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发光二极管（Light Emitting Diode, LED）是一种利用固体半导体作为发光材料的发光器件，可以高效地将电能转化为光能，现如今已经广泛应用于状态指示、照明、平板显示等场合，其原理图符号如下图所示： LED的基本结构与普通二极管一样也是PN结，所以也具有单向导电性。当我们在LED两端施加正向电压后，在PN结附近数微米内（从P区注入到N区的）空穴与（从N区注入到P区的）电子的复合就会伴随着光的辐射，也称为电致发光（electroluminescent）。当然，并不是所有半导体材料的电子与空穴复合都会以光的形式体现（有些会以热的方式而使器件的温度升高，这不是我们希望看到的），LED通常由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等化合物制成的发光器件，我们把其中产生光辐射的半导体称为LED晶片（chip），它的基本结构之一如下图所示。 在制作LED时，首先在蓝宝石（Al2O3）衬底上生长出氮化镓（GaN）基的外延层。氮化镓是与硅、锗等同概念的用来制作半导体器件的材料，通过掺杂即可制作出n型与 p型GaN，图中的发光层指的就是P区与N区交界处形成的PN结。P区上的透明导电层（transparentcontact layer）能够使电流进一步扩散，可以达到均匀发光的目的（直接将电极做在P区会使电流集中在电极下方，而金属电极是不透光的）。 组成发光层的半导体材料不同，电子与空穴所处的能量状态也会不同，它们复合时释放出的能量越多，则发出光的波长越短。简单的说，发光的颜色是由组成LED的半导体材料决定的，常用的有砷化镓（gallium arsenide, GaAs）、磷化镓（GaP）、氮化镓（GaN）等。常见的LED发光颜色、波长及半导体材料如下表所示： 数据手册中通常会标注出主波长（dominant wavelength）与峰值波长（peak wavelength）。需要注意的是，白光是三原色按比例混合的效果，当红绿蓝的亮度分别占比为69%、21%、10%时，人的肉眼感觉到的便是纯白色。 将LED晶片放置在带有发射碗的阴极杆上，再通过引线与带楔形支架的阳极杆连接，然后用环氧树脂密封后就形成了我们见到的LED，基本结构如下图所示： 关于LED结构方面的内容不需要了解太多，我们重点关注它的实际应用电路。LED在直流电压中作为状态指示应用非常简单，只需要与LED串联一个限流电阻即可，如下图所示： 限流电阻过小将导致流过LED的电流过大，这可能会影响LED寿命甚至损坏，限流电阻过大则会导致LED光强达不到我们的要求，那一般的设置范围是多少呢？我们来看某一款3mm插件LED相应的数据手册，如下图所示。
数据手册中的半强角度（Angle of half intensity）指光源中心法线方向往四周张开时，中心光强到周围一半时的夹角，如下图所示
LED作为交流电源指示时还需要考虑最大反向击穿电压。我们前面已经提过，LED发光的原理是电子与空穴复合产生的能量以光的形式表现出来，也就是说，参与复合的载流子越多，则亮度会更强。为了使LED能够发出更强的光，组成LED的两块半导体一般都是高掺杂的，在将要出版的图书《三极管应用分析精粹》中会详细讨论到，高掺杂的PN结容易出现齐纳击穿，所以大多数（不是所有）LED的反向击穿电压一般不高于7V。 从图所示数据手册可以看到，其值为6V，所以在交流输入电压幅值大于LED反向击穿电压的场合，必须增加相应的保护电路，典型应用电路如下图所示：
我们增加了一个二极管VD2与LED反向并联，它可以是一个普通的整流二极管，或者本身也是一个LED，这样反向并联的两个二极管两端的压降总是能够被限制为很低。 如果使用处理器（例如单片机）控制LED，为了避免处理器消耗的电流过大（尤其需要控制的LED数量很多时）而产生热稳定性问题，我们通常会使用三极管间接控制LED，这样直接驱动三极管基极的引脚电流仅为微安级别，其典型电路如下图所示。
前面讨论的都是恒压源驱动的小功率LED，但是在照明应用的中大功率LED驱动电路中，使用更多的是恒流源驱动方式。在恒压源驱动方案中，虽然我们能够使用限流电阻与LED串联来设置所需要的电流，但是LED开始工作后内部温度会逐渐上升。大功率白光LED灯珠的正向驱动电流会达到数百毫安以上，（根据）消耗的功率会超过1W，通常会使用铝基板（而不是普通FR4基材的PCB板）配合散热器散热。在将要出版的图书《三极管应用分析精粹》中会详细讨论到，PN结的正向导通压降具有负温度系数的特性（即温度越高，正向导通压降也会越小），这样流过LED的工作电流会进一步增大，导致温度升高后又反过来促使PN导通压降的减小，如此恶性循环的结果会使工作电流过大而加速LED光衰，而恒流驱动方案则克服了这一缺点。 最简单的恒流驱动电路如下图所示：
对单芯片开关型稳压芯片有一定了解的读者很容易可以看出（可参考公众号文章《开关电源（1）之Buck变换器》），这个LED背光驱动方案其实就是一个BUCK降压开关稳压电路，我们来对比一下BUCK降压芯片LM2596的典型应用电路，如下图所示：
输出电压调整的原理很简单，芯片内部有一个误差比较放大运算放大器，其同相端总是与一个参考电压VREF（一般为1V左右）连接，其反相端与反馈引脚FB连接，其内部结构示意如下图所示：
由于运放处于闭环深度负反馈，根据“虚短”特性，其反相端总是跟随同相端，因此FB引脚的电压值也就等于参考电压VREF，它在芯片数据手册中总是可以找到的（LM2596为1.23V）。而根据运放的“虚断”原理，FB引脚的输入电流可以认为是0，所以输出电压VOUT就取决于R1与R2的阻值比。
还有一点不同的是，背光驱动电路中的输出端与公共地之间没有并联电容，因为LED的光强主要与其工作电流的有效值有关，只要纹波电流不大可以无需要使用输出电容，对于BOOST升压方案的背光驱动，如果对光强的稳定性有更高的要求，可以考虑并联一个电容，相应的电路结构如下图所示：
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