LED主要参数与特性 - 电子元件技术

第一讲 LED主要参数与特性


LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。本文将为你详细介绍。

1、LED电学特性

1.1 I-V特性

表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。
                                                 
如上图：

（1） 正向死区：（图oa 或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。

（2）正向工作区：电流IF 与外加电压呈指数关系

IF = IS (e qVF/KT –1) -------------------------IS

为反向饱和电流。V＞0 时，V＞VF 的正向工作区IF 随VF 指数上升，
                         IF = IS e qVF/KT

（3）反向死区 ：V＜0 时pn 结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP 为0V，GaN 为10uA。
 

（4）反向击穿区 V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V＜- VR 时，则出现IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR 也不同。

1.2 C-V特性

鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。
                                      
1.3 最大允许功耗PFm

当流过LED的电流为IF、管压降为UF 则功率消耗为P=UF×IF. LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta 时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = KT（Tj – Ta）。

1.4 响应时间

响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）约10-3~10-5S，CRT、PDP、LED 都达到10-6~10-7S（us 级）。

1.响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图3中tr 、tf 。图中t0 值很小，可忽略。
② 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。LED 的点亮时间——上升时间tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED 熄灭时间——下降时间tf 是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。

                                                
不同材料制得的LED 响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其响应时间＜10-9S，GaP 为10-7 S。因此它们可用在10~100MHZ 高频系统。
2 LED光学特性

发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。

2.1 发光法向光强及其角分布Iθ

2.1.1 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。

2.1.2 发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）

⑴ 为获得高指向性的角分布（如图4）
       
① LED 管芯位置离模粒头远些；
② 使用圆锥状（子弹头）的模粒头；
③ 封装的环氧树脂中勿加散射剂。

采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性。

 ⑵ 当前几种常用封装的散射角(2θ1/2 角)圆形LED：5°、10°、30°、45°。

2.2 发光峰值波长及其光谱分布

⑴ LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。

LED 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。

下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED 光谱响应曲线。其中
      

① 是蓝色InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰λp = 460～465nm；

② 是绿色GaP:N 的LED，发光谱峰λp = 550nm；

③ 是红色GaP:Zn-O 的LED，发光谱峰λp = 680～700nm；

④ 是红外LED 使用GaAs 材料，发光谱峰λp = 910nm；

⑤ 是Si 光电二极管，通常作光电接收用。

由图可见，无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。只有单色光才有λp波长。

⑵ 谱线宽度：在LED 谱线的峰值两侧±△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λp-△λ，λp+△λ 之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄，即LED 单色性的参数，LED 半宽小于40 nm。

⑶ 主波长：有的LED 发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED 色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED 发出主要单色光的波长。单色性越好，则λp也就是主波长。如GaP 材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED 长期工作，结温升高而主波长偏向长波。

 2.3 光通量

光通量F是表征LED 总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F为LED 向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED 光通量随之增大。可见光LED 的光通量单位为流明（lm）。

LED向外辐射的功率——光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED 的光通量最大约1 lm，白光LED 的F≈1.5~1.8 lm（小芯片），对于1mm×1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18 lm。
 
2.4 发光效率和视觉灵敏度

① LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。

② 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在λ = 555nm 处有一个最大值680 lm/w，若视觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P 与可见光通量F 之间关系为P=∫Pλdλ ； F=∫KλPλdλ

③ 发光效率——量子效率η=发射的光子数/pn 结载流子数=（e/hcI）∫λPλdλ。若输入能量为W=UI，则发光能量效率ηP=P/W 若光子能量hc=ev，则η≈ηP，则总光通F=（F/P）P=KηPW 式中K= F/P。

④ 流明效率：LED 的光通量F/外加耗电功率W=KηP 
它是评价具有外封装LED 特性，LED 的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。

以下列出几种常见LED 流明效率（可见光发光效率）：


品质优良的LED 要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED 向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为η=ηiηcηe，式中ηi 向为p、n 结区少子注入效率，ηc 为在势垒区少子与多子复合效率，ηe 为外部出光（光取出效率）效率。

由于LED 材料折射率很高ηi≈3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。为了进一步提高外部出光效率ηe 可采取以下措施：

① 用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55 并不理想）覆盖在芯片表面；

② 把芯片晶体表面加工成半球形；

③ 用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.4~2.6的低熔点玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高4~6倍。

2.5 发光亮度

亮度是LED 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2 或Nit。

                                           

若光源表面是理想漫反射面，亮度BO 与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit（尼特），从地面看太阳表面亮度约为14×108Nit。

LED 亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流密度）增加BO 也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，ηc（复合效率）下降，BO减小。当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。

2.6 寿命

老化：LED 发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为Bt=BO e-t/τ，Bt 为t 时间后的亮度，BO 为初始亮度。

通常把亮度降到Bt=1/2BO 所经历的时间t 称为二极管的寿命。测定t 要花很长的时间，通常以推算求得寿命。
                                                        
测量方法：给LED 通以一定恒流源，点燃103 ~104小时后， 先后测得BO ，Bt=1000~10000，代入Bt=BO e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。

长期以来总认为LED 寿命为106小时，这是指单个LED 在IF=20mA 下。随着功率型LED开发应用，国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。

如LED 的光衰减为原来35%，寿命＞6000h。

3 热学特性

LED的光学参数与pn 结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF＜10mA，或者10~20 mA 长时间连续点亮LED 温升不明显。

若环境温度较高，LED 的主波长或λp 就会向长波长漂移，BO 也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED 的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。

LED的主波长随温度关系可表示为：

由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED 长期工作。

第二讲 照明用LED驱动电源设计基础

LED 的排列方式及LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED 驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED 的电流， 而无论输入及输出电压如何变化。最常用的是采用变压器来进行电气隔离。文中论述了LED 照明设计需要考虑的因素

一、LED驱动器通用要求

驱动LED 面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供应商的LED 正向电压也会有差异；另外，LED 的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。

