因白光LED具有高效节能、环保无污染等优点，加之近年来白光LED制造技术日渐成熟，白光LED现在已进入实用照明阶段，国内LED生产厂家已经开发出功率高达100W的LED灯组，如图1所示。
白光LED不仅大量用于普通照明，还广泛用于液晶显示器的背光系统中(目前，业界公认白光LED是液晶显示设备最理想的背光源)。为便于制作或维修LED驱动电路，本文对LED的主要参数与驱动电路特点作一介绍，尤其是白光LED。
一、红光、绿光、黄光LED由于红光、绿光、黄光及其相近色LED的制造材料采用镓(Ga)、砷(As)、磷(P)三种元素，所以将这类LED又称为三元素发光LED。三元素发光LED具有工作电压低，能主动发光，且有一定亮度，亮度又能用电压(或电流)调节，本身又耐冲击、抗振动，加之寿命长(10万小时)等优点，早已广泛用于各类电器中，常用作指示灯。
三元素发光LED电路很简单，将LED与限流电阻串联后接在电源上即可，如图2所示。只要工作电压(VB)不变，LED便会发出固定亮度的光(事实上，LED亮度会随着环境温度的上升而微微减弱)。若要改变发光强度，可以通过改变限流电阻的阻值来实现。
LED的伏安曲线表示LED正向电压(VF，表示正向PN结压降，可以理解为工作电压)与正向电流(IF，表示正向PN结电流)之间的关系。直径为5mm的标准红、绿、黄LED的伏安曲线如图3所示。红色LED的正向电压约为1.5V，绿色或黄色LED的正向电压约为1.7V。一旦LED导通后，LED正向电流会随LED正向电压的升高而迅速增大，例如:红光LED正向电流从5mA升达10mA，但正向电压变化仅0.2V。这类二极管的典型工作电流为10mA，此时红色LED的正向电压约为1.6V ，绿色或黄色LED的正向电压约为2V。
提示:在分析电路时，普通红光、绿光、黄光LED工作电流可按每只10mA，正向电压可按每只2V进行估算。
(2)发光色彩
LED的发光色彩和发光效率与制作LED的材料和制作工序有关。制造LED的材料不同，就会产生具有不同能量的光子，控制LED发出光的波长，就可得到对应的发光光谱或颜色。
史上第一只LED所使用的材料是砷化镓，其正向PN结压降(VF)为1.424V，发出的光线为红外光谱。另一种常用的LED材料为磷化镓，其正向PN结压降为2.261V，发出的光线为绿光。在LED的制造中，在镓元素中加入不同的比例的砷或磷，理论上就可以生产从红外光一直到绿光范围内任何波长的LED，例如:在镓元素中加人35%砷元素和65%的磷元素，就可得到橙光LED;在镓元素中加入14%砷元素和86%的磷元素，就可得到黄光LED。
从理论上讲，改变LED的正向压降就可改变LED发光的波长，即发光色彩。对于三元素发光LED来说，改变其正向压降，虽发光波长有所变化，但变化范围不大，即彩色差异较小，例如:常见绿光LED的正常发光波长约为550nm，在正向电流工作电压或环境温度变化时，其发光波长的变化范围仅为25nm，对照光谱，其彩色也仅在纯绿色与青绿色之间微微变化，一般用肉眼难以分辨出来。因此，在实际选用这类LED时，可以忽略不同制造商以及不同批次产品间的差异，并可采用简单并联的方法进行驱动，如图4所示。
由于能够发出蓝光的LED在很长一段时间都没有被开发出来，因此在稍早期的电子产品中只有红光、绿光与黄光LED。随后虽出现了蓝光LED，但事实上这并不是真正的蓝光LED，而是采用蓝色涂布材料包覆的发光LED。第一只真正的蓝光LED是在十多年前采用纯碳化硅(SiC， Silicon Carbon)材料制成，但发光效率低。后来，不少厂家用氮化镓作为蓝光LED的基底材料，其发光效率得到了大幅提高。由于这类蓝光LED与同期开发的红外光LED(砷化镓， GaAs)仅采用了两种元素，故又简称为二元素发光LED。
