高輝度LED的特性與驅動方法

一、高輝度LED的特性

1、順向電壓——順向電流特性

圖1是一般高輝度白光與紅光LED的VF-IF特性，這類LED具備與一般二極管相同的特性，圖中順向電壓低于1.7V與2.8V以下時，幾乎沒有任何電流流動，不過一旦超過上述兩電壓，電流就開始流動，要使LED點燈的電壓隨著各產品不同，一般需要1.7V~4V左右的電壓。

2、順向電流——相對光度特性

直流驅動時LED的亮度一直到該產品的設計值為止，幾乎與電流呈直線性比例，利用PWM脈沖驅動時，LED的亮度與Duty幾乎呈直線性關系。

圖2是IF=20mA亮度為1時，IF產生的相對光度特性，由圖可知2倍的電流亮度不會變成2倍，主要原因如圖3所示增加電流，LED本身具有自我發熱特性造成組件溫度上升，換句話說大部份的電能轉換成熱能，實際上使LED點亮的電流與施加的電流并不是2倍關系。

3、順向電流適應值

部份產品除外大多數高輝度LED的適應順向電流與發光色無關都設定為20mA，雖然LED的規格書中并未明確記載，一般該值都被設定成可以充分發揮LED的性能與可靠性，也就是說規格書記載的項目，都采用20mA點燈時的數據。

LED的IF=20mA時的VF，例如表1白光技術數據記載規定VF在3.6~4V范圍，不過這并不表示“只要是3.6~4V之間，就有20mA的電流流動”，它表示隨著產品各自的差異，即使在該范圍內VF也會有散亂分布現象，即使對同品種LED施加相同電流，各LED的VF值卻不相同，此外還需注意VF對周圍溫度的變動。由此可知同品種LED隨著各LED差異， 會有散亂分布現象，不過它并不表示該LED是不良品或是瑕疵品。

為量測實際LED的VF，電流計與電壓計依照圖3連接，并將電源設備的電壓設定成可以使IF變成20mA，此時施加于LED的電壓變成VF。

接著從相同批次適當取出2個白光LED量測，其結果如圖4（a）、（b）所示，VF值分別是3.7V與3.1V，雖然3.1V低VF LED已經偏離規格值，不過最近的LED發光效率提升VF值卻下跌，因此大部份高輝度LED的VF值都低于3V。

二、復數LED的點燈方法

1、并聯連接方式

LED的VF各自差異對復數LED并聯連接點燈有不良影響，如圖5所示上述已經測試過VF相異的LED并聯連接施加電壓時，會產生類似圖6亮度極端差異結果，照片右側LED的內部電流接近額定，左側LED的電流只能使LED開始點亮的程度，由此證實電流不均會直接反映在亮度。

雖然直接提高電壓左側LED會變亮，不過右側LED內部流動的電流也會隨著變成過大，進而對LED形成無法復原的傷害，此時為獲得相同亮度因此對兩LED施加相同電流。如圖7所示所謂并聯連接是將電阻并聯連接在各LED，藉此調整電流的方式，這種連接方式以往經常出現在各種LED應用電子產品。圖8是并聯連接方式的實驗結果，由于聯連接方式事前必需調查VF調整所有LED的電流，LED數量很多時相當費時，一般認為這種方式不太實用。

2、串聯連接方式

若能維持穩定的電源電壓，串聯連接LED反而比較簡單，串聯連接方式最大特點是不論連接幾個LED，各LED內流動的電流完全相同，它與VF散亂分布現象無任何關連。

•常用LED驅動電路

（a）利用電阻限制電流的驅動方式
     根據奧姆法則圖9限制電流的電阻（Ω）可用下式計算：
     R=VCC-VFall/ILED
     VCC：電源電壓（V）
     VFall：所有LED的VF總合（V）
     ILED：順向電流（A）
     這種驅動方式最大缺點是即使微弱的電源電壓變動ILED也會受到影響，因此必需使用穩定化的電源，此外還要考慮LED本身的發熱與IF對周圍溫度的變化。
     （b）利用CRD定電流的驅動方式
     圖10是定電流電路，圖中的ILED與定電流二極管（CRD: Current Regulative Diode，以下簡稱為CRD）與直接依存關系，CRD并聯時可以調整電流，需注意的是例如為了使石冢電子的15mA的E-153（CRD）進行定電流動作，電源電壓必需設定成可以對CRD施加4.3V以上的電壓，而且對CRD施加的電壓不可以超過最高使用電壓，必需在CRD的容許損失范圍內操作。
 CRD的電源電壓對變動變壓器Type AC Adapter非常有效，部份制品除外幾乎所有CRD的電流值對溫度具有負的特性，尤其是對周圍溫度的變化安全性很高。
     （c）利用3端子比較器的定電流驅動方式
     依照圖11電路連接就可以利用定電壓輸出3端子比較器（Regulator）制作高性能定電流電路。圖中的7805可以使1-2腳架之間（R1兩端的電壓）控制在5V，所以可以用 的阻抗值使ILED維持一定值。
 7805本身的動作電流ILED（5mA左右）從第2腳架通過LED流至GND，因此：
  ILED=IR1+Iopr
  IR1：R1內的電流（A）
  Iopr：7805的消費電流（A） 
     R1為333Ω時，ILED就是變成20mA。驅動本電路Vcc的電壓必需大于LED的VF與7805兩者的動作電壓總合。
     （d）利用OP增幅器的定電流驅動方式
     圖12的電路會Feedback LED內部的電流值，所以可以使電路對電源電壓與周圍溫度變化更加穩定。本電路利用ILED產生的R1電壓與OP增幅器產生的Zener電壓Vz比較，因此：
     ILED=VZ/R1
     ＊（基準電壓必需穩定化）
     以上介紹的電路范例基本上消費電力使Vcc電壓與LED的IF兩者相乘結果，如果電源電壓過高效果反而變差請讀者注意。表2是上述4種LED驅動方式的比較。