另外，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED 的排列方式问题。各种排列方式中， 首选驱动串联的单串LED， 因为这种方式不论正向电压如何变化、 输出电压(Vout)如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。

当然，用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED 正向电压的应用，并获得其它优势。如在交叉连接中，如果其中某个LED 因故障开路，电路中仅有1 个LED 的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。
                          
LED 的排列方式及LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED 驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED 的电流， 而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器基本的工作电路示意图如图2 所示，其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接，最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离”则没有采用高频变压器来电气隔离。

                    

值得一提的是，在LED 照明设计中，AC-DC 电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置：

1)整体式(integral)配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效及简化安装等；

2)分布式(distributed)配置，即两者单独存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。

LED 驱动器根据不同的应用要求，可以采用恒定电压(CV)输出工作，即输出为一定电流范围下钳位的电压；也可以采用恒定电流(CC)输出工作，输出的设计能严格限定电流；也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作，即提供恒定输出功率，故作为负载的 LED 的正向电压确定其电流。

总的来看，LED 照明设计需要考虑以下几方面的因素： 

     输出功率：涉及LED 正向电压范围、电流及LED 排列方式等

电源：AC-DC 电源、DC-DC 电源、直接采用AC 电源驱动

功能要求：调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制

其他要求：能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性等

更多考虑因素：机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等

二、LED 驱动电源的拓扑结构

采用AC-DC 电源的LED 照明应用中，电源转换的构建模块包括二极管、开关(FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。

电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC 电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，参见图3，其中反激拓扑结构是功率小于30 W 的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言，其尺寸的大小与开关频率有关，且多数隔离型 LED 驱动器基本上采用“电子”变压器。
                                                            
采用 DC-DC 电源的LED 照明应用中，可以采用的LED 驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，基本的应用示意图参见图 4。电阻型驱动方式中，调整与LED 串联的电流检测电阻即可控制LED 的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容(EMC)问题，劣势是依赖于电压、需要筛选(binning) LED，且能效较低。

线性稳压器同样易于设计且没有EMC 问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，且提供外部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过PWM 控制模块不断控制开关(FET)的开和关，进而控制电流的流动。
                           
开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰(EMI)问题。LED DC-DC 开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SEPIC)等不同类型。

其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED 串最大电压时采用降压结构，如采用24 Vdc 驱动6 颗串联的LED；与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12 Vdc 驱动 6 颗串联的LED；而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC 结构，如采用12 Vdc 或12 Vac 驱动 4 颗串联的LED，但这种结构的成本及能效最不理想。

采用交流电源直接驱动LED 的方式近年来也获得了一定的发展， 其应用示意图参见图5。这种结构中LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免AC-DC 转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中LED 在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入LED 保护措施，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。
                                 

三、 功率因数校正

美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED 驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9；但是，这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC61000-3-2 谐波含量标准中则规定了功率大于25 W 的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真(THD)< 35%，而功率因数(PF)>0.94。

虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常>0.95+)。
                         
PFC 技术包括无源 PFC 及有源PFC 两种。无源PFC 方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8 或更高的功率因数。其中，在小于5 W 至40 W 的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7 的功率因数。

有源 PFC(见图6)通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC 通常提供升压，交流100 至277 Vac的宽输入范围下，PFC 输出电压范围达直流450 至480 Vdc。如果恰当地设计PFC 段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC 转换来提供电流稳流。

四、能效问题

LED 照明应用的能效需要结合功率输出来考虑。美国“能源之星”固态照明规范规定了照明器具级的能效，但并不涉及单独 LED 驱动器的能效要求。如前所述，采用AC-DC 电源的LED应用可以采用两段式分布拓扑结构， 故可能采用外部AC-DC适配器供电。
 
而“能源之星”的确包含有关单输出外部电源的规范，其 2.0 版外部电源规范于2008 年11 月开始生效，要求标准工作模式下最低能效达87%，而低压工作模式下最低能效达86%；在此规范中，功率大于100 W 时才要求PFC。
                           

而在采用AC-DC 电源的LED 应用中，要提供更高的AC-DC 转换能效，就涉及到成本、尺寸、性能规范及能效等因素之间的折衷问题。例如，若使用更高质量的元件、更低导通阻抗(RDSon)，就可降低损耗及改善能效；降低开关频率一般会改善能效，但却会增加系统尺寸。诸如谐振这样新的拓扑结构提供更高能效，却也增加设计及元件的复杂度。如果我们将设计限定在较窄的功率及电压范围，则可以帮助优化能效。

五、驱动器标准

LED 驱动器本身也在不断演进， 着重于进一步提高能效、 增加功能及功率密度。 美国“能源之星”的固态照明规范提出的是照明器具级的能效限制，涉及包括功率因数在内的特定产品要求。而欧盟的IEC 61347-2-13 (5/2006)标准针对采用直流或交流供电的LED模块的要求包括：

最大安全特低电压(SELV)工作输出电压≤25 Vrms (35.3 Vdc)
不同故障条件下“恰当”/安全的工作
故障时不冒烟或易燃

此外，ANSI C82.xxx LED 驱动器规范仍在制定之中。而在安全性方面，需要遵从UL、CSA 等标准，如UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012。此外，LED 照明设计还涉及到产品寿命周期及可靠性问题。

第三讲 利用降压结构实现LED驱动

上网时间：2009-08-10   来源：电子元件技术网

基于降压的结构可以与很多环路控制结构很好的匹配，而且不用考虑稳定性的限制，滞回控制适合在开关频率变化比较快和输入范围比较小的情况下应用。这种特性刚好满足LED对电源的要求。

随着LED的广泛应用，在很多地方线性电源这种简单的结构已经不能满足需求。一般情况下，当用电阻的方式设定LED所需的正向电流的时候，这种简单的驱动方式可以连续的由电源向负载提供能量。