目前，新一代的蓝光LED采用氮化铟镓(InGaN， Indium-Gallium-Nitride)材料，发光波长为450nm~470nm，且发光强度约为氮化镓类蓝光LED的5倍。
蓝光LED的导通电压高于红光、绿光及黄光LED，其值约为2.5V;正常工作时的正向电压为3V~3.4V，正常电流为5mA~20mA。
提示:普通红光、绿光、黄光或蓝光LED正常发光时的额定电流约为10mA，但作为一般指示灯时，其工作电流设计在5mA左右为宜。超亮度红光、绿光、黄光或蓝光LED，正常发光时的额定电流约为20mA，此时具体正向压降参考值如下:红色LED为2.0V~2.2V，黄色LED为1.8V~2.0V， 绿色LED为3.0~3.2V ， 蓝光LED为3.4V~3.6V。
三、白光LED
由于白光并不是单一波长的光，而是几种波长光按一定的 比例混合所得。因此，制造白光LED的难度就高于，上述单色LED。早期的白光LED的制作方法是将红、绿、蓝三种LED集成在一起，通过调整其发光强度比例产生白光，通常该比例为红绿:蓝=3:6:1。这种方式主要存在以下两大缺点: 一是对三基色LED及混合比例要求较高，一旦某一基色LED出现色差，必然会导致白色不纯净;二是对混合产生的白光的亮度调节困难。由于这种方式制造成本高，不适合于商品化发展，现已基本不用。
目前，制造白光LED的主要方法是用蓝光LED激励黄色荧光粉，即将黄色荧光粉敷涂在蓝光LED表面，如图5所示。虽然蓝光LED本身光通量并不高，但在激励黄色荧光粉后产生的白光光通量是原蓝光光通量的8倍。
LED功率有实际功率与额定功率之分，所谓实际功率是指LED两端的电压与实际流过电流的乘积;额定功率是指LED的额定电压与额定电流的乘积。例如:一盏白光LED台灯，采用了24颗小型白光LED并联。这种型号的LED的额定电压为3.3V，额定电流为20mA，则该台灯的额定功率=3.3X0.02X24=1.584(W);实测得该台灯中LED两端的电压为3.11V，总电流为372mA，则该台灯的实际功率=3.11x0.372=1.157(W)。
就常见的白光LED而言，按额定功率大小可分为大功率和小功率两大类，额定功率不大于0.5W的称为小功率，额定功率大于0.5W的称为大功率。
小功率者封装直径有3mm、5mm、8mm、10mm多种规格，如图6所示，其功率为0.066W(额定电压为3.3V，额定电流为20mA)。还有-类小功率白光 LED采用多芯片封装，如图7所示，其功率有0.3W(额定电压为3.75V，额定电流为80mA)与0.5W(额定电压为3.33V，额定电流为150mA)两大类。
常见的大功率白光LED多采用多芯片封装，其功率主要有1W(额定电压为2.86V，额定电流为350mA)与3W(额定电压为4.28V，额定电流为700mA)两大类。从外形上看，大功率LED除有两个电极外，还自带有专门的散热结构和外部连接金属片，如图8所示，以提高散热效果。而小功率LED由于体积及成本原因，大都无专门的散热结构，仅靠两个电极和外部连接，散热能力较差。
2.主要参数
(1)光谱特性
白光LED发出的光的光谱曲线包括蓝光和黄光区域的峰值，如图9所示，其中实线为白光LED发出的光的光谱曲线，第一个峰值所对应的波长约为460nm，对应的彩色为蓝色;第二个峰值所对应的波长约为580nm，对应的彩色为黄色，人眼所看到的是蓝光与黄光混和色，会被认为是白光。图中虚线是人眼对光敏感性曲线。在白光LED中，由于其内部蓝光LED的色彩会随着正向电流的变化而改变，如图10所示，这样白光LED也就会产生色彩偏移。因此，在对色彩要求非常高的场合，如液晶屏的白光LED背光系统中，其驱动就应采用恒流驱动，以保证白色的纯正。
