实用电路设计：以LED应用为例（1）

hellocq

第1章 LED驱动与应用基础

本章介绍LED的应用领域，提出LED驱动的三个不同层次的概念，分析了LED的电气特性，以及LED灯珠的连接方式，给出了LED灯板设计的思路和方法，最后通过例子说明LED灯板的简单计算。LED产品的功能归根到底都是通过LED发光来实现的，本章的目的是为后续对LED应用进行电路设计建立基本的概念。
1.1 LED的应用领域

夜空中的星星一闪一闪的是那么的漂亮，然而一律的白色光点却又显得有那么一点单调，我们可以想像，从太空往地球上看，它应是为数不多能发出绚丽多彩的光芒的一颗明星，LED点亮了我们的星球，也点亮了人们的生活。
LED作为第四代光源具有许多优点，诸如节能、环保、长寿、安全、易控、色彩丰富等，近年来LED相关产品可以说爆炸式的迅速发展，并以几何级数的速度渗透到人类生活的各个领域，LED的广泛应用使人们对有光的生活提高了不止一个层次。
近一个世纪以来，LED的从一个小小的发光器件开始为人们认识、探索研究，不断取得重大技术突破，各项性能大大提高，无数的科研工作者在这个领域里做了很多贡献，在学习使用LED这个神奇的器件之前，我们应该向他们致敬，学习，站在巨人的肩膀上，在LED应用领域里潜心钻研，让它更好的为人们服务，不负前辈们为开发这些技术所付出的努力。
LED的应用前景可以说是无可限量的，这里我们仅仅列举一些常见的应用场景，
（1）日常的家居照明、商用照明、工业照明，各种的灯具。包括如：球泡灯、日光灯管、射灯、路灯、隧道灯、工矿灯等等，功率从几瓦到上千瓦级别，足够高的光效、色温、显色性，以及良好的散热技术使得LED能够覆盖几乎所有的照明应用。
（2）背光源。包括如：手机、电脑、电视、各种仪表等的背光源，超小的体积、完整的光谱，以及优良的导光匀光材料和技术的运用，使得LED在各种液晶显示器的薄化、轻化设计上发挥无以伦比的优势。
（3）各种点阵显示屏。包括如：LED滚动显示屏、户外大型LED广告显示屏、LED电视等。LED本就是点光源，加上色彩丰富、亮度和体积大小灵活可控、控制电路技术成熟等方面的优势，天然就是点阵显示的不二选择，面积大到如户外几百平米的大型广告屏，小到如家用电视的精细显示屏，各种不同分辨率的场合对LED而言都没有挑战性，OLED的出现，使得LED在高分辨率和柔性显示方面的表现更上一层楼。
（4）各种指示灯。指示灯可以说是LED的独门绝技，从第一颗LED诞生那一刻起，大功率尤其是蓝光LED还没有取得成功之前，LED一直代替小灯泡充当着高级一点的指示灯，最多也就是少数几颗组合成数码管或一些图案用于简单的数字和信息的显示。随着LED的色彩、体积等性能的提高，LED作为指示灯的功能更加丰富多彩，现代生活没有一台电子设备不使用至少一个LED的。
（5）其他应用。LED丰富可控的光谱、亮度、色温、显色性等等特性，使LED在各种特殊应用场合得到了开发，包括如：植物生长、紫外杀菌、医疗、红外通信、可见光通信等，还有很多应用领域等待人们研究开发。
总之，LED具有十分广泛的应用空间。LED的优点是显而易见的，虽然在使用的过程中，人们也发现了一些问题，比如说炫光、光斑、频闪，以及生物安全、各种故障、失效和缺陷等问题，通过对LED封装、光学设计、电路设计等技术的改进，这些问题都能一一解决，LED的应用未来仍有无限的空间。
1.2 LED驱动的概念