由于LED的电流与电阻上的相同，所以电阻上产生的功耗会随输入电压的增加而增加。例如，一个用线性电源驱动的LED，效率为70%，用5V线性电源提供1A电流给一个典型的白光InGaNLED(VF=3.5V)。在相同的工作条件下，当输入电压上升到12V时，它的效率将会降到30%。在如此低效率的情况下是无法应用的。

开关电源

开关电源改善了由于输入变化使得效率变化比较大的问题。这种方式是通过控制占空比的方式来满足输出所需要的电压或电流。由于开关电源会产生脉冲式的电压和电流，所以这就需要用一些储能器件(电感或电容)对这些脉冲波形进行整形。

和线性电源相反，开关电源可以通过不同的设置来实现电流或电压的降、升或者同时升降的功能。开关电源同样可以在宽的输入或输出范围下实现高效率。在前面的例子中，用一个降压型的开关电源取代线性电源后，当输入电压由5V变到12V后，电路的效率由95%变到98%。

开关电源在效率和结构的灵活性上得到了很大的提升，但由于周期性的开关造成了噪声的增加，同时由于结构的复杂使得电路的可靠性下降和成本的上升。恒流型LED电路可以被简单的认为是一个恒流源。拓扑结构的选择应该考虑最少的外部原件和最好的性能为标准，这样可以提高电路的稳定性和减少成本。

鉴于LED的动态调光特性好，在设计的时候要考虑使这种特性能够方便应用。幸运的是，基本降压开关电路在实现这些特性的时候表现的非常好，所以LED驱动一般选择降压型开关电源。

恒流输出级

                                        
                                                  图1a：基本降压型电压调整器。

开关调整器最常用的是电压调整器。图1a为一种基本恒压型降压调整器。降压控制器可以在输入电压变化的情况下，通过控制占空比或频率的变化使输出电压保持恒定。输出所需的电压由下面的公式计算得到(Eq.1)
式1
电感L用来设置电感电流纹波的峰-峰值ΔIpp的大小，电容Co用来设置输出电压纹波和输出电压的负载瞬态响应。在这种降压型逆变器中电感的平均电流等于负载电流，因此我们可以通过控制电感电流纹波的峰-峰值来控制负载电流。这样可以使电压源控制的方式转换成电流源控制的方式。
                                       
                                                    图1b：基本电流型降压调整器。

图1b为一种基本电流型降压调整器。与恒压型相似，恒流型降压调整器可以在输入电压变化的情况下，通过控制占空比或频率的变化使输出电流IF保持恒定。输出所需的电流由下面的公式计算得到(Eq.2)：
式2

在我们设定好LED电流IF之后，我们必须准确的检测电感上的电流。从理论上来说，检测电感电流有很多方式，例如利用MOSFET的导通阻抗Rdson检测或者用电感的直流电阻检测。但是实际上这些检测方式在精度上不能满足LED电流设置的要求(高亮度LED的精度为5%-15%)。

如果直接用电阻RFB来检测IF，这样在精度上就可以满足要求，但是在电阻上将会产生额外的功耗。降低反馈电压VFB，在同样的检测电流IF(图.2)的情况下可以降低检测电阻的阻值，这样就可以使功耗降到最低。最新的LED驱动大多数提供的参考电压(反馈电压)在50-200毫伏之间。

恒流降压调整器独特之处在于输出可以不需要电容。因为有连续的输出电流和不存在负载瞬态变化，这个调整器中输出电容的作用只是局限于电流滤波器。当我们设置成没有电容的恒流型降压调整器时，此时输出阻抗将大幅增加，而对于升压型来说，由于输出阻抗增加，为了满足输出电流恒定，输出电压也将会大幅增加。

结果调光的速度和调光的范围都有了显著的提高。在应用过程中，从背光和机器视觉角度来说调光的范围是一种非常有价值的特性。


在另一方面，由于输出电容不足，AC电流的纹波电路需要比较大的电感，以满足LED纹波的要求(正向电流ΔIF=±5到20%)。在同样的电流纹波时，大电感会增加面积和LED驱动的成本。因此在恒流降压电路中，输出电容的使用要在成本、面积和调光的速度、范围之间经行权衡。

例如，用纹波电流驱动一个1A的白光LED(VF≈3.5V)，ΔIF需要满足±5%范围内，输入电压12V，频率为500kHz，在电感电流幅度为1.1A时，只能允许使用50mH的电感。然而如果电感的纹波电流允许增加±30%，那么电感将会小于10mH。

如果10mH和50mH电感在使用相同的材料和相同的额定电流的情况下，在成本和体积方面，10mH大概只是50mH的一半。为了用10mH电感实现需求的ΔIF(±5%)，输出电容需要根据LED的动态电阻rD和检测电阻RFB和在此开关频率下电容的阻抗来计算，可以利用下面的表达式(Eq.3)
式3
式4

环路控制结构

基于降压的结构可以与很多环路控制结构很好的匹配，而且不用考虑稳定性的限制，例如右半平面零点问题。除了和其他调光方法兼容以外，这种降压结构使得PWM调光变得容易。基于这种结构的LED驱动可以使系统设计人员提供更多的选择。滞回控制非常适合在开关频率变化比较快和输入范围比较小的情况下应用，例如灯泡和交通灯。

由于滞回控制不用考虑稳定性限制，所以不需要考虑环路补偿。不像环路控制那样受带宽限制。利用滞回控制驱动降压LED驱动(图.2a)使设计变得简单，也减少了器件数量和成本。这种结构也使PWM调光的范围比其他结构好。利用滞回控制的LED驱动非常适合在要求调光范围非常大和调光频率比较高以及开关频率变化非常大的情况下应用。

                                       
                                                  图2a：基本的滞回控制降压驱动。

类似的滞回降压LED驱动可以在固定频率操作和不需要开关频率变化的滞回控制之间提供了一个比较好的折中方案。控制开启时间的降压LED驱动(图2b)使用了一个滞回比较器和开启时间控制器。让开启时间与输入电压成反比，这样可以让开关频率的变化减少的最小。运用这种结构同样可以避免环路控制的带宽限制。运用不同的调光结构可以让调光范围变得非常宽。
                                          