(2)色温
色温是表示光源光色的尺度，单位为K(开尔文，符号为K)。当某一光源所发出的光的光谱分布与不反光、不透光完全吸收光的黑体在某一温度时辐射出的光谱分布相同时，我们就把绝对黑体的温度称之为这一光源的色温。一些常见光源的色温如下:钨丝灯为2760K~2900K，荧光灯为3000K，中午阳光为5400K，蓝天为12000K~18000K，高压钠灯为2000K~2500K。
人对不同色温的光源感官反应也不相同，一般按色温可将光源分为暖白光、正白光和冷白光三种。其中，暖白光是指带红的白色，给人温暖的感觉，其色温小于3300K;正白光是指白色比较纯正，其色温为3300K~5000K;冷白光是指带蓝的白色，给人清凉的感觉，其色温大于5000K。一般来说，家庭多使用暖白光，而办公环境多使用正白光或冷白光。
白光LED可以通过改变荧光粉的配比来控制色温输出，色温范围为2000K~10000K。可以将高色温白光LED和低色温白光LED混合使用，这样白光LED灯组的色温会表现为中间色温，例如:将2700K的白光LED和5000K的白光LED混合使用，灯组的色温就介于2700K和5000K之间。
(3)光通量
光通量是指单位时间内光源发出的光能总和。光通量的单位为“流明”，，符号为lm。光通量越大，说明光源发出的光越多，按照通俗的理解，可以认为该光源亮度越高。
同型号LED (指芯片和工艺相同)，色温降低，光通量也随之降低;色温提高，光通量也随之提高。由于LED本身的光通量并不高，因此在制造高亮度的白光LED灯组时，通常选择高色温的白光LED。
(4)正向电压与电流
白光LED的制造商或批次不同，其正向电压与电流也不完全相同，常见的白光LED的正向电压范围约为2.8V~3.8V。值得一提的是，当白光LED一旦导通后，若正向电压微小变化，则会导致正向电流大幅变化。一款LED液晶彩电中的LED灯条如图11所示，笔者对一个单元的LED(内部由两颗LED并联)进行了测试，其实测数据见表1。
一款用于白光LED照明灯中的LED灯条如图12所示，笔者对单颗LED进行了测试，其实测数据见表2。
(5)使用寿命
影响LED寿命的因素主要有两个:一是自身的光衰时间，二是外部的驱动电路。此处重点分析LED的光衰现象。光衰是发光效率衰减(即电能转化为光能的效率下降)的简称，其快慢与LED芯片的质量、封装技术及工艺有关。通常，将LED发光强度衰减到初始强度70%的时间(即光衰时间)定义为LED使用寿命。对于常用的白光LED而言，其光衰包含两方面:一是蓝光LED本身的光衰，蓝光LED的光衰远比红光、黄光、绿光LED要快;二是外层黄色荧光粉的光衰，该荧光粉在高温下的衰减十分严重。
大量实验表明:白光LED的光衰快慢受LED内部PN结温度(简称为结温)影响非常明显，结温越高，光衰越快。一款白光LED的光衰曲线如图13所示，结温为95°C时，亮度降至初始亮度70%的时间约一万小时，75°C时约为两万小时，55°C时约为五万小时，35°C时增至近十万小时。
综上所述，若要延长LED的使用寿命，除选用高效的恒流驱动电路外，最为行之有效的办法是降低结温。降低结温的关键就是要安装性能较好的散热器，以便及时地把LED芯片产生的热散发出去，降低其自身的工作温度。
目前，普通白光LED的使用寿命已超过十万小时，大功率LED射灯的使用寿命约为一万至五万小时(约是普通卤素射灯的10~50倍)。随着LED技术的不断发展，白光LED的使用寿命还会不断增长。
3.驱动电路特点
(1)白光LED的驱动要求
白光LED作为光源时，要求发出稳定的白色，尤其是作为液晶屏的背光时，这样才能保证图像色彩的真实还原。在很多情况下，单颗白光LED亮度并不能满足需求，因此需要让多颗LED组成灯串进行工作。既然是多颗LED，由于元器件的离散性，其伏安特性曲线也就有所差异。笔者随机选择了多颗白光LED，将它们并联，即给每颗LED加上相同的电压，所得的电压、电流电压曲线如图14所示。
