發(fā)光二極管（Light Emitting Diode, LED）是一種利用固體半導(dǎo)體作為發(fā)光材料的發(fā)光器件，可以高效地將電能轉(zhuǎn)化為光能，現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于狀態(tài)指示、照明、平板顯示等場(chǎng)合，其原理圖符號(hào)如下圖所示：

LED的基本結(jié)構(gòu)與普通二極管一樣也是PN結(jié)，所以也具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)我們?cè)?/span>LED兩端施加正向電壓后，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)（從P區(qū)注入到N區(qū)的）空穴與（從N區(qū)注入到P區(qū)的）電子的復(fù)合就會(huì)伴隨著光的輻射，也稱為電致發(fā)光（electroluminescent）。當(dāng)然，并不是所有半導(dǎo)體材料的電子與空穴復(fù)合都會(huì)以光的形式體現(xiàn)（有些會(huì)以熱的方式而使器件的溫度升高，這不是我們希望看到的），LED通常由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等化合物制成的發(fā)光器件，我們把其中產(chǎn)生光輻射的半導(dǎo)體稱為LED晶片（chip），它的基本結(jié)構(gòu)之一如下圖所示。

在制作LED時(shí)，首先在藍(lán)寶石（Al₂O₃）襯底上生長出氮化鎵（GaN）基的外延層。氮化鎵是與硅、鍺等同概念的用來制作半導(dǎo)體器件的材料，通過摻雜即可制作出n型與 p型GaN，圖中的發(fā)光層指的就是P區(qū)與N區(qū)交界處形成的PN結(jié)。P區(qū)上的透明導(dǎo)電層（transparentcontact layer）能夠使電流進(jìn)一步擴(kuò)散，可以達(dá)到均勻發(fā)光的目的（直接將電極做在P區(qū)會(huì)使電流集中在電極下方，而金屬電極是不透光的）。

組成發(fā)光層的半導(dǎo)體材料不同，電子與空穴所處的能量狀態(tài)也會(huì)不同，它們復(fù)合時(shí)釋放出的能量越多，則發(fā)出光的波長越短。簡單的說，發(fā)光的顏色是由組成LED的半導(dǎo)體材料決定的，常用的有砷化鎵（gallium arsenide, GaAs）、磷化鎵（GaP）、氮化鎵（GaN）等。常見的LED發(fā)光顏色、波長及半導(dǎo)體材料如下表所示：

數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常會(huì)標(biāo)注出主波長（dominant wavelength）與峰值波長（peak wavelength）。需要注意的是，白光是三原色按比例混合的效果，當(dāng)紅綠藍(lán)的亮度分別占比為69%、21%、10%時(shí)，人的肉眼感覺到的便是純白色。

將LED晶片放置在帶有發(fā)射碗的陰極桿上，再通過引線與帶楔形支架的陽極桿連接，然后用環(huán)氧樹脂密封后就形成了我們見到的LED，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

關(guān)于LED結(jié)構(gòu)方面的內(nèi)容不需要了解太多，我們重點(diǎn)關(guān)注它的實(shí)際應(yīng)用電路。LED在直流電壓中作為狀態(tài)指示應(yīng)用非常簡單，只需要與LED串聯(lián)一個(gè)限流電阻即可，如下圖所示：

限流電阻過小將導(dǎo)致流過LED的電流過大，這可能會(huì)影響LED壽命甚至損壞，限流電阻過大則會(huì)導(dǎo)致LED光強(qiáng)達(dá)不到我們的要求，那一般的設(shè)置范圍是多少呢？我們來看某一款3mm插件LED相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，如下圖所示。

數(shù)據(jù)手冊(cè)中的半強(qiáng)角度（Angle of half intensity）指光源中心法線方向往四周張開時(shí)，中心光強(qiáng)到周圍一半時(shí)的夾角，如下圖所示

LED作為交流電源指示時(shí)還需要考慮最大反向擊穿電壓。我們前面已經(jīng)提過，LED發(fā)光的原理是電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生的能量以光的形式表現(xiàn)出來，也就是說，參與復(fù)合的載流子越多，則亮度會(huì)更強(qiáng)。為了使LED能夠發(fā)出更強(qiáng)的光，組成LED的兩塊半導(dǎo)體一般都是高摻雜的，在將要出版的圖書《三極管應(yīng)用分析精粹》中會(huì)詳細(xì)討論到，高摻雜的PN結(jié)容易出現(xiàn)齊納擊穿，所以大多數(shù)（不是所有）LED的反向擊穿電壓一般不高于7V。