                                                  图2b：开启时间控制的降压LED驱动。

在一些情况下，例如许多自动控制应用中，LED驱动与外部时钟或与驱动之间进行同步时要求减少噪音的干扰。在没有时钟的滞回控制和准滞回控制的结构在执行同步频率时会带来困难。相比来说，这个问题对于由时钟控制的调整器来说就比较容易实现，例如图2c中固定频率的降压LED驱动。固定频率控制可以解决这个复杂的问题，但是由于它动态响应的限制也影响了调光的范围。
                                         
                                              图2c：基本的固定频率的降压LED驱动。

总之，降压LED驱动的很多特点使其变得很有吸引力。它可以很容易设置成电流源，也可以实现最少的外围元器件，器件少可以使得设计变得简单，提高驱动的稳定性，也可以减少成本。降压结构的LED适合很多种控制方式使其应用的灵活性比较高。

它输出可以省略输出电容，也可以与其他不同的调光方式进行很好的匹配，这些特点可以允许它在高速调光和宽范围调光的情况下应用。当应用允许的情况下，所有的这些特点使得降压LED驱动的拓扑结构有了很多的选择。

什么样的应用条件不允许使用这种结构呢？例如家用或商用的照明需要上千流明，设计一种方法来驱动一个LED串。LED串上的总的正向压降等于其中每个LED正向压降之和。在一些情况下，系统的输入电压范围可能比一串LED的正向压降低，或者有的时候高有的时候低。这些情况下有可能会需要升压结构，也有可能会需要降-升压开关调整器。

第四讲 利用Boost和Buck-Boost实现LED驱动

上网时间：2009-08-17

不管我们是否要控制输出电压或输出电流，Boost调节器都要比Buck调节器更难设计。持续导通状态（CCM）Boost转换器中的平均感应电流等于负载电流（LED电流）乘以1/(1-D)，这里D是占空度。Boost电压调节器需要设计者考虑到输入电压的限制来保证电感的正确设计，特别是额定峰值电流。

LED光源生产商和设计者经常会提到固态发光的应用最明显的优势就像是“树上挂得很低的水果”。例如花园路径照明或者MR16杯灯常常只需要一些甚至只要一个LED。

对于低压照片来说，最通用的电压是12VDC、24VDC和12VAC。这些应用常常要用到一个Bulk调节器。虽然如前所述，Bulk是首选，但是在LED照明应用中，随着LED数量的增加，Boost调节器也得到了越来越多的应用。设计者们不再满足于手电筒或者单个杯灯应用，而把目光投到大尺寸通用照明和达到几千流明的照明系统。例如街灯、公寓和商业照明、体育场照明和建筑内外装饰照明。
     
                 图1：带有Vo计算的Bulk和BoostLED驱动：buck:VO=nxVF,VO<VIN;boost:VO=nxVF,Vo>VIN。

仍然需要常电流

如同线性和Buck衍生LED驱动一样，BoostLED驱动设计中的主要技术挑战是要给阵列中的每个LED提供一个可控前向电流IF。理想状态下，每个LED都有安装一个单组链来确保通过每个设备的电流都相同。当需要把输入DC电压提升到一个高DC输出电压的时候，Boost调节器是最简单的选择，因为它允许在给定电压下串联更多的LED。

通用照明系统设计者通常需要把线路电压设计成110VAC或者220VAC。如果功率因数校正（PFC）、隔离和线路谐波滤波都不需要的话，那么单级非隔离转换器（buck,boost,或各种buck-boost拓扑）就可以使用AC电压的校正输出来直接驱动长串的串接LED。

然而，在很多情况下，我们需要使用一个中间DC总线电压，它是由一个采用了通用AC输入并且PFC、隔离和滤波的AC/DC调节器产生的。包括法律要求在内，一个低中间电压总线降低了电介质击穿和电弧问题，使维修人员的的工作更安全。

欧盟提出了世界上最严格的法律规定：任何高于25瓦的光源都要具有PFC。没有几年，北美和亚洲也做出了同样的规定。诸如UL和CE这样的安全标准电气规定限制了供给boostLED驱动的AC/DC供电输出电压。通常电压规定为12和24V，有时是48V。这些中间电压总线很少超过60V，也就是ULClass2定为DC电压的最高值。

Boost调节器

不管我们是否要控制输出电压或输出电流，Boost调节器都要比Buck调节器更难设计。持续导通状态（CCM）Boost转换器中的平均感应电流等于负载电流（LED电流）乘以1/(1-D)，这里D是占空度。Boost电压调节器需要设计者考虑到输入电压的限制来保证电感的正确设计，特别是额定峰值电流。

BoostLED驱动加了一个可变输出电压，这个电压影响了占空比，因此也影响了主电感器的电感值和额定电流。为了避免电感饱和，最大平均值和电流峰值必须由VIN-MIN和VO-MAX同时求出。例如，历数加工、驱动电流和模具温度，一个标准的白InGaNLED的VF可以从3V变到4V。串联的LED越多，VO-MIN和VO-MAX的间距就越大。

不同于带有输出电感的Bulk调节器，Boost转换器有一个非持续输出电流。因此，输出电容需要输出电压要持续（输出电流也如此）。这里，电压调节器中的输出电容被设计成兼有滤波器并且在负载瞬变时可以保持输出电压，在电流调节中，它只是起到了类似一个AC电流滤波器的作用。电容值要尽量低，并且要与所期望的LED波动电流保持一致。输出电容越小（同时也可以尽量降低成本和大小），转换器对输出电流的回应就越快，这样LED的调光反应就越好。

