中心議題：
- LED背光源的電路模型
- 偏置電阻對(duì)LED 背光源亮度均勻性的影響
- LED 的發(fā)光亮度對(duì)亮度均勻性的影響
1 引言
LED 正成為背光照明的主流器件。一般背光源設(shè)計(jì)中有多個(gè)LED，所以要考慮各個(gè)LED 亮度的一致性。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)向電壓（Vf）對(duì)LED 器件進(jìn)行“差異篩選”.LED 的Vf 值是背光設(shè)計(jì)的重要變數(shù)。將多個(gè)LED 連接在一起使用時(shí)，各管電流均必須匹配，整個(gè)組件才能產(chǎn)生一致的亮度。
LED 的亮度決定于流過它的電流。實(shí)現(xiàn)恒定電流最簡(jiǎn)單的方法，是將多個(gè)LED 串聯(lián)起來。這樣不用差異篩選，串聯(lián)LED 就能確保流過各個(gè)LED 的電流相同。但是串聯(lián)時(shí)的總體正向電壓為多個(gè)LED 的Vf 之和，需要使用帶電感的具有升壓功能的LED 驅(qū)動(dòng)電路，使得成本增加。而且，一個(gè)LED 發(fā)生故障就會(huì)使整個(gè)背光源失效。此外，串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方法有較強(qiáng)的電磁干擾， 對(duì)通訊產(chǎn)品尤其不利。
將多個(gè)LED 并聯(lián)的設(shè)計(jì)方法，無需帶電感的升壓電路，電磁干擾較小，容錯(cuò)性較強(qiáng)。但為了保證亮度的均勻性，必須對(duì)LED 進(jìn)行差異篩選。隨著所用LED 數(shù)量的增加，成本也會(huì)因差異篩選而增加。即使經(jīng)過差異篩選，LED 的Vf 值仍會(huì)存在一個(gè)變化范圍，影響亮度的均勻性。
本文重點(diǎn)討論在LED 并聯(lián)設(shè)計(jì)中，如何提高亮度的均勻性。
2 LED 背光源電路模型
將三個(gè)LED 并聯(lián)構(gòu)成背光源， 其總電流由三極管電路控制， 如圖1 所示。亮度均勻性的NLED 被定義為：
式中，Imax 和Imin 為各個(gè)LED 電流的最大值和最小值；
圖1 LED 背光源的驅(qū)動(dòng)電路
圖中， D1， D2， D3 為發(fā)光二極管， T1 為NPN 型三極管， R1 ， R2 ， R3 的阻值可根據(jù)總電流I 的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)， I/O 或DAC 為控制端口。
理想發(fā)光二極管的正向電壓為：
實(shí)際上， 寄生電阻對(duì)Vf 影響很大：
式中： I 為正向電流；n 為理想因子；k 為玻爾茲曼常數(shù)（1.38x10- 23 J /K） ; T 為溫度（ 298K 或25℃） ;q 為電子電量（ 1.602x10- 19 C） ;Is 為飽和電流； R 為寄生電阻；本文以西鐵成公司的發(fā)光二極管為例， 其特性參數(shù)如表1 所示。
表1 發(fā)光二極管特性參數(shù)
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依據(jù)式（2） ，使用對(duì)分法［2］計(jì)算出在不同正向電壓下，三種LED 的正向電流，如圖2 所示。
圖2 不同LED的正向電壓與電流的關(guān)系
由圖2 可以看出，在相同的電壓下，不同LED 的電流不同， 即亮度不同。LED 都有其額定電流，西鐵城LED 的額定電流為20mA，所以本文給出了20mA以內(nèi)的數(shù)據(jù)。
3 偏置電阻對(duì)LED 背光源亮度均勻性的影響
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，利用外加偏置電阻，即在每個(gè)LED 處串聯(lián)一個(gè)電阻來改善LED 背光源的亮度均勻性。本文討論兩個(gè)LED 并聯(lián)，加偏置電阻R4=R5的情況， 如圖3 所示。
圖3 加偏置電阻的電路圖
計(jì)算機(jī)利用對(duì)分法算出了在總電流為15mA，外加偏置電阻（R）為R4=R5=0 ， 22 ， 47 ， 68 ， 100 ， 150， 200 （Ω） 時(shí)， D1 和D2 的電流（ I1 和I2） 、亮度均勻性（ Uni）、正向電壓（V5） 、以及偏置電阻帶來的功耗（P）。
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計(jì)算結(jié)果如表2 及圖4、圖5 所示。
表2 不同偏置電阻的計(jì)算結(jié)果
圖4 偏置電阻對(duì)亮度均勻性的影響
圖5 偏置電阻對(duì)功耗及供電電壓的影響
由表2 和圖4、5 可以看出，外加偏置電阻可以顯著提高亮度的均勻性， 但電路的功耗會(huì)相應(yīng)增加，對(duì)LED 正向電壓的要求會(huì)增大。例如，外加150Ω偏置電阻時(shí)，其耗散功率為17mW，V5 為3.104V。
對(duì)于鋰電池而言， 一般工作電壓范圍為3.0~4.2V，再考慮三極管的偏置電壓，因此，外加150Ω 偏置電阻是不能接受的。設(shè)計(jì)中要根據(jù)具體的供電電壓來確定偏置電阻的值。
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4 LED 的發(fā)光亮度對(duì)亮度均勻性的影響
根據(jù)式（2），也可以通過改變LED 的發(fā)光亮度來改善LED 背光源的亮度均勻性，即通過改變系統(tǒng)的總電流來改善亮度的均勻性。本文討論兩個(gè)LED并聯(lián)，且外加68Ω偏置電阻的情況，結(jié)果如表3 及圖6 所示。
圖6 由外加偏置電阻改變系統(tǒng)總電流對(duì)亮度均勻性的影響
由表3 和圖6 可以看出，外加68Ω 偏置電阻使亮度降低，可以適當(dāng)提高亮度的均勻性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可利用本文所述方法進(jìn)行模擬計(jì)算。
5 結(jié)論
本文討論了偏置電阻、和發(fā)光亮度對(duì)LED 亮度均勻性的影響。隨著偏置電阻值的增加、亮度的減小，LED 背光源的亮度均勻性會(huì)提高。實(shí)際設(shè)計(jì)中要兼顧偏置電阻的功耗、發(fā)光亮度和供電電壓等的要求。