從圖所示數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看到，其值為6V，所以在交流輸入電壓幅值大于LED反向擊穿電壓的場(chǎng)合，必須增加相應(yīng)的保護(hù)電路，典型應(yīng)用電路如下圖所示：

我們?cè)黾恿艘粋€(gè)二極管VD₂與LED反向并聯(lián)，它可以是一個(gè)普通的整流二極管，或者本身也是一個(gè)LED，這樣反向并聯(lián)的兩個(gè)二極管兩端的壓降總是能夠被限制為很低。

如果使用處理器（例如單片機(jī)）控制LED，為了避免處理器消耗的電流過大（尤其需要控制的LED數(shù)量很多時(shí)）而產(chǎn)生熱穩(wěn)定性問題，我們通常會(huì)使用三極管間接控制LED，這樣直接驅(qū)動(dòng)三極管基極的引腳電流僅為微安級(jí)別，其典型電路如下圖所示。

前面討論的都是恒壓源驅(qū)動(dòng)的小功率LED，但是在照明應(yīng)用的中大功率LED驅(qū)動(dòng)電路中，使用更多的是恒流源驅(qū)動(dòng)方式。在恒壓源驅(qū)動(dòng)方案中，雖然我們能夠使用限流電阻與LED串聯(lián)來設(shè)置所需要的電流，但是LED開始工作后內(nèi)部溫度會(huì)逐漸上升。大功率白光LED燈珠的正向驅(qū)動(dòng)電流會(huì)達(dá)到數(shù)百毫安以上，（根據(jù)）消耗的功率會(huì)超過1W，通常會(huì)使用鋁基板（而不是普通FR4基材的PCB板）配合散熱器散熱。在將要出版的圖書《三極管應(yīng)用分析精粹》中會(huì)詳細(xì)討論到，PN結(jié)的正向?qū)▔航稻哂胸?fù)溫度系數(shù)的特性（即溫度越高，正向?qū)▔航狄矔?huì)越?。?，這樣流過LED的工作電流會(huì)進(jìn)一步增大，導(dǎo)致溫度升高后又反過來促使PN導(dǎo)通壓降的減小，如此惡性循環(huán)的結(jié)果會(huì)使工作電流過大而加速LED光衰，而恒流驅(qū)動(dòng)方案則克服了這一缺點(diǎn)。

最簡單的恒流驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示：

對(duì)單芯片開關(guān)型穩(wěn)壓芯片有一定了解的讀者很容易可以看出（可參考公眾號(hào)文章《開關(guān)電源（1）之Buck變換器》），這個(gè)LED背光驅(qū)動(dòng)方案其實(shí)就是一個(gè)BUCK降壓開關(guān)穩(wěn)壓電路，我們來對(duì)比一下BUCK降壓芯片LM2596的典型應(yīng)用電路，如下圖所示：

輸出電壓調(diào)整的原理很簡單，芯片內(nèi)部有一個(gè)誤差比較放大運(yùn)算放大器，其同相端總是與一個(gè)參考電壓V_REF（一般為1V左右）連接，其反相端與反饋引腳FB連接，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如下圖所示：

由于運(yùn)放處于閉環(huán)深度負(fù)反饋，根據(jù)“虛短”特性，其反相端總是跟隨同相端，因此FB引腳的電壓值也就等于參考電壓V_REF，它在芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中總是可以找到的（LM2596為1.23V）。而根據(jù)運(yùn)放的“虛斷”原理，FB引腳的輸入電流可以認(rèn)為是0，所以輸出電壓V_OUT就取決于R1與R2的阻值比。

還有一點(diǎn)不同的是，背光驅(qū)動(dòng)電路中的輸出端與公共地之間沒有并聯(lián)電容，因?yàn)?/span>LED的光強(qiáng)主要與其工作電流的有效值有關(guān)，只要紋波電流不大可以無需要使用輸出電容，對(duì)于BOOST升壓方案的背光驅(qū)動(dòng)，如果對(duì)光強(qiáng)的穩(wěn)定性有更高的要求，可以考慮并聯(lián)一個(gè)電容，相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：