Boost转换器的另外一个严峻挑战是控制环。Buck调节器允许电压模式的PWM控制、峰值电流模式的PWM控制、constant/controlledon-time以及其它的滞后控制。注意到处于CCM的Boost调节器（低功率、便携设备除外）的右半平面零和在控制开关关闭的时候还在向输出供电的特性，它们几乎被限定在峰值电流模式PWM控制。要设计一个控制输出电流的BoostLED驱动，控制环必须要把LED看作是负载来分析，这与Boost电压调节器的典型负载非常不同。

在峰值电流模式控制中，负载阻抗对DC增益和控制到输出转换函数的低频极点有很大影响。对电压调节器来说，负载阻抗由输出电压与输出电流的比值来决定。LED是个拥有动态电阻的二极管。这个动态电阻只能通过做出VF(IF)曲线，然后用切线来找到希望的前向电流的斜率来决定。如图1所示，电流调节器使用负载本身来作为反馈分频器来闭环。这就使DC增益降低了(RSNS/(RSNS+rD))倍。

我们趋向于用一个简单的积分器牺牲稳定带宽来补偿BoostLED驱动。事实上是大多数或者说许多LED驱动应用需要调光。无论调光是通过IF的线性调节(模拟调光)来完成，还是通过高频打开或切断输出（数字或PWM调光）来实现，系统都需要像电压调节器实现的高带宽和快速瞬变回应。

Buck-boost调节器

照明用LED的开发要比固态光源标准的发展快得多。大量不同种类的LED拥有很多不同的供电电压。串联的LED的数目、种类及其不同的加工和模具温度都产生了不同的输出电压。

例如，高端汽车正在过渡到利用LED来作为日间行驶灯。三个3瓦白色LED组成了一个12V1A的负载。汽车电压系统通常需要持续工作于9到16V，并且可以延伸到6到42V，使系统可以无损运行，但是其性能可能要有折扣。通常来说，Buck调节器是最好的LED驱动器，其次是Boost,但是在这个应用中，他们没有优劣之分。如果一定要用Buck-boost调节器，最难的决定就是采用哪种拓扑。

任何拓扑的Buck-boost调节器和Buck调节器或Boost调节器的最基本的区别是Buck-boost从来没有把输入供电直接连接到输出。在一部分转换环中，Buck和Boost调节器把VIN连接到VO（通过电感和开关/二极管），这个直连使它们更有效率。

所有的Buck-boost都把所有要传送给负载的能量储存或者磁场（电感或变压器）或者电场（电容）中，这样就导致了电源转换中的高峰值电流或者更高电压。特别的一点是要考虑在输入电压和输出电压的拐角，因为峰值转换电流发生在VIN-MIN和VO-MAX，但是峰值转换电压发生在VIN-MAX、VIN-MAX和VO-MAX。一般来说，这意味着拥有一个这样的输出功率的Buck-boost调节器要比一个同样输出功率的Buck或Boost调节器更大且效率更低。

单电感Buck-boost可以像Buck或Boost调节器一样组建，使它在系统成本的角度来讲很吸引人。这种拓扑的一个缺点是Vo被反置（图2a）或者以VIN为参照（图2b）。测平移动或者反偏电路必须要用一些转换器。像boost转换器，它们有一个不连续输出电流，并且需要一个输出电容来维持一个持续LED电流。功率MOSFET要承受一个峰值为IIN加上IF的电流还有一个峰值为VIN加上VO的电压。
    
                                                          图2：高端buck-boost(a);低端buck-boost(b)。

其它拓扑

SEPIC转换器拥有连续输入电流的优点，这个连续输入电流是由输入电感和正输出电压产生的。像boost和单电感buck-boost，它们需要一个输出电容来维持一个平滑LED电流。另外一个SEPIC转换器的优点是几乎任何一个低端调节器或者控制器都可以被设置成为一个毋需反偏或测平移动电路的SEPIC。
                      
                                                              图3：SEPICLED驱动。

很少被用作电压调节的Cuk转换器作为LED驱动而崭露头角。输入和输出电流都是连续的。输出电压的极性就像高端buck-boost一样被反置，但是输出电容像buck转换器一样被消除。除Buck-boost和boost以外，Cuk是拥有这种能力的唯一的实用型非隔离调节器。
                           

                                                                              图4：Cuk调节器。

由于Boost和Buck-boost调节器的高度复杂性及其外围电路、低效（特别是Buck-boost）和控制拓扑的选择不足，致使它们都不是转换LED驱动的首选。但是它们都是LED越来越多的照明应用必不可少的。某些系统结构可以用buck或者甚至是线性以调节器为基础的LED驱动来替代。比如类似于街灯的大型光源需要一百甚至更多的1W＋LED。一般来说，针对通用照明的LED从低功耗走向高功耗，并且在其中间舞台，比如汽车前灯和小型光部件，boost和buck-boost调节器代表了常电流驱动的最佳选择。

第五讲 使用PWM调光

上网时间：2009-08-19

不管你用Buck, Boost, Buck-Boost还是线性调节器来驱动LED，它们的共同思路都是用驱动电路来控制光的输出。设计者主要有两个选择：线性调节LED电流（模拟调光），或者使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值（数字调光）。使用脉冲宽度调制（PWM）来设置周期和占空度（图1）可能是最简单的实现数字调光的方法，并且Buck调节器拓扑往往能够提供一个最好的性能。


不管你用Buck, Boost, Buck-Boost还是线性调节器来驱动LED，它们的共同思路都是用驱动电路来控制光的输出。一些应用只是简单地来实现“开”和“关”地功能，但是更多地应用需求是要从0到100%调节光的亮度，而且经常要有很高的精度。

设计者主要有两个选择：线性调节LED电流（模拟调光），或者使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值（数字调光）。使用脉冲宽度调制（PWM）来设置周期和占空度（图1）可能是最简单的实现数字调光的方法，并且Buck调节器拓扑往往能够提供一个最好的性能。 
                      