以所加电压3.3V为例，此时各颗LED的正向电流并不相同，出现了2mA~5mA差异，这将产生白光色彩的变化，从而导致液晶屏色彩重现的失真。另外，正向电流的差异也会导致各只白光LED发光强度不同，因此造成背光不均匀。为了减小各只LED工作时的色差与亮度不均程度，白光LED应外设驱动电路，以便提供符合要求的输出电压，并给并联连接的LED(单只或灯串)提供相同电流。
(2)白光LED的亮度调节
在采用白光LED作为背光的设备中，要求其背光亮度既可进行手动调节，还可根据情况自动进行控制，如手机在短时待机时，在软件的控制下背光亮度会下降。无论是手控还是自动，均要求LED驱动电路能实现亮度调节功能。若采用改变流过LED电流的方法来调节亮度，虽然电路简单，但会造成白光色彩坐标的偏移。因此，在对白光纯净度要求较高的设备中，其亮度控制不采用调节LED正向电流的方法，而是采用脉宽调制PWM (PulseWidth Modulation) 方式。
脉宽调制方式是利用人眼的视觉暂留特性，实质是让LED交替工作在亮熄状态，这时人眼所看到的LED发光亮度与PWM信号的占空比成正比。在该方式中，LED发光时的正向电流并未改变，因此就不存在色彩坐标偏移的问题。为了不让人眼看出背光的闪烁， PWM亮度调节的频率应高于25Hz，一般选择为200Hz~300Hz。
在具体的LED驱动电路中，PWM信号通常由微处理器或ADC电路提供，该信号加到LED驱动芯片的亮度调节端，例如:在LED驱动芯片MAX1916中，PWM信号加到MAX1916的①脚(EN端)，如图15所示，当脉冲为高电平时，IC内部的LED控制器让场效应管导通，LED1~LED3发光;当脉冲为低电平时，IC内部的场效管截止，流经LED1~LED3的漏电流约为1uA，LED1~LED3熄灭。若在一个周期内LED熄灭的时间较长，则看起来整个灯串的发光就较暗，反之则亮。
(3)单颗白光LED的驱动
单颗白光LED是指仅有一颗白光LED，或每一个LED支路中仅有一颗白光LED，这类连接多用于便携式液晶显示设备中，如手机、数码相机PDA(掌上电脑)等。
在单颗白光LED的驱动中，首先考虑工作电压，既不能过低也不能过高。通常情况下，要让一颗白光LED工作，其供电电压不得低于3V，否则LED的亮度很低，甚至完全不亮。在便携式设备中，电源通常为锂离子电池，该电池在充满电后两端电压可达4.2V，随着电池继续放电，其两端电压值可能低于3.0V。若直接由锂离子电池供电，将存在以下问题:当电池充满电后，LED的实际工作电压已超出额定电压，虽能发光，但会大幅缩短LED寿命，同时各颗LED的发光强度与色彩也有较大差异;当电池电压低于3V后，LED发光强度大幅降低，同时白光色彩会出现明显失真。因此，在要求较高的便携式液晶显示设备中，不采用直接由锂离子电池给LED供电的方法，而是通过驱动电路向白光LED供电。下面以常用的MAX(美信公司)系列LED驱动芯片为例进行说明。
MAX1912是一款具有电流控制功能的LED驱动芯片，内部集成有高效的充电泵，将输人电压提升1.5倍或2倍，达到LED工作所需的电压。该芯片多用于低压(低于LED的正向导通电压)供电的设备中，其驱动3颗并联LED的电路如图16所示。MAX1912的⑤脚(OUT端)具有60mA的电流输出能力;其10脚(SET)外接10Ω的电流检测电阻，IC内部电路则将SET端电压维持在200mV，这样流过各路LED的电流=200mV/10Ω=20mA，从而确保流过各只LED的电流相等。
