1 引言

LED 正成為背光照明的主流器件。一般背光源設計中有多個LED, 所以要考慮各個LED 亮度的一致性。在實際應用中， 可根據向電壓（Vf） 對LED 器件進行" 差異篩選".LED 的Vf 值是背光設計的重要變數。將多個LED 連接在一起使用時， 各管電流均必須匹配， 整個組件才能產生一致的亮度。

LED 的亮度決定于流過它的電流。實現恒定電流最簡單的方法， 是將多個LED 串聯起來。這樣不用差異篩選， 串聯LED 就能確保流過各個LED 的電流相同。但是串聯時的總體正向電壓為多個LED 的Vf 之和， 需要使用帶電感的具有升壓功能的LED 驅動電路， 使得成本增加。而且， 一個LED 發生故障就會使整個背光源失效。此外， 串聯驅動方法有較強的電磁干擾， 對通訊產品尤其不利。

將多個LED 并聯的設計方法， 無需帶電感的升壓電路， 電磁干擾較小， 容錯性較強。但為了保證亮度的均勻性， 必須對LED 進行差異篩選。隨著所用LED 數量的增加， 成本也會因差異篩選而增加。即使經過差異篩選， LED 的Vf 值仍會存在一個變化范圍， 影響亮度的均勻性。

本文重點討論在LED 并聯設計中， 如何提高亮度的均勻性。

2 LED 背光源電路模型

將三個LED 并聯構成背光源， 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LED 電流的最大值和最小值；

圖1 LED 背光源的驅動電路

圖中， D1, D2, D3 為發光二極管， T1 為NPN 型三極管， R1 , R2 , R3 的阻值可根據總電流I 的設計要求進行調節， I/O 或DAC 為控制端口。

理想發光二極管的正向電壓為：

實際上， 寄生電阻對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（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光二極管為例， 其特性參數如表1 所示。

表1 發光二極管特性參數

依據式（ 2） , 使用對分法[2]計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以內的數據。

3 偏置電阻對LED 背光源亮度均勻性的影響

在實際設計中， 利用外加偏置電阻， 即在每個LED 處串聯一個電阻來改善LED 背光源的亮度均勻性。本文討論兩個LED 并聯， 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

計算機利用對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， 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）。

計算結果如表2 及圖4、圖5 所示。

表2 不同偏置電阻的計算結果

圖4 偏置電阻對亮度均勻性的影響。

圖5 偏置電阻對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， 但電路的功耗會相應增加，對LED 正向電壓的要求會增大。例如， 外加150Ω偏置電阻時， 其耗散功率為17mW, V5 為3.104V。

對于鋰電池而言， 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。設計中要根據具體的供電電壓來確定偏置電阻的值。

4 LED 的發光亮度對亮度均勻性的影響

根據式（2） , 也可以通過改變LED 的發光亮度來改善LED 背光源的亮度均勻性， 即通過改變系統的總電流來改善亮度的均勻性。本文討論兩個LED并聯， 且外加68Ω偏置電阻的情況， 結果如表3 及圖6 所示。

圖6 由外加偏置電阻改變系統總電流對亮度均勻性的影響

由表3 和圖6 可以看出， 外加68Ω 偏置電阻使亮度降低， 可以適當提高亮度的均勻性。在實際設計中， 可利用本文所述方法進行模擬計算。

5 結論

本文討論了偏置電阻、和發光亮度對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提高。實際設計中要兼顧偏置電阻的功耗、發光亮度和供電電壓等的要求。