                                               图1：使用PWM调光的LED驱动及其波形。

推荐的PWM调光 

模拟调光通常可以很简单的来实现。我们可以通过一个控制电压来成比例地改变LED驱动的输出。模拟调光不会引入潜在的电磁兼容/电磁干扰（EMC/EMI）频率。然而，在大多数设计中要使用PWM调光，这是由于LED的一个基本性质：发射光的特性要随着平均驱动电流而偏移。

对于单色LED来说，其主波长会改变。对白光LED来说，其相关颜色温度（CCT）会改变。对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝LED中几纳米波长的变化，特别是在光强也在变化的时候。但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。

大多数LED包含一个发射蓝光谱光子的区域，它透过一个磷面提供一个宽幅可见光。低电流的时候，磷光占主导，光趋近于黄色。高电流的时候，LED蓝光占主导，光呈现蓝色，从而达到了一个高CCT。当使用一个以上的白光LED的时候，相邻LED的CCT的不同会很明显也是不希望发生的。同样延伸到光源应用里，混合多个单色LED也会存在同样的问题。当我们使用一个以上的光源的时候，LED中任何的差异都会被察觉到。

LED生产商在他们的产品电气特性表中特别制定了一个驱动电流，这样就能保证只以这些特定驱动电流来产生的光波长或CCT。用PWM调光保证了LED发出设计者需要的颜色，而光的强度另当别论。这种精细控制在RGB应用中特别重要，以混合不同颜色的光来产生白光。

从驱动IC的前景来看，模拟调光面临着一个严峻的挑战，这就是输出电流精度。几乎每个LED驱动都要用到某种串联电阻来辨别电流。电流辨别电压（VSNS）通过折衷低能耗损失和高信噪比来选定。驱动中的容差、偏移和延迟导致了一个相对固定的误差。要在一个闭环系统中降低输出电流就必须降低VSNS。这样就会反过来降低输出电流的精度，最终，输出电流无法指定、控制或保证。通常来说，相对于模拟调光，PWM调光可以提高精度，线性控制光输出到更低级。

调光频率VS对比度

LED驱动对PWM调光信号的不可忽视的回应时间产生了一个设计问题。这里主要有三种主要延迟（图2）。这些延迟越长，可以达到的对比度就越低（光强的控制尺度）。

               
                                                                            图2：调光延迟。
如图所示，tn表示从时间逻辑信号VDIM提升到足以使LED驱动开始提高输出电流的时候的过渡延迟。另外，tsu输出电流从零提升到目标级所需要的时间，相反，tsn是输出电流从目标级下降到零所需要的时间。一般来说，调光频率（fDIM）越低，对比度越高，这是因为这些固定延迟消耗了一小部分的调光周期（TDIM）。fDIM的下限大概是120Hz，低于这个下限，肉眼就不会再把脉冲混合成一个感觉起来持续的光。另外，上限是由达到最小对比度来确定的。 

对比度通常由最小脉宽值的倒数来表示：
CR = 1 / tON-MIN : 1

这里tON-MIN = tD + tSU。在机器视觉和工业检验应用中常常需要更高的PWM调光频率，因为高速相机和传感器需要远远快于人眼的反应时间。在这种应用中，LED光源的快速开通和关闭的目的不是为了降低输出光的平均强度，而是为了使输出光与传感器和相机时间同步。

用开关调节器调光

基于开关调节器的LED驱动需要一些特别考虑，以便于每秒钟关掉和开启成百上千次。用于通常供电的调节器常常有一个开启或关掉针脚来供逻辑电平PWM信号连接，但是与此相关的延迟（tD）常常很久。这是因为硅设计强调回应时间中的低关断电流。而驱动LED的专用开关调节则相反，当开启针脚为逻辑低以最小化tD时，内部控制电路始终保持开启，然而当LED关断的时候，控制电流却很高。

用PWM来优化光源控制需要最小化上升和下降延迟，这不仅是为了达到最好的对比度，而且也为了最小化LED从零到目标电平的时间（这里主导光波长和CCT不能保证）。标准开关调节器常常会有一个缓开和缓关的过程，但是LED专用驱动可以做所有的事情，其中包括降低信号转换速率的控制。降低tSU 和 tSN要从硅设计和开关调节器拓扑两方面入手。

Buck调节器能够保持快速信号转换而又优于所有其它开关拓扑主要有两个原因。其一，Buck调节器是唯一能够在控制开关打开的时候为输出供电的开关变换器。这使电压模式或电流模式PWM（不要与PWM调光混淆）的Buck调节器的控制环比Boost调节器或者各种Buck-Boost拓扑更快。

控制开关开启的过程中，电力传输同样可以轻易地适应滞环控制，甚至比最好的电压模式或电流模式的控制环还要快。其二，Buck调节器的电导在整个转换周期中连在了输出上。这样保证了一个持续输出电流，也就是说，输出电容被删减掉。没有了输出电容，Buck调节器成了一个真正的高阻抗电流源，它可以很快达到输出电压。Cuk和zeta转换器可以提供持续的输出电感，但是当更慢的控制环（和慢频）被纳入其中的时候，它们会落后。
 
比开启针脚更快

即使是一个单纯的无输出电容的滞后Buck调节器，也不能满足某些PWM调光系统的需要。这些应用需要高PWM调光频率和高对比度，这就分别需要快速信号转换率和短延迟时间。对于机器视觉和工业检验来说，系统实例需要很高的性能，包括LCD板的背光和投影仪。在某些应用中，PWM调光频率必须超过音频宽，达到25kHz或者更高。当总调光周期降低到微秒级时，LED电流总上升和下降时间（包括传输延迟），必须降低到纳秒级。

让我们来看看一个没有输出电容的快速Buck调节器。打开和关断输出电流的延迟来源于IC的传输延迟和输出电感的物理性质。对于真正的高速PWM调光，这两个问题都需要解决。最好的方法就是要用一个电源开关与LED链并联（图3）。要关掉LED，驱动电流要经过开关分流，这个开关就是一个典型的n-MOSFET。IC持续工作，电感电流持续流动。这个方法的主要缺点是当LED关闭的时候，电量被浪费掉了，甚至在这个过程中，输出电压下降到电流侦测电压。 
                         