若用MAX1912驱动额定电流.为10mA的白光LED，则可在⑤脚外接6只并联的LED，且将每只LED的电流检测电阻阻值改为20Ω即可。
如果电器的供电已高于白光LED正向电压，这时驱动电路就不需要升压功能，仅对白光LED进行恒流控制即可。图15所示MAX1916就属于这一类，在数码相机中用得较多。由于数码相机内部设有+5V电源，且功率足够驱动几只白光LED，则其LED驱动电路非常简单，如图17所示。实际工作时，流过每只LED的电流基本相等其误差小于0.3%。
(4)多颗白光LED驱动
多颗白光LED是指每一个LED支路中有两颗或更多数量的白光LED串联，这类连接多用于高亮度的照明中，如大功率LED灯具、液晶屏的背光等。由多颗白光LED串联所形成支路常称为灯串。
在小屏幕手机或MP3、MP4中，常用MAX1848驱动3颗串联的白光LED，作为液晶屏背光源，其电路如图18所示。MAX1848是一款具有电流控制功能的升压型LED驱动芯片，输入电压为2.6V~5.5V，输出电压可高达13V。该芯片的⑦脚(CS)外接LED电流检测电阻;②脚(CTRI)为LED灯串的亮度调节端，流经LED灯串的正向电流正比于②脚的电压，这样通过②脚即可实现PWM亮度控制的功能。另外，当②脚电压低于0.1V时，芯片进入关机模式。
在实际实用中，若需要数十颗甚至数百颗LED时，其连接关系主要有三大类:
1)全部串联
该方式是指将所有的LED全部串联，形成一个灯串，其连接简图如图19所示。
这一方式优点是能保证流过每颗LED的电流一 致，缺点是在LED数量较多时，需要驱动电路输出较高电压，并且还存在一颗LED开路导致整个支路失效(所有LED均不亮)的状况。
2)多灯串并联
这种连接关系是先串联后并联，即先将LED分组串联，形成多个灯串，然后再将这些灯串并联起来(该方式常简称为串并方式)，其连接简图如图20所示。
采用这种连接方式的优点是不需要驱动电路输出很高电压，例如:某台32英寸LED液晶彩电，共有144颗LED(每只LED的电压为3V)，若按前一种方式全部串联起来，则要求LED驱动电路输出电压为432V;若采用36颗串联后再4路并联，则LED驱动电路输出电压为108V。
在这种连接方式中，由于驱动电路输出的总电流I恒定，在理想情况下(每条支路上所有LED的正向电压总和相等)，流过每个灯串中的电流均相等，等于I/n。正是这一特点，会出现以下隐患:若某-灯串中有一颗LED开路，该支路无电流通过，则原有的电流就会“分摊’到其他支路，造成其他支路超负荷工作。
再者，由于LED的正向电压存在离散性，无法保证每个灯串中LED的正向电压总和一致，这将导致流过每个灯串中的电流并不相等，而是LED正向电压总和大的灯串电流小，LED正向电压总和小的灯串电流大。在极限情况下，LED正向电压总和小的灯串的实际电流可能超过安全值，从而造成LED损坏。同时，也会出现这一种状况:如某一灯串的一颗LED短路，则该灯串的正向电压总和下降，结果便是这一灯串的实际电流急剧增加(会导致这一灯串中的LED提前损.坏)，而其他支路的工作电流均减小。
综上所述，在实际应用中，应尽量避免采用图19所示的多灯串并联驱动方式。
3)多路串联驱动
在这种连接关系中，将LED分成多个灯串，每一个灯串由单独的驱动电路对其进行驱动，并进行电流检测。简单地说，就是采用多个驱动电路，每个驱动电路只驱动-个灯串，其连接简图如图21所示。
该方式实为前两种连接方式的优化组合，既具有第一种连接方式中“电流相等”的优点，也具有第二种方式中“无需驱动电路输出很高电压”的优点，同时避免了第一种连接方式中“一颗开路全部不亮”的缺点，也避免了第二种连接方式中“电流分配不均”的缺点。