三、LED驅動器的制作

國外廠商開發許多LED驅動專用IC，不過一般業者卻無法取得，有鑒于此本文將介紹一種單片微機構成的升壓型定電流LED驅動器。本驅動器利用4個電池動作，2V系列LED使用3~15個，3.6V系列使用2~8個串聯連接的LED，它以20mA定電流使LED點燈。

1、電路結構

     圖13是LED驅動器的電路亦即一般稱為“Switching Type DC-DC Converter”，微處理器使用同時具備A-D Converter與PWM功能的PIC12F683，它會自動調整Chopper Type升壓電路的輸出電壓，使LED內流動的電流變成20mA形成定電流驅動。
     由于LED作串聯連接，因此所有LED都以相同電流值驅動，LED內部流動的電流值以OP增幅器將R7產生的電壓增幅，接著再用A-D Converter讀取。電源使用4個電池，雖然電源電壓只有4~6V左右，隨著LED串聯數量升壓電路的輸出電壓最大可以提高到30V，整體而言電路結構非常簡單，而且LED的VF總合值即使超過電源電壓低于30V也可以正常動作。

2、電路與微處理器的動作

     PIC微處理器一旦開始動作，就會以AN0讀取LED內部流動的電流值，再與PIC內部預設的目標電流值20mA的數據進行比較，最后根據比較結果增減升壓電路的PWM Duty值并輸出到CCP1。Duty的增減條件如下：
     ILED〉20mA時Duty減少
     ILED〉20mA時Duty增加
     由于電源投入后瞬間升壓電路并未動作，因此LED內部無電流流動，Duty增加升壓電路啟動后輸出電壓變高，此時LED內部電流才開始流動，如果電壓過高LED的電流值超過20mA時，PIC微處理器會減少Duty降低輸出電壓，其結果反復定電流動作最后在20mA穩定下來。
     圖14是升壓型LED驅動電路板的實際外觀；清單1是升壓型LED驅動器的PLC程序；圖15 LED驅動器的外觀。實驗時將15個橙色LED串聯，輸出電壓在3.0V附近略有變動，不過LED的電流在20mA卻非常穩定，在此狀態下輸入為5.5V/180mA，輸出為30.1V/120mA，效率大約是61％。表3是主要高功率LED的規格摘，表中記載的規格原則上都是標準值，至于最大值與最小值表示概略平均值，至于相同型號細分等級，則一律采用中級品當作標準值。
 升壓型LED驅動器的PLC程序（使用CCS-C程序編輯器）：
 # includ   〈12f683.h〉
 # device   ADC=10          //A-D轉換10bit
 # fuses INTRC_IO, NOWDT, NOPROTECT, NOMCLR, BROWNOUT //指定內部clock
 # use delay (CLOCK = 8000000)   //指定clock頻率
 # use fast_in (A)                     //固定輸出入模式
 # define LED_IF 20                //LED電流（A）（實測補償）
 Void main()
 {
    Signed long duty;              //Duty data
    Float current;                //電流量測資料
    Setup_oscillator(OSC_SMHZ);        //內部clock 8MHz
    ///A-DこI/0的設定
    Setup_adc_portsANO_ANALOG);     //輸入PA0類比
    Setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_32);       //Fosc/32
    Setup_tris_a(0b00000011);               //輸入AN0，AN1
    ///CCP1的初期設定 
    Setup_ccp1(CCP_PWM);      //CCP1設定成PWM
    Setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,0x3F,1);      //Timer2 31,125kHz
 Duty=0              //啟動軟體
 While(1){                 //永久Loop
    Set_adc_channel(0);      //AN0
    Delay_us(S0);
    Current=read_adc();      //量測電流
    Current=（current*56）/1024    //
    If(current〉LED_IF) duty－  //Duty減少
    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輸出
    }
}