                                                                  图3：分流电路及其波形。

用一个分流FET调光会引起输出电压快速偏移，IC的控制环必须回应保持常电流的请求。就像逻辑针脚调光一样，控制环越快，回应越好，带有滞环控制的Buck调节器就会提供最好的回应。

用Boost和Buck-Boost的快速PWM

Boost调节器和任何Buck-Boost拓扑都不适合PWM调光。这是因为在持续传导模式中（CCM），每个调节器都展示了一个右半平面零，这就使它很难达到时钟调节器需要的高控制环带宽。右半平面零的时域效应也使它更难在Boost或者Buck-Boost电路中使用滞后控制。

另外，Boost调节器不允许输出电压下降到输入电压以下。这个条件需要一个输入端短电路并且使利用一个并联FET实现调光变得不可能。。在Buck-Boost拓扑中，并联FET调光仍然不可能或者不切实际，这是因为它需要一个输出电容（SEPIC，Buck-Boost和flyback），或者输出短电路（Cuk和zeta）中的未受控制得输入电感电流。当需要真正快速PWM调光的时候，最好的解决方案是一个二级系统，它利用一个Buck调节器作为第二LED驱动级。如果空间和成本不允许的时候，下一个最好的原则就是一个串联开关（图4）。 
                        
                                         图4：带有串联DIM开关的Boost调节器。

LED电流可以被立即切断。另外，必须要特别考虑系统回应。这样一个开路事实上是一个快速外部退荷暂态，它断开了反馈环，引起了调节器输出电压的的上升。为了避免因为过压失败，我们需要输出钳制电路和/或误差放大器。这种钳制电路很难用外部电路实现，因此，串联FET调光只能用专用Boost/Buck-Boost LED驱动IC来实现。

总而言之，LED光源的单纯控制需要设计的初始阶段就要非常小心。光源越复杂，就越要用PWM调光。这就需要系统设计者谨慎思考LED驱动拓扑。Buck调节器为PWM调光提供了很多优势。如果调光频率必须很高或者信号转换率必须很快，或者二者都需要，那么Buck调节器就是最好的选择。 


 

第三讲 几种新型平板显示器简介——其他

上网时间：2009-12-29   作者：陶显芳   来源：电子元件技术网

中心议题：

• PDP显示器的工作原理、生产及市场状况
• OLED显示器的工作原理及优缺点
• 其他显示器的简介

1.PDP显示器
PDP是Plasma Display Panel的简写，也就是等离子体显示器。PDP显示器的工作原理是，通过加电，让等离子汽体（一般为惰性气体）在强电场中放电产生紫外线，然后通过紫外线激发荧光粉发光，PDP显示器的工作原理如图5所示，其结构如图6所示。

图5 PDP显示器的工作原理


图6 PDP显示器的结构

PDP显示器的出现要比LCD显示器晚很多，但作为大屏幕显示器PDP却比TFT-LCD大屏幕显示器早好几年，本来PDP显示器也是一种很有发展前途的大屏幕显示器，但由于生产技术大部分垄断在日本人手中，技术扩散比较慢，因此产业链建立也很慢，跟随PDP发展的中国企业很少，所以它一直在中国很难发展起来，这使TFT-LCD大屏幕显示器在很短的时间内就超越了PDP大屏幕显示器。PDP显示器的优点是对比度比LCD高，特别适用于做大屏幕电视显示器，但清晰度相对来说要比LCD显示器低很多，因为PDP的工作电压比较高（约160V），引线之间的距离以及点阵之间的距离就不能做得太小。

目前世界上生产PDP等离子显示屏的厂家主要在日本和南韩，因此，PDP显示屏的主要市场基本都在国外，国内市场相对来说比较小，远远不如TFT-LCD显示屏的市场大。
 

2.SED显示器
SED（Surface-conduction Electron-emitter Display）显示器是东芝公司的技术，目前大家都公认，SED显示图像的质量水平是最好的。它采用表面传导电子发射显示技术，属于场致发射显示，是一种主动发光的显示技术。SED显示器前玻璃基板上涂有红、绿、蓝三色荧光粉，并作为阳极相对后玻璃基板加有几千伏的高压。通过丝网印刷法在后玻璃基板上制作对应每个像素的金属电极，并用喷墨印刷的方法在金属电极间制作氧化钯薄膜电子发射阴极。生成了氧化钯膜的金属电极间距只有4-6纳米，当金属电极间加上十几伏的电压后，极间将形成超高电场，氧化钯膜中的电子会被牵引出来，形成电子发射。

由于金属电极是沿着同一块玻璃基板排列，所以刚发射出来的电子是在玻璃基板表面传导的，这是这种器件被命名为表面传导电子发射显示器的原因，这也是SED显示器与其它场致发射显示器的主要区别。SED电视目前的最大亮点是画质好，它的解析度与液晶电视基本相同，而灰度表现力，可视角度，色域范围，动态画面表现，暗部细节表现力等，均可达到高级的CRT电视水平。由于SED生产技术基本上被东芝公司垄断，因此，SED显示器在未来十几年内不可能发展成为主流产品。图7是SED显示器的工作原理。

图7 SED显示器的工作原理
 

3.TDEL显示器
TDEL（Thick-film Dialectric Electroluminescent Technology）显示器的原理是在两个极板之间（其中一个极板是透明电极），安置一整片蓝色场致发光材料，再在其上面再分别安置红色和绿色颜料，混合成三色的RGB影像。由于不须要像等离子电视一样复杂的组件，也不须要LCD的背光，37"的TDEL电视样品厚仅2cm，重量则甚至不到一公斤。从技术性能以及性能价格比方面进行比较，TDEL显示器要比PDP和LCD显示器好，应该说是一项比较有发展前途的平板显示器，但由于产业链迟迟建立不起来，所以很少人使用。图8是TDEL显示器的工作原理图。

