【導(dǎo)讀】基于單片機(jī)的LED霓虹燈控制器設(shè)計綜述

　　

【正文】 D 器件的壽命會越來越長。但是如何快速測定半光衰時間，還有待于制造出通用的儀器進(jìn)行測定。目前有報道指出，只要測定 LED器件點亮?xí)r波長的漂移和與器件 連接的熱沉的溫度，就可算出 LED器件的壽命，這還有待于實驗的證實。但是， LED 器件的壽 命與使用時系統(tǒng)的散熱條件、出光效率有直接關(guān)系。即使 LED 器件的壽命很長，如果用于燈具系統(tǒng)，但這個燈具設(shè)計的散熱系統(tǒng)和出光系統(tǒng)不是很理想，則 LED 器件的壽命也不會長。 、 其他指標(biāo) LED是靠環(huán)氧樹脂等膠封裝起來的。由于時間和化學(xué)作用，會使封裝膠的透光性變差。有時會使膠體變黃變濁，影響透光；有的會使膠?；扑椤＿@些都會使 LED器件的性能發(fā)生變化，因此達(dá)不到原來的技術(shù)指標(biāo)，從而影響其出光效率和使用壽命。 LED光源 的特點 由以上 LED光源指標(biāo)的介紹很容易看出 LED具有以下特點 : ? 電壓 低 LED使用低壓電源，供電電壓在 624V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。 ? 效能 消耗能量較同光效的白熾燈減少 80% ? 適用性 很小，每個單元 LED小片是 35mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境 ? 穩(wěn)定性 10萬小時，光衰為 初始的 50% ? 響應(yīng)時間 其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級， LED燈的響應(yīng)時間為納秒級 ? 環(huán) 保 無有害金屬汞 ? 顏色 改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的 LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色 ? 價格 LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只 LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當(dāng)，而通常每組信號燈需由上 300～ 500只二極管構(gòu)成。 白光 LED 自上個世紀(jì) 60年代，經(jīng)過近 ３０年的發(fā)展，現(xiàn)在大家十分熟悉的 LED，已能發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍(lán)等多種色光。然而照明需用的白色光 LED 僅在近年才發(fā)展起來，現(xiàn)在介紹有關(guān)白光 LED。 高亮度 LED 食人魚 LED 大功率 LED 眾所周知，可見光光譜的波 長范圍為 380nm～ 760nm，是人眼可感受到的七色光 —— 紅、 橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，但這七種顏色的光都各自是一種單色光。例如 LED 發(fā)的紅光的峰值波長為 565nm。在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是由多種單色光合成的復(fù)合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機(jī)中的白色光也是由三基色紅、綠、藍(lán)合成。由此可見，要使 LED 發(fā)出白光，它的光譜特性應(yīng)包括整個可見的光譜范圍。但要制造這種性能的 LED，在目前的工藝條件下是不可能的。根據(jù)人們對可見光的研究，人眼睛所能 見的白光，至少 需兩種光的混合，即二波長發(fā)光（藍(lán)色光＋黃色光）或三波長發(fā)光（藍(lán)色光＋綠色光＋紅色光）的模式。上述兩種模式的白光，都需要藍(lán)色光，所以 攝取藍(lán)色光已成為制造白光的關(guān)鍵技術(shù)，即當(dāng)前各大 LED制造公司追逐的“藍(lán)光技術(shù)”。