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LED发展史
19 Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗, 不适合实际应用;更难处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应, 研究被摒弃了。
二十年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。再一次因发光暗淡而停止。 1936年, George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识, 最终出现了”电致发光”这个术语。
二十世纪50年代, 英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓创造了第一个具有现代意义的LED, 并于60年代面世。据说在早期试验中, LED需要放置在液化氮里, 更需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。第一个商用LED仅仅只能发出不可视的红外光, 但迅速应用于感应与光电领域。60年代末, 在砷化镓基体上使用磷化物创造了第一个可见的红光LED。磷化镓的改变使得LED更高效、 发出的红光更亮, 甚至产生出橙色的光。
到70年代中期, 磷化镓被使用作为发光光源, 随后就发出灰白绿光。LED采用双层磷化镓蕊片(一个红色另一个是绿色)能够发出黄色光。就在此时, 俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。尽管它不如欧洲的LED高效。但在70年代末, 它能发出纯绿色的光。
80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生, 先是红色, 接着就是黄色, 最后为绿色。到20世纪90年代早期, 采用铟铝磷化镓生产出了桔红、 橙、 黄和绿光的LED。第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期, 再一次利用金钢砂―早期的半导体光源的障碍物。依当今的技术标准去衡量, 它与俄国以前的黄光LED一样源暗淡。
90年代中期, 出现了超亮度的氮化镓LED, 随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。超亮度蓝光蕊片是白光LED的核心, 在这个发光蕊片上抹上荧光磷, 然后荧光磷经过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色, 如浅绿色和粉红色。有科学思想的读者到现在可能会意识到LED的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程。事实上, 最近开发的LED不但能发射出纯紫外光而且能发射出真实的”黑色”紫外光。那么LED发展史到低能走多远, 不得而知。可能某天就能开发出能发X射线的LED。早期的LED只能应用于指示灯、 早期的计算器显示屏和数码手表。而现在开始出现在超亮度的领域。将会在接下的一段时间继续下去。LED的分类
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。国外一般把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]。由半值角大小能够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。一般作指示灯用, 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)。
白光LED介绍
白光LED的合成途径大致上有2条路能够走, 第一条是RGB, 也就是红光LED+绿光LED+蓝光LED, LED走RGB合成白光的这种办法主要的问题是绿光的转换效率底, 现在红绿蓝LED转换效率分别达到30%, 10%和25%, 白光流明效率能够达到60lm/w。经过进一步提高蓝绿光LED的流明效率, 则白光流明效率可达到200lm/w。由于合成白光所要求的色温和显色指数不同, 对合成白光的各色LED流明效率有不同的。随着白光LED的深配色、 白平衡: 深入发展, 人们希望用作照明光源的白光LED的光谱、 色品坐标、 显色性及相关色温等均能满足国际CIE和中国的有关标准, 否则应认为不合格。我们对相关色温80004000K白光LED的光色特性及其与正向电流的关系进行了总结。长期以来, 低色温(<4000K)、 高显色性的白光LED按照当前主流方案InGaN蓝色LED芯片和ce”激活的稀土石榴石黄色荧光体组合的方案实现难度大, 成为人们攻关的难题。因为黄色荧光体的发射光谱中缺少红成份。故当前大多数报告限于有关5000K以上的高色温白光LED的工作。
尽管白光LED已有商品, 但缺少低色温白光LED。5000K以上的高色温商品, 显色性差, 难以满足市场, 当前, 由蓝色芯片和荧光体组合的低色温白光LED的报告极少。因此, 无论从学术上研究, 还是应用需要, 发展低色温(<4000K)高显色性白光LED具有重要意义。
第二条路是LED+不同色光荧光粉: 第一个方法是用紫外或紫光LED+RGB荧光粉来合成LED, 这种工作原理和日光灯是类似的, 可是比日光灯的性能要优越, 其中紫光LED的转换系数可达80%, 各色荧光粉的量子转换效率能够达到90%, 还有一个办法是用蓝光LED+红绿荧光粉, 蓝光LED效率60%, 荧光粉效率70%;还有是蓝光LED+黄色荧光粉来构成白光。
两种途径相比较之下, RGB三色LED合成白光综合性能好, 在高显色指数下, 流明效率有可能高到200lm/w, 要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率, 当前只有13%左右, 同时成本高。
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, 色彩不但会有偏差, 丰富程度减少。
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, 而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。
当前封装多种多样, 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驱动技术原理和超高亮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), 即一般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一般为2～4V。