图8 TDEL显示器的工作原理

4.DLP显示器
DLP（Digtal Light Procession）是一种数字光处理技术，也称数字电子微镜DMD（Digital Micromirror Device ），与前面介绍的平板显示器技术不一样，它是把每个像素点都做成一个反光镜，这个反光镜的角度可以通过电场力的作用可调（正负15度），以此来调节光的强度。这种技术主要用于背投电视（或正投电视），是TI公司的独家技术，国内很少人使用。

5.LCOS显示器
LCOS（Liquid Crystal on Silicon）称硅基液晶，或硅晶光反射式 micro LCD投影技术，它的工作原理与DLP很接近，即：把每个像素点都做成一个反光镜，不过它这个反光镜用来调节光的强度不是靠反射角，而是靠液晶。这种技术主要用于背投电视（或正投电视），现在国内生产背投电视的厂家很少。

6.OLED显示器
OLED是英文Organic Light Emitting Display（有机发光显示器）的简称，它的发光原理是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光。通过搭配不同的有机材料，就可以发出不同颜色的光，来达到彩显示器的要求。也有人把OLED拼写为 Organic Light Emitting Diode （有机发光二极管），两种写法意思基本一样。

由于OLED是自发光器件，每个像素自己都会发光，并且透光率很高，因此，与时下液晶电视都采用的LCD面板相比，其亮度与对比度都比LCD胜出一筹，视角可达170度，图像更加鲜艳，耗电量更小。另外，OLED的发光层比较轻，因此它的基层可使用富于柔韧性的材料，而不会使用刚性材料。OLED基层为塑料材质，而LCD、PDP、SED、TDEL等显示器则需使用玻璃基板，因此，OLED显示器的发光效率是目前所有显示器中排名最高。

最近几年，在欧洲还诞生了一种用高分子有机材料制造发光二极管的技术，称为POLED（Polymer Organic Light Emitting Display）技术，由于高分子有机材料可以溶于有机溶剂，因此，POLED显示器将来可以用印刷技术来进行生产，从而可以大大降低生产成本。

图9 OLED显示器的结构


图10 主动矩阵OLED
 

与TFT-LCD类似，OLED也可以做成“TFT-OLED”，以提高OLED的瞬态响应性能，不过“TFT-OLED”人们却用另一个名字来称谓，它被称为主动矩阵OLED (Active Matrix/Organic Light Emitting Diode，简称AM-OLED)，如图10所示。

目前OLED显示屏还存在很多技术问题，最大的问题是有机薄膜使用寿命短，尽管红色和绿色的OLED薄膜寿命比较长（10000～40000小时），但根据目前的技术水准，蓝色有机物的寿命却要短很多（仅有约1000小时），因为蓝色有机物发光效率比较低，提高亮度必然会增加损耗，而薄膜不容易散热，温度升高很容易引起OLED元件内部阴极氧化，脱膜，以及有机层结晶等等效应，致使元件老化损坏。

 

第四讲 新型平板显示器的发展

上网时间：2010-01-04   作者：陶显芳   来源：电子元件技术网

中心议题：

• LCD能占据大部分市场的原因
• 未来显示技术的展望

如果回到十几年前，上面介绍的PDP、SED、TDEL、DLP、LCOS、OLED等显示器都很可能被人们认为是今天的主流显示器，而不是LCD显示器，因为，PDP、SED、TDEL、DLP、LCOS、OLED都是为了克服LCD显示器的缺点而诞生的，但为什么LCD显示器反而最后取胜，这个是很值得人们深思的问题，下面我们还是从产品的生命周期来进行分析。图11是一般产品的生命周期。

图11 产品的生命周期

十几年前对于PDP、SED、TDEL、DLP、LCOS、OLED、LCD来说，都是处于产品的成长期，在这一时期任何产品都会出现风险，而在发展过程中很多企业都会因开发经费不足而夭折，但在这一时期正好是风险投资的最好机会，因为此时对于他们来说投资回报率最高。如果某人看准了机会，把某个因技术开发资金不足的项目收购过来或进行注资，这个技术项目将会很快地就发展起来，因为技术是现成的，而后面的市场肯定也是属于他们的。

LCD显示器的发展正好就是这样，由于在1997年前后，台湾的友达、奇美等多家技术企业看准了TFT-LCD技术，同时也看好了大陆的TFT-LCD显示器市场，因此他们敢投巨资，通过不断地收购和重组，把TFT-LCD显示器技术垄断到自己的手中，使得LCD显示器在技术与生产规模方面，在短短的几年内就远远超过其它显示器行业。

中国的大多数LCD面板企业，如今东方、上广电、聚龙光电等，都是等到产品进入成熟期之后才跟风进行投资，因此，产品很快就会进入衰减期，很难逃出企业亏损的命运。

目前，在国际上，平板数字显示器的产品主要还是以LCD和PDP产品为主，其它显示器很难形成主流，因为平板显示器生产技术复杂，投资庞大，产业链建设周期很长，一项新的显示技术如果没有人跟随，是很难形成气候的。

但由于大屏幕TFT-LCD和PDP损耗功率很大，在人类已经感觉到能源日趋紧张的今天，人们还迫切需要寻找一种在能效方面更优秀的显示器来取代TFT-LCD和PDP显示器。现在，人们对OLED显示器正寄予非常大的期望。东芝、松下、索尼、三星、LG、飞利浦等在电子行业排上号的电子厂商，都在开发OLED面板生产技术方面投入巨资，我国也把发展新型显示器技术列为刺激中国经济发展的九个重大项目之一。可以想象，OLED平板显示器一定是人们追逐的新星，但在未来十几年，谁是OLED新型显示器技术的领跑者，现在还需拭目而待。