目前國際上掌握“藍(lán)光技術(shù)”的廠商僅有少數(shù)幾家，比如日本的日亞化 學(xué)、日本的豐田合成、美國的 CREE、德國的歐司朗等，所以白光 LED 的推廣應(yīng)用，尤其是高亮度白光 LED 在我國的推廣還有一個過程。 、 白光 LED 實現(xiàn)方法 目前， LED實現(xiàn)白光的方法主要有 兩 種： ? 通過 LED紅綠藍(lán)的三基色多芯片組和發(fā)光合成白光。 優(yōu)點：效率高、色溫可控、顯色性較好。 缺點：三基色光衰不同導(dǎo)致色溫不穩(wěn)定、控制電路較復(fù)雜、成本較高。 ? 發(fā)光晶片 +熒光粉 a、 藍(lán)光 LED芯片激發(fā)黃色熒光粉，由 LED藍(lán)光和熒光粉發(fā)出的黃綠光合成白光，為改善顯色性能還可以在其中加少量紅色熒光粉或同時加適量綠色、紅色熒光粉。 優(yōu)點：效率高、制備簡單、溫度穩(wěn)定性較好、顯色性較好。 缺點：一致性差、色溫隨角度變化。 b、 紫外光 LED芯片 激發(fā)熒光粉發(fā)出三基色合成白光。 優(yōu)點：顯色性好、制備簡單。 缺點：目前， LED芯片效率較低，有紫外光泄漏問題，熒光粉溫度穩(wěn)定性問題有待解決。 、熒光粉法原理 在 LED熒光粉 方面近幾年的發(fā)展非常迅速。美國 GE公司持有多項專利，國內(nèi)也有一些專利報道。藍(lán)光 LED激發(fā)的黃色熒光粉基本上能滿足目前 白光 LED產(chǎn)品的要求。但還需要進(jìn)一步提高效率，降低粒度。最好能制備出直徑 3~4nm 之間的球形的熒光粉。在 “ 藍(lán)光 LED+綠色熒光粉 +紅色熒光粉 ” 的方法中，綠色熒光粉的效率基本上能滿足要求，但紅色熒光粉的效率需要有較大提高。在 “ 紫外或紫外光 LED+RGB熒光粉 ” 的方法中，三種熒光粉的效率都需要有較大的提高，其中紅色熒光粉的效率最低。最近，在紅色熒光粉方面已經(jīng)取得了一 些進(jìn)展，但發(fā)光效率較高的熒光粉主要是硫化物體系，其穩(wěn)定性能差。因此 ，還需要盡快研制效率高、穩(wěn)定性好的熒光粉，以滿足半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展的需要。各種 熒光粉的化學(xué)成分及其應(yīng)用如表 1所示。 各種熒光粉的化學(xué)成分及其應(yīng)用 以下是一種白光 LED 的構(gòu)造及其和普通白熾燈的發(fā)光光譜比較： 、 RGB 三基色合成白光制作 原理 對于制作 RGB三基色合成的白光 LED，必須注意以下幾個問題： （ 1） 三種 LED芯片發(fā)出的光的主波長一般是：紅光為 615~620mm，綠光為 530~540mm，藍(lán)光為 460~470nm。要達(dá)到最佳光 效，可在這三種光的主波長范圍內(nèi)經(jīng)過實驗選擇最佳的主波長配比。如果為了提高顯色指數(shù)，可采用藍(lán)光（ 460nm）、綠光 （ 525nm）、黃光 （ 580nm）、紅光 (635nm)組合，這種光的主波長配比可得到最佳的顯色指數(shù)（達(dá) 95 以上），光效可達(dá)35~40lm/W，最低色溫可做到 2700K。為了兼顧出光效率和顯色指數(shù)，三種 LED 芯片發(fā)出的光的主波長和發(fā)光強(qiáng)度需要進(jìn)行優(yōu)化組合。根據(jù)所用的模式和材料多做幾次實驗，可得到最佳效果。 （ 2） 對于三種 LED 紅、綠、藍(lán)芯片的發(fā)光強(qiáng)度的比例，一般選擇為 3（紅）： 6（綠）： 1（藍(lán)），但是要考慮到不同芯片光衰不一樣；而且當(dāng)點亮發(fā) 熱后，三基色光的主波長漂移也不同。同時考慮這幾個因素，進(jìn)行綜合 的實驗來得到最好的效果，所以上述的只作為參考的比例，而不是固定的結(jié)論。 （ 3）如果將三種 LED芯片簡單地排列封裝在一起，那么這樣不能使三種 LED的顏色光很好地混合成白光。 