，贝格斯板材生 产出成品大概需要 4000 多元平米，一般国产材料就 1000 多元平米。LED 一般使用电压不是很高，选择 1mil 厚度绝缘层耐压大于 2000V 即可。 散热参考设计方法：
的流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。
通常 LED 是采用散热器自然散热，散热器的设计分为三步
1:根据相关约束条件设计处轮廓图。
2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。
3:进行校核计算。
散热器的设计方法
自然冷却散热器的设计方法
考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于 12mm,如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2 倍齿高来确定散热器的齿间距。
自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。
自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。
由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于 5mm 以上。