由于LED的光特性一般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, 采用恒流源驱动能够更好地控制亮度。另外, 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。因此, 采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性, 而且影响LED的可靠性、 寿命和光衰。因此, 超高亮LED一般采用恒流源驱动。
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。见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, 一般需同时驱动多个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
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, 可是, 在输入电压波动时, 经过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, 实际上负载能够是多个LED串联, 下同), 它与LED并联, 当输入电压增大或者LED减少时, 经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, 以使经过LED的电流保持恒定。
由于分流调节器需要串联一个电阻, 因此效率不高, 而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。开关电源是当前能量变换中效率最高的, 能够达到90%以上。Buek、 Boost和Buck-Boost等功率变换器都能够用于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。可是, 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, 经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输出能够并联使用, 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的源极能够直接接地, 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, 可是, 它们都能够提升输出电压的绝对值, 因此, 在输入电压低, 而且需要驱动多个LED时应用较多。
PWM调光知识介绍

在手机及其它消费类电子产品中, 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。当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, 产品设计者能够根据具体的要求选择相应的技术。
PWMDimming(脉宽调制)调光方式――这是一种利用简单的数字脉冲, 重复开关白光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接口能够简单的产生任意占空比的脉冲信号, 该信号经过一个电阻, 连接到驱动器的EN接口。多数厂商的驱动器都支持PWM调光。
可是, 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(audiblenoise, 或者microphonicnoise)。这个噪声是如何产生?一般白光LED驱动器都属于开关电源器件(buck、 boost、 chargepump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。可是当驱动器进行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。因此设计时要避免使用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(wirewindingcoil), 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, 输出电容经过白光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。可是区别于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, 而且驱动器的电能转换效率随着输出电流减小而急速下降。因此, 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, 当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。该数字接口能够是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, 就能够使得白光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。可是有些情况又不得不并联解决多颗LED驱动成本问题, 这些设计能够为大家做些参考。
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, 产品能够保证误差电流在1mA之内、 LED相对工作恒流状态。
下图采用集成三极管能够保持每路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, 能够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能够这样设计, 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能够设定IC输出电流, 一经确定R阻值能够使用固定电阻代替。多三极管集成器件的使用能够减少IC的使用数量, 从而减低设计产品成本。
线性大功率LED恒流输出能够并联使用, 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也不一定能够极限使用。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6WLED。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也能够并联设计驱动, 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。
