探讨半导体照明技术的应用及未来发展趋势

随着经济的发展，LED （发光二极管）应用随需求而变得急剧增大，已经广泛地应用于电信、邮政、金融、交通等各个行业。

随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，继半导体技术引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，其标志是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。半导体灯采用发光二极管（LED）作为新光源，同样亮度下，耗电仅为普通白炽灯的1/10，而寿命却可以延长100 倍。由于半导体照明（亦称固态照明）具有节能、长寿命、免维护、环保等优点，业内普遍认为，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯也是大势所趋。目前，德国Hella 公司利用白光LED 开发了飞机阅读灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED 作路灯照明；我国的城市交通管理灯也正用白光LED 取代早期的交通秩序指示灯。我国于2003年6月17日启动了“国家半导体照明工程”。科技部有关领导提出：要以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明中的应用。半导体照明包括普通照明和特种照明，考虑到性能价格比，宜先从特种照明做起。可以预见不久的将来，白光LED 定会进入家庭取代现有的照明灯。

LED 光源与传统光源相比较，具有以下优点：超长寿命，可达几万小时，传统光源一般为几千小时；结构坚固，没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，具有极高的抗震性能；响应速度快，光通上升时间短；对点灯线路要求低，易实现调光和智能控制；耐开关冲击，适用于频繁开关场合；高效节能，现有光效已经超过白炽灯，理论光效可达200 lm/W；不含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保。

LED 的应用离不开它所需要的驱动控制电路，通过驱动电路来获得良好而平稳的电流，使LED 显示更加均匀、漂亮，满足各种场合的应用要求。

LED 实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件，LED 驱动应具有直流控制、高效率、PWM 调光、过压保护、负载断开、小型尺寸及简便易用等特点。理想的LED 驱动方式是采用恒压、恒流方式，但驱动器的成本会增加。其实每种驱动方式均有优、缺点，根据LED 产品的要求、应用场合，合理选用LED 驱动方式，设计驱动电源成为关键。以下介绍几种常用的LED 驱动电路。

（1）电容降压电路。电容降压电路是一种常见的小电流电路，由于其具有体积小、成本低、电流相对恒定等优点，也常应用于LED 驱动电路中。图7－6所示为一个采用电容降压的LED 驱动电路，而大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制二极管，因压敏电阻或瞬变电压抑制二极管能在电压突变瞬间（如雷电、大用电设备启动等）有效地将突变电流泄放，从而保护LED 和其他晶体管。瞬变电压抑制器的响应时间一般为纳秒级。

图7－6　采用电容降压的LED 驱动电路

图7－6中，电容C1 的作用是降压和限流。电容的特性是通交流、隔直流。压敏电阻RV（或瞬变电压抑制二极管）的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压对地泄放掉，从而保护LED 不被瞬间高压击穿。LED 串并联的数量视其正向导通电压及电流而定，在220 V、50 Hz 的交流电路中，可以选择耐压为400 V 以上的涤纶电容或纸介质电容。

（2）利用PWM 控制的白光LED 基本驱动电路。由开关变换器构成的LED 基本驱动电路如图7－7所示，电路采用PWM 信号控制白光LED 的亮度。在图7－7中，如果对EN端子施加PWM 控制信号，白光LED 会以某种速度做ON/OFF 模式运行，进而实现LED 亮度的控制。此电路中Tr1的输出信号需经A/D 转换器转换为数字信号，控制PWM 电路。

图7－7　利用PWM 信号控制LED 亮度的驱动电路

（3）电荷泵驱动LED 的典型电路。CAT3604 是一个工作在1×、1.5×分数模式下的电荷泵，可调节每只白光LED 管脚（共4 只LED 管脚）的电流，使LED 背光的亮度均匀。CAT3604 工作在1 MHz 的固定频率下，可使用低值的陶瓷电容。使能端EN 可使CAT3604 工作在静态电流“几乎为零” 的掉电工作模式下。

CAT3604 可驱动并联的白光LED，提供合适的匹配调节电流。外部电阻RSET用于控制输出电流的电平，3～5.5 V 的宽电源电压输入范围可支持高达30 mA 的白光LED 电流。(www.xing528.com)

CAT3604 适用于单节锂离子电池供电的便携式电子产品。CAT3604 具有短路和过流限制保护特性。CAT3604 实现白光LED 亮度控制的方法有以下几种。

①使用一个直流电压来设置RSET 管脚的电流。

②将PWM 信号用做控制信号或在电阻RSET两端并联一个电阻。

CAT3604 的应用领域有PDA、便携式MP3 播放器、彩色LCD 和键盘背景光手机、手持式设备、数码相机。

CAT3604 的典型应用电路如图7－8所示。

图7－8　CAT3604 典型应用电路

（4）开关式DC/DC 变换器驱动LED 的典型电路。NCP5009 是安森美公司 （ON Semiconductor）在2002年4月推出的一种由升压式DC/DC 变换器电路及电流调节电路等组成的自动调节亮度白光LED 驱动器。它可用做彩色液晶显示器（LCD）的背光光源。

NCP5009 主要特点是：输入电压范围为2.7～6.0 V，输出电压可达15 V；静态电流的典型值为3 μA；内部有开关电流检测电阻器（外部无须接电流检测电阻器）；LED 的电流可由外设电阻器设定；可方便地调节LED 的亮度；外设一个光电三极管，可根据环境光线的亮暗自动调节LED 的亮度；有高于75%的转换效率；输出噪声低；所有引脚都有耐2 kV 电压的防静电保护；采用10 引脚贴片式封装；工作温度范围为－25 ℃～＋85 ℃。

NCP5009 的典型应用电路如图7－9所示。该电路以升压式DC-DC 变换器为基础，由外设电阻器R1 及微控制器来设定LED 的电流，并有自动调节亮度电路。

图7－9　NCP5009 的典型应用电路

用于控制LED 亮度的相关引脚的功能是：、CLK 引脚与微控制器连接，由微控制器控制亮度等级信号Bn （由内部移位寄存器产生，Bn＝1～7，Bn 值越大，亮度越高）。Iref 引脚外接电阻器R1，R1 用来设定LED 的电流。PHOTO 引脚外接光电三极管，用来检测环境光的亮暗及调节LED 的电流。