下圖 圖給出了 RGB三色混合的示意圖，只有 A區(qū)是三種顏色都有的區(qū)域，所以只有 A區(qū)才是白光，其他區(qū)域都不是白光。 RGB三種芯片發(fā)出的光能量主要分布在以光源光軸為中心的一定角度之內(nèi)，因此不 同位置上由不同芯片發(fā)出的光要傳播一定距離后，才可能發(fā)生交疊進(jìn)而混色。然而即使在傳播一定距離后，仍然只有中心區(qū)域才出現(xiàn)白光，也就是說中心區(qū)域以外的 區(qū)域仍然沒有 混合，并且發(fā)散角度比較大的光線在經(jīng)過傳播后遠(yuǎn)離中心，繼而造成發(fā)光效率降低。 RGB三基色的混合 綜上所述 ，如何在較短傳播距離內(nèi)高效地混光，是封裝高質(zhì)量三基色白光 LED的關(guān)鍵所在。只有通過特殊的封裝設(shè)計，才能解決這個問題，如圖 2所示。采用這種結(jié)構(gòu)后，三種光基本集中在一個區(qū)域進(jìn)行混光，所以在 制作三基色合成白光 LED時，應(yīng)該在熱沉上和模粒上實現(xiàn)一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而使三種基色光能在集中的區(qū)域混合產(chǎn)生有效的白光。 三基色光混合的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計 （ 4） 多芯片集中封裝在一個器件中，熱量的散發(fā)會更加困難。因此在制作 RGB三基色光混合成白光時，特別要注意散熱的問題。這三種芯片其溫度特 性不一樣，溫度變化會引起色溫偏差。 下 表對幾種主要的白光 LED制作效果進(jìn)行了比較。 幾種主要的白光 LED制作效果 LED 驅(qū)動 、 LED驅(qū)動器的要求 驅(qū)動器可以看作是向白光 LED供電的特殊電源，可以驅(qū)動正向壓降為 ~光 LED，并根據(jù)需要驅(qū)動串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的多個白光 LED，滿足驅(qū)動電流的要求。對驅(qū)動器的主要要求如下： ? 為滿足便攜式產(chǎn)品的低電壓供電，驅(qū)動器應(yīng)有升降壓功能，以滿足 1~3節(jié)充電電池或 1節(jié)鋰離子電池供電的要求，并要求工作到電池 終止放電電壓為止。 ? 驅(qū)動器應(yīng)有高的功率轉(zhuǎn)換效率，以提高電池的壽命或兩次充電之間的時間間隔。目前高的可達(dá) 80%~90%，一般可達(dá)到 60%~80%。 ? 在多個白光 LED并聯(lián)使用時，要求各白光 LED的電流相匹配，使亮度均勻。 ? 功耗低，靜態(tài)電流小，并且有關(guān)閉控制功能，在關(guān)閉狀態(tài)時一般靜態(tài)電流應(yīng)小于 1μA 。 ? 白光 LED的最大電流 ILED可設(shè)定，使用過程中可調(diào)節(jié)白光 LED的亮度（亮度調(diào)節(jié)）。 ? 有完善的保護(hù)電路，如低壓鎖存、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、輸出開路或短路保護(hù)。 ? 小尺寸封裝，并要求外圍組件少而小，使所占印制板面積小。 ? 對 其他電路的干擾影響小。 ? 使用方便，價位低。 、 驅(qū)動器的分類 、 從供電電壓的高低分類 ? 由電池供電 由電池供電 電壓一般低于 5V，主要用于便攜式電子產(chǎn)品，驅(qū)動小功率及中功率白光 LED，它主要采用升壓式 DC/DC 變換器或升壓式（或升降壓式）電荷泵變換器，少數(shù)采用 LDO 電路的驅(qū)動器； ? 大于 5V供電 大于 5V供電 ， 如 6V、 9V、 12V、 24V（或更高），由穩(wěn)壓電源 或蓄電池供電，它主要用降壓式可升降壓式 DC/DC變換器； ? 直接由市電 直接由市電（ 110V或 220V）或相應(yīng)的高壓直流電（如 40~400V）供電，主要用于驅(qū)動 大功率白光 LED，采用降壓式 DC/DC變換器驅(qū)動電路。 過去認(rèn)為有電感的升壓式 DC/DC變換器可輸出較大的電流。