当然能够2并, 也能够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℃是能够承受的, 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℃左右的热敏电阻能够设计出理想电路。
手机LED应用设计
德州仪器的TPS61150/1产品是一款具备双稳压电流输出的白光LED驱动器, 能够驱动翻盖手机中用于主显示屏与副显示屏LCD背光照明的白光LED。同时, 该器件的双通道输出也可驱动显示屏与键区的背光照明, 其在单个较大显示屏上可驱动多达12个白光LED。PS61150/1无需外部有源电源组件的支持, 即可实现较高的效率与设计灵活性。
美信MAX1553/MAX1554高效率, 升压到40V为2到10白色LED的转换器驱动。应用于小LCD屏和按键区域背光照明。MAX1553/MAX1554能够以恒定电流驱动串联的白色LED, 为蜂窝电话、 PDA及其它手持设备提供高效的显示器背光驱动。这款升压转换器内部包含一个0V、 低RDSON的N沟道MOSFET开关, 可提高效率、 延长电池寿命。MAX1553限流为480mA, 可驱动2至6只白色LED;MAX1554限流为970mA, 可驱动多达10只白色LED。一个模拟/PWMDualModeTM输入提供了两种简便的亮度调节方式, 单独的使能输入提供开/关控制。软启动可降低启动过程中的浪涌电流。MAX1553/MAX1554采用节省空间的8引脚TDFN3mmx3mm封装。美信MAX1576480mA白色LED1x/1.5x/2x电荷泵式从背光照亮到照相机闪光灯应用。
MAX1576电荷泵能够以高达480mA的总电流驱动两组、 每组四个LED。对于闪烁状态的LED组, 允许每个LED电流达到100mA的电流。每组LED具有独立的电流设置、 脉冲亮度调节和2线亮度控制。利用自适应开关, 在单节锂电池的整个放电过程中平均效率能够达到83%。对于使用LED闪光灯的数码照相机, MAX1576是理想选择。
LM27964有I2C的独立控制的, 多按键区域背光指示应用IC。LM27964芯片还内置I!C兼容接口, 采用锂电池供电, 其输入电压为2.7～5.5V。这三款白光发光二极管驱动器采用双增益结构, 可让稳压器因情况选择适当的输入/输出电压增益, 适用于移动电话、 个人数字助理、 便携式电子游戏机及MP3媒体播放器。LP3954电话LED指示包括展览背光、 RGB、 按键区和照相机闪光等应用。
LP3954背光发光二极管驱动器能够控制手持式电子产品发出的各种不同的灯光, 最适用于移动电话、 数码相机、 电子游戏机及MP3播放机。
LP3954的灯光管理单元采用小巧的microSMD封装, 内含两个背光驱动器、 一个双组装红绿蓝光发光二极管控制器、 一个闪灯发光二极管驱动器及一个A/D转换器, 以上电路全部集成在这颗单芯片之内。在这些内置的电路之中, 高度集成的磁力升压DC/DC转换器负责驱动高电流负载, 其优点是适用于电池电压范围, 而且效率极高。
LP3954芯片是专门管理便携式系统灯光的管理单元, 能够驱动两组各自独立控制的白光发光二极管背光系统, 分别为主及副显示屏幕提供背光。部分便携式系统可能只有一个加大的显示屏幕, 在这种情况下, 各单元能够汇集一起, 一同驱动高达6个发光二极管。另外, 这两个背光驱动器除了能够调节所有发光二极管, 以确保亮度均匀之外, 还设有自动调节光暗的功能。
飞兆半导体FAN5611/12/13/14PDA/MP3等低端LED背光源应用IC。FAN5613是FAIRCHILD公司生产的低压差白色LED驱动器, 能并联驱动4个白色LED。主要特点:压差小于300mV;4个并联的LED电流匹配, 差值<±3%;无需外围元件来匹配4个LED的均流;每个LED最大电流可达40mA;有EN端可实现关闭, 关闭状态时耗电<1μA;而且可输入PWM信号实现LED的亮度调节;小尺寸8管脚SC-70封装;工作温度-40~+85℃。飞兆半导体FAN5609三态泵式背光源驱动(4×20mA)80mAPDA、 DSC、 MP3PlayersFAN5609驱动器如何在LED之间提供电流匹配, 而无需使用限流电阻。唯一缺点是每个LED都需要连接到驱动器。并非所有并联LED驱动器都需要升压电路。白光LED需要的正向电压相对较高。最新的技术趋势是将该电压降低-低于3V。 LED大屏幕参考设计
LED显示屏发展经历了三个阶段:
1.1990年以前LED显示屏的成长形成时期。一方面, 受LED材料器件的限制, LED显示屏的应用领域没有广泛展开, 另一方面, 显示屏控制技术基本上是通讯控制方式, 客观上影响了显示效果。这一时期的LED显示屏在国外应用较广, 国内很少, 产品以红、 绿双基色为主, 控制方式为通讯控制, 灰度等级为单点4级调灰, 产品的成本比较高。
2.1990-1995年, 这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期。进入九十年代, 全球信息产业高速增长, 信息技术各个领域不断突破, LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色LED晶片研制成功, 全彩色LED显示屏进入市场;电子计算机及微电子领域的技术发展, 在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术, 显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰, 显示屏的动态显示效果大大提高。这一阶段, LED显示屏在中国发展速非常迅速, 从初期的几空企业、 年产值几千万元发展到几十家企业、 年产值几亿元, 产品应用领域涉及金融证券、 体育、 机场、 铁路、 车站、 公路交通、 商业广告、 邮电电信等诸多领域, 特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。LED显示屏平板显示领域的主流产品局面基本形成, LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。
3.1995年以来, LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。1995年以来, LED显示屏产业内部竞争加剧, 形成了许多中小企业, 产品价格大幅回落, 应用领域更为广阔, 产品在质量、 标准化等方面出现了一系列新的问题 有关部门对LED显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导, 当前这方面的工作正在逐步深化。