在该连接方式中，若某只LED开路，则这一灯串不亮;若某只LED短路，在对应驱动电路的控制下，这- 灯串中其他LED仍会正常工作。大量实践表明，LED失效基本为短路，开路现象极少，因此这种多路串联驱动方式应是比较可靠的，这也正是LED液晶彩电或彩显的背光LED采用该方式连接的原因。
四、LED背光源与CCFL背光源的性能对比
CCFL是冷阴极荧光灯的英文简称。cCCFL 是一种气体放电发光器件，其构造类似常用的日光灯，其外形如图22所示，通过连接插头与逆变电路(亦称高压板)相连。
CCFL具有灯管细小、结构简单、表面温升小、亮度高、易加工成各种形状(直管形、工形U形、环形等)、使用寿命长、发光均匀等优点，曾是早期液晶屏最为理想的背光源。
近年来，在绿色环保的大背景下，节能健康的LED背光源出现了，并迅速发展，得到了广泛的应用。是什么原因让LED背光源如此受欢迎呢?下面不妨对LED背光源与传统的cCFL背光源的性能进行一个比较，具体情况见表3。
从表3中，可以看出，相比于传统的CCFL背光源，LED背光源具有的优势非常明显，几乎在所有的性能指标上，LED背光源的性能都远远高于传统的cCFL背光源，符合了当今社会对于低碳、环保、绿色能源的要求。
在色彩还原性方面，LED背光源的色域( 就是指某种设备所能表达的颜色数量所构成的范围区域)非常宽，这一点非常重要，因为液晶显示器(LCD )的图像是通过对背光进行过滤而显示的，即LCD的色域完全取决于背光源的色域。为了能够直观的表示色域这一概念，CIE(国际照明协会)制定了一个用于描述色域的方法，即CIE-xy色度图。在这个坐标系中，色域范围用RGB三点连线组成的三角形区域来表示，三角形的面积越大，就表示这种显示设备的色域范围越大。采用CCFL背光源的液晶显示器的色域较小(小于CRT显示器);采用LED背光源的液晶显示器的色域不仅大于CCFL背光源，还大于CRT的色域，如图23所示。
另外，在功耗方面，LED的功耗要低于cCFL背光，即LED背光源节能，具体节能情况下面通过实测数据来说明。-款采用CCFL背光源的21.5英寸液晶屏的功耗实测数据见表4，另一款采用LED背光源的21.5英寸液晶屏的功耗实测数据见表5。
通过表4、表5不难看出，虽然在最大亮度方面，cCFL背光源要明显高于LED背光源(说明:此处的最大亮度是仅限于测试的这两台液晶屏，实际中许多LED背光源的最大亮度还高于CCFL背光源)，但是在功耗方面，尤其是随着亮度的增加，LED背光源功耗远低于CCFL背光源，这正适合当今社会对于绿色消费的要求。在能源效率(能效比)方面，LED背光源已远远地超过了CCFL背光源。另外，在最大亮度下，LED背光源的能源效率达到了1.857，已明显超过了国家对于液晶显示器的一级能效标准。
综合起来，LED背光源与CCFL背光源的性能对比可以总结为以下几个方面:
功耗:在同等的亮度下，LED背光源的功耗明显低于cCFL背光源，可以节省电能30%~50%。
另外，低功耗还可大大减少机器的发热，从而提高系统的稳定性与可靠性。
亮度:LED背光源的亮度要高于CCFL背光源。虽然CCFL背光源可以在一定程度上提高亮度，但这是以大大提高功耗为代价的。
色彩和色阶:LED背光源比CCFL背光源有更好的色域，因此拥有更好的色彩还原能力。由于有更好的色阶，LED背光源的色彩过渡能力也明显优于cCFL背光源。
可靠性和寿命:经过合理的设置，LED背光源可在较恶劣的环境下正常工作，并且有着更好的抗干扰能力。LED本身的寿命较长，这意味着LED背光源的寿命也较长。
正是由于具备了以上特点，LED背光源正在快速、全面替代CCFL背光源，现已成为当前液晶彩电的首选背光源。
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