近年來，電荷泵式驅(qū)動器可輸出的電流已從幾百毫安上升到 ，并且兩者在轉(zhuǎn)換效率上也不相 上下。對于采用 LDO電路的驅(qū)動器，無需外圍組件及價位低是它的優(yōu)點，其缺點是轉(zhuǎn)換效率略低，并且電池往往不能用到終止放電電壓就要充電。這種驅(qū)動器主要 用于 1節(jié)鋰離子電池的場合，并需用正向電壓低的白光 LED。 按 集成器件品種 分類 可以用作白光 LED驅(qū)動電 源的集成器件品種較多，大致分為 恒流源、電荷泵和開關(guān)電源三種類型 ： ? 恒流源 絕大多數(shù) LCD 背景照明裝置都配有亮度控制器以便使用中根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。由于 LED 的光子發(fā)射源于電子、空穴對的復(fù)合，故其發(fā)射速率以及 發(fā)光強(qiáng)度均與 LED 的正向電流成比例。為此，可控恒流源應(yīng)是實現(xiàn)亮度控制最簡單的方案。但因白光LED 的 “ 色溫 ” 也與工作電流直接有關(guān)，這類控制方案會使 光源在整個亮度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的顏色一致性變得很差，故而僅能用于按鈕照明之類對于顏色保真度要求很低的場合。 LCD背光裝置則大多采用 PWM電源為 LED供 電，以避免這一 “ 色偏 ” 問題。 從實用的角度來看，對于電源電壓較高的車載設(shè)備，由于多個白光 LED 可以串聯(lián)使用，所以采用配有脈寬調(diào)制器的集電極開路（ OC）或電流鏡輸出級即可構(gòu)成簡單的 LED驅(qū)動器。 在電源電壓較為有限的應(yīng)用場合，多個白光 LED 只能以并聯(lián)方式工作。此時，按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法，通常需為每只白光 LED 配備獨立的限流電阻，借以克服白光 LED 正向壓降一致性差以及不可直接并聯(lián)工作的弊端。不過目前多已改 用集成恒流源為白光 LED供電，可以消除電源電壓變動所造成的不利影響。 MAX1916和 LX1190是兩種較為常見的恒流源集成電路。 ? 電荷泵 白光 LED的正向壓降可以高達(dá) 4V，但是目前的大量手持電子設(shè)備多以單一鋰電池供電，此時已經(jīng)無法再由設(shè)備電源直接驅(qū)動白光 LED而必須借助于各類電源變 換器件。可以用作白光 LED驅(qū)動器的電源變換器件包括不少種類，其中應(yīng)以電壓輸出型電荷泵電路最為簡單。此類典型的器件有 LM3354 型開關(guān)電容變換器， 其電源電壓范圍為 ~，輸出電壓有一系列標(biāo)稱值可供選擇，用作白 光 LED驅(qū)動器時應(yīng)選擇 。 LM3354的開關(guān)工作頻率為 1MHz，故而可以采用較小的開關(guān)電容器。 LM3354的最大輸出電流為 90mA，帶有片內(nèi)過熱保護(hù)電路，靜態(tài)電流與關(guān)斷狀態(tài)電流分別為 475μA 和 5μA 。控制白光 LED亮度的脈寬調(diào)制信號可由器件的判斷控制（ SD）端送入，其重復(fù)頻率應(yīng)在 60Hz 以上，以免LED產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象；但也不宜超過 200Hz，以保證開關(guān)電容器具有足夠的放電時間。 白光 LED 以恒流源供電有利于抑制電源電壓變動所造成的不利影響，目前也確有不少電流輸出型電荷泵電路可 供選用。 LTC3200 的反饋閾值電壓則可由 “ 引 腳編程 ” 方式設(shè)定為 200mV、 400mV 或 600mV(第四種編程組態(tài)為 “ 關(guān)斷 ”) ，若以 PWM 信號令其間歇進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，便可平滑調(diào)節(jié)白光 LED 的亮 度而不致產(chǎn)生明顯的 “ 色偏 ” 。 LTC3200 的工作頻率為