LED屏幕现状
销售亿元以上企业?上海三思科技发展有限公司?南京洛普股份有限公司?南京汉德森电子有限公司?北京利亚得电子科技有限公司?北京世纪澄通电子有限公司?惠州德赛光电科技有限公司?京东方智能显示技术有限公司?深圳市锐拓显示技术有限公司?深圳市蓝普科技有限公司?深圳市普耐光电科技有限公司?深圳联创健和光电有限公司
, 行业内的骨干企业在不断发展和提高。惠州德赛: 产能提升, 成为国LED显示屏产品出口的主要加工基地;北京世纪澄通:基础建设, 形成LED显示屏专业加工生产能力, 跃升行业前列;深圳锐拓、 深圳蓝普、 深圳钧多利集团等企业:在LED器件、 显示产品等方面综合发展, 成为了业内颇具规模的LED显示应用产品供应商;上海信茂完成了转制和结构调整, 为未来发展奠定了基础;西安青松、 南京洛普、 同州电子、 南京汉德森等企业:在LED显示屏业务的基础上, 拓展其它显示产品或系统领域的业务, 形成了持续发展的基础。
16位恒流IC的由来: 双色屏主要是以显示文字为主, 单片机扫描比较方便, 由于LED数量的增加, 为了节省资源, 引用74HC595移位扫描。为了更适合LED的应用在此基础上整合了恒流电流设定功能, 更符合需求及成本需要又封装出16位器件, 被当前全彩屏广泛采用。
当前全球有80%的LED大屏幕生产在中国大陆, LED大屏幕驱动主流IC主要有聚积、 点晶、 东芝、 TI等。另外还有些厂家的IC和用74HC595生产的LED屏幕企业, 这部分恒流IC每年在大陆的销售额大概在3亿多元。根据IC数量结合不同的扫描方式, 大概计算出LED这部分大屏幕产值在150亿元左右。主要的代表IC有以下几款: 聚积MBI5026、 点晶DM13C、 东芝TB62726、 德州仪器TLC5921。
LED的控制系统一般由主控箱、 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。当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灰度的方法能够很方便地实现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, 因此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。
当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。详细资料能够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, 大能够装饰几十层楼整栋大厦, 小的能够显示金字招牌。能够避让窗户、 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。较成熟的控制方式当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。
当前能够支持这种设计的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芯片能够应用于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, 而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。
芯片特色
¬最大恒流输出: 200mA(由三个外挂电阻分别控制)
¬最大输出承受电压:17V
¬最大串行输入时钟频率:20MHz
¬线性可调电流输出: 65, 536级PWM灰阶
¬数据/时钟/锁存讯号输出端均内建缓冲, 支持长串接应用
¬具PWM自由运行能力(内置振荡器可达17.5MHz, 产生画面刷新率达267Hz)
¬锁存信号输入方式可设定为自动/手动锁存
LED开路侦测功能
输出端极性反转功能
芯片工作电压: 3.3V~5.5V
应用
LED装饰与照明、 户内/外LED视频/讯息显示屏、 PWM信号产生器
封装SOP16, SSOP16, TSSOP16(带散热片)
高压驱动部分选型
Supertex是LED高压恒流驱动的领导者, 是当前推出最多的高压LED恒流直驱IC企业之一, 有不断推出新品及改进版本出现, 满足市场不断增长的需求。HV9910是当前市场上高压部分使用最多的IC之一。
这款灵活简单的LED驱动器IC效率超过93%, 可减少相关元件的数量, 从而降低了系统成本。HV9910可将调整过的85V至265Vac或8V至450Vdc电压源转换为一个恒流源, 从而为串连或并联的高亮LED提供电源。
HV9910应用恒定频率峰值电流控制的脉宽调制(PWM)方法, 采用了一个小电感和一个外部开关来最小化LED驱动器的损耗。不同于传统的PWM控制方法, 该驱动器使用了一个简单的开/关控制来调整LED的电流, 因而简化了控制电路的设计。
该驱动器具有内置的降低亮度控制, 能协同外部衰减范围在0至100%的PWM信号工作, 也能够利用其衰减引脚上外接的任意可在0至最大值之间调整的线性控制电压来实现亮度控制。HV9910适用于LED常规或装饰灯、 替代氖灯的LED以及其它高压交/直流输入的应用。
以下是当前Supertex公司产品线:
Supertex公司以设计高压IC为主, 缺点是有些IC设计的保护功能不完善;灰度表现欠佳;
串连LED个数有限;线路设计布线相对复杂, 走线要求严格;一般应用于射灯、 MR16高压灯杯、 洗墙灯等灰度表现不是很高的场合。
在传统的方法中, 针对每一LED均配备了专用的脉宽调制(PWM)控制器以控制至多个LED的输出, 并经过控制器将输出电压转换为供给LED的电流。电压控制脉宽调制控制器常见于此用途。电流感应电阻与LED串联配置, 将电压值反馈给控制器。因此, 控制器实际上是工作于电压模式, 并保持恒定的取样电压值, 从而保持恒定的电流。该典型电路配置如图所示。
深圳泉芯科技与上海华润矽威科有生产间接替代产品, 因其国内当前没有600V高压CMSIC生产制程, 巧妙的低压CMOS工艺设计, 工艺简单性能价格比高。IC供电采用电阻降压获得, 效率会低些, 外置高压MOS管, 会有同样的效果。QX9910能够间接取代HV9910改进后的QX9920封装更小, 性能、 成本也有所改进, 能够直接做到MR16灯杯里面。 上海华润矽威科PT4107也是一款类似的IC, 稳压二极管也做在IC里面并增加些功能性能价格比高。
PT4107就是一款针对这一市场趋势开发, 针对高功率LED照明, 输入电压既可为传统的110V/220V交流电压又可为18V以上到数百伏直流电压的PWM恒