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如何设计LED标牌和LED矩阵显示屏(第1部分)

MASASHI NOGAWA?? TI?? 2014年11月05日 ?? 收藏1
引言

基于 LED 的标牌和矩阵显示屏为不断增长的室内外应用带来了更多的功能以及绚丽夺目的视觉效果。LED 技术的最新发展使人们很难分辨出自己看到的到底是其高质量显示屏的静止画面,还是传统的打印或绘制广告牌。本教程将详细介绍 LED 显示屏系统的基本技术原理,以及使用分立 LED 灯泡阵列设计它们需要考虑的设计问题。

LED 驱动基础

首先,我们要对比不同的LED驱动电路,以确定最佳方案。

连接电压源

众所周知,LED 灯(或二极管)在具有足够正向电压 (VF) 时开始导通。导通时其正向电流通常会发光。根据这个基本知识可以得出图 1a 中的第一种选项,不过这样行不通。因为 LED 电流是其电压偏置的指数函数(公式 1),LED 灯的光强度对该电压非常敏感。大多数情况下,大电流条件通常会将原本长寿命的 LED 变成昂贵的闪光灯泡。

如何设计LED标牌和LED矩阵显示屏(第1部分)(公式 1)

下面是图 1a 行不通的原因所在。在公式 1 中,IS、RS 是常数,取决于 LED 产品本身,与 VT 是热电压无关。假设串联电阻 RS 是理想值零,那么仅 0.1V 的 VF 变化就会产生 47 倍的 ILED 差异。

如何设计LED标牌和LED矩阵显示屏(第1部分)(公式 2)

例如,20mA 的目标 LED 电流值在其偏置电流出现仅 0.1V 的差异时就会跳变至 1A。即使考虑实际 RS 值,真实 LED 器件在具有 0.1V 偏置差异时仍会出现 10 至 20 倍的差异。

图 1.对比三种 LED 驱动电路
图 1.对比三种 LED 驱动电路

支持流限电阻器的电压源

现在我们来看看图 1b。添加一个限流电阻器 RLIMIT 来保护 LED 灯。由于有限流电阻器,因此该灯不会被烧坏。在视频显示器应用领域,这种方法在控制 LED 光强度方面仍然不够好。LED 曲线和 RLIMIT 产生的负载曲线可决定其 LED 电流值。如红色或蓝色标记所示,该 LED 和电阻器分别存在制造误差造成的正向电压变化及电阻变化。这些误差因素会使 LED 电流(绿)产生不可忽视的变化。

恒流源

图 1c 采用恒流电路而非电阻器。该恒流驱动器电路可直接将 LED 电流调节为目标值。无论 LED 灯在制造过程中会产生多少 VF 变化,LED 都会传导特定的电流值。LED 灯的光强度与通过 PN 结点的电荷紧密相关,因此该恒流驱动器是从 LED 灯获得统一光输出的理想方法。

此外,我们都知道集成电路 (IC) 可提供良好的匹配电路对。这也是选择恒流法的另一个优势。图 2 是 LED 驱动器的基本输出级结构。市场上很多 LED 驱动器 IC 都有参考电流设置端 IREF,该参考电流是镜像到其输出端的恒流。

图 2. LED 驱动器 IC 的基本输出配置
图 2. LED 驱动器 IC 的基本输出配置

图 2 是该讨论的结果,即 LED 驱动器的基本输出电路配置。

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