点亮LED才能使LED发挥作用，实现各项功能，LED驱动就是按要求利用电路点亮LED。LED的寿命理论是有几万小时，这也LED相比于其他光源的一个重要的优点，但是实际的情况告诉我们，很多LED产品的寿命并没有我们预期的那么长，究其原因是没有按LED的工作条件提供稳定可靠的驱动电路和环境而造成的，因此电路设计在LED产品是否能正常工作，并保证持续稳定、安全可靠地工作下去起到了关键性的一环（除此之外LED的工作环境、散热设计等也很重要）。
通常所谓LED驱动是个比较笼统的概念，本教程里从对电路设计的要求不同，针对LED的不同应用尝试对LED驱动的层次进行划分，以资参考。
如图1.1所示，我们把LED驱动分为三个层次。
（1）首先最基本的层次是点亮LED，并且让LED能可靠的工作。这个层次对应普通照明应用，例如：各种家居照明、商业照明、工业照明、市政照明等，如图1.2所示。这个层次首要的任务是点亮LED，由于供电条件、功率大小、效率要求，以及功率因数、可靠性要求等因素的不同，采用的电源变换器的结构、复杂度也有所不同，针对不同的产品，国际上以及我们国家在产品的安全规范、能效、电磁干扰等方面有十分严格的标准，因此要实现这个层次的LED驱动并非只是点亮这么简单，往往涉及很复杂的电源变换电路（有可能是结构复杂的开关电源），为实现一些指标要求还附加了许多功能电路，如利用PFC功率因数校正电路提高灯具的功率因数；利用同步整流、软开关，以及复杂的LLC结构的电路提高灯具的能效；针对EMC指标要求的电磁兼容电路；还有防雷、过流、短路/开路、过压/欠压、过热等保护电路，以及解决频闪、噪声等问题的电路等。



图1.1 LED驱动的三个层次



图1.2 LED驱动的第一层应用举例
（2）随着人们对照明质量的要求越来越高，人们对亮度和光色的调节也有不同的要求。因此我们把LED的调光调色划分为第二个层次的驱动。LED亮度与LED的电流正相关，调节LED的电流就可以改变LED的亮度。LED是直流器件，流过LED的电流是直流电（模拟的连续电流或者数字的脉冲电流），因此LED电流的调节通常有两种方案，对于连续的直流电而言可以直接调节电流值的大小，而对于脉冲电流可以采用调节脉冲宽度，也就是所谓的PWM调光方式。通过两路不同色温的白光LED组合设计，利用调光控制可以实现色温的调节，从而满足人们对冷暖色调的需求，同理，采用RGB三种颜色的LED组合设计，利用调光控制不同亮度的组合可以实现丰富的色彩变化，如图1.3所示。从本质上说，调色实际上也是通过亮度的调节实现的。调光调色在电路设计上的要求主要体现在调光原理和控制方式上。

图1.3 LED驱动的第二层应用举例

（3）数量众多的LED点光源组成各种灯带、灯饰，在节日彩灯、各种建筑物的轮廓、幕墙装饰等场合已经随处可见，如图1.4所示。此外，大量的点阵显示屏、各种广告屏，以及LED电视等都是由数量可观的LED组成，如何组织和控制这些LED有序工作是个逻辑性、技术性很强的工作。理论上说这也是对LED进行逐点调光的控制，但显而易见，由于目标众多，硬件电路十分复杂繁琐。考虑到扩展和维护的方便，通常采用模块设计，软件上则需要高效的程序和算法设计，才能实现与硬件匹配的模块之间的信号传输。经过人们不断的摸索、总结和优化，这类型的LED产品产生并形成了一些高效的解决思路和实施方案，并且有很多电路也通过集成电路固化下来，相关产品的开发、设计得以简化。



图1.4 LED驱动的第三层应用举例
了解上述LED驱动的特点，学会一些常用的方法，对用好LED很重要。LED还有很多应用包括如植物生长、医疗、杀菌、通信，以及一些个性化产品和新功能的开发等，都需要与之相适应的驱动电路，因此学会LED驱动电路设计的思路和基本方法，对LED产品的开发设计十分重要。