投影机LED驱动技术

lfengj

郑刚：大家好，直接开讲，因为LED很热，市场上也有各种各样的LED器件，我想为了体现特色，就把投影机应用的LED拿出来谈。我接触领域应用以来，感觉上投影机应用的要求是最高的，因为投出来的光被我们的眼睛看到，而且分辨在细节的图像上来，如果表现不好可能大家就会看到今天这样的效果，应该显示白色的地方都是白色，但是蓝色里面有红色，为什么这样呢？有不同颜色的光混在一块，我们做投影机要把不同颜色的光区分开，需要的时候再混合起来。
  
首先作为基础来讲，LED是我们最关注的对象，虽然我准备的内容从LED开始谈起，这里面有很多有关LED的资料，LED对于我们做驱动的人来讲，最重要的特性是V/I关系是非线性的，非线性表现出来的不是给了多高的电压就给多少电阻出来，大家可以从曲线图上看到，这里有一个示意图，电压小小的变化就带来电流很大的变化，就是因为这个原因，用电压驱动带来很大的状况，电压的误差带来电流很大的误差，如果控制的方向从这个方向看过去，设置一个电流，引起的电压变化对我们是没有影响的。因为LED发光的时候，发光量和电流相关，也就是LED驱动的时候一定要用电流做的很重要的原因。
  
另外，LED的发光效率和电流的关系，看起来是对应的，但不完全线性，电流的增加不不代表发光量一定会增大，到高端以后发光量就会增大。1A的LED工作在350MA，有可能工作的效率是最高的。LED驱动的时候最大电流值出现限制，这是大家都注意到的参数。这个图我觉得里面有一个很好的地方就是告诉你，在不同的脉冲安度情况下，电流最大值是不一样的，25℃的情况下，LED持续供电可以有500MA的电流，但是只有一个ns的脉冲安度，是1‰，最大电流值是2A。如果温度升高，就要求一定要下降了。而且持续供电的电流也要下降。
  
不好意思这里插一句：我今天应主办方的邀请来谈谈LED的驱动技术。因为时间比较急，稿件在所有内容都确定之后，所以你们拿到的印刷本里面没有这个内容，就是因为通知得比较晚，来不及做准备，昨天才把稿子准备好。当然稿子的网络版本大家若有兴趣可以去主办方网站电子元件技术网（http://www.cntronics.com）和我爱方案网（http://www.52solution.com）上下载！谢谢！
LED在应用当中还有很重要的影响，波长也会发生变化，就是往红光的方向移动，我们称为红移。这是VF值的应用，我们看到温度每度的变化，大概VF值下降两个μv，不同的产品可能特性也有一定的差异。另外，同样的一个型号，你拿到的LED VF值也是有差异的，这里的一款是我的客户提供的LED，是一种颜色的LED合在一块，是拿来做投影机的产品。你可以看到蓝光和绿光VF值的变化范围在 0.6V，最大值是4.9V，这是电流700μA的情况下计算出来的。如果我们在应用当中，拿常见的稳压器供电，比如说一个DC-DC就是一个降压器件，根据LED的状况把它设定为3.6V，有的LED得到的电流是700μA，有的只有200-300μA，从所谈的特性得到一个结论，把LED并联连接的时候，各LED流过的电量不同、亮度不同，颜色也不一样。我们在应用的时候，应该把LED拿来串联连接，最简单的做法就是给一个电压源，LED串联起来里面串上一个电阻，这是最简单的做法。我们在市场上也看到这样的产品，深圳有一个专门卖汽车上的LED产品的市场，大多数用LED做的车灯都是用电阻串联起来的，哪怕是一个稳压器件都没有，这是很可怕的事情，因为LED的寿命不是太长，碰得巧VF值比较高，寿命就可能比较长。
  
单用电阻限流是不够的，这里要说明的问题就是，电压会发生变化，电阻值也会发生变化，温度变化的时候也会变化，很多因素让我们不能这样去做事。具体在应用当中，LED的驱动会有各种各样的做法，大家可以说网站的论坛中谈，我们做LED路灯的时候到底应该怎么驱动，有的就是把100颗1W的LED串联起来，用一颗电阻完成，电阻的成本比较低，LED只是串联起来，所有的LED表现都是一样的，这时候发光的量是相等的。可是这个时候就有一个问题，如果集中某一个LED坏了，尤其是开路，那所有的LED都不会亮，这是制作路灯的时候面临的风险。对于有些比较偏僻的元器件常识，大家可以上电子元件技术网的知识库百科（http://www.cntronics.com/public/baike）了解下。里面做的挺全的！
  
这是中间的风险，用一颗电阻驱动LED，由于我们刚才谈到的时候，这时候把LED拿来并联用，由于不同的影响，两串LED流出来的电流也是不同的。这里面带来一个问题，流出电流比较高的LED，寿命比较短，第二串LED本来不容易坏，由于前面的坏了以后，寿命极快的缩短。第三种做法是LED的数量是增多了，成本有增加，但是可靠性大大提高。我用的几个词形成这种做法，也不知道大家觉得是否合适：荣辱与共、贫富不均、齐头并进。
我们有帮助客户提供参照设计，这里的做法就是我在用一个驱动器驱动很多LED的时候，我们可以把LED拿来做并联连接，但这时候最好的做法是增加均流的电路，电路里面那么多的晶体管，所形成的电路是电流性的电路，这是很简单的标准做法，可以供大家参考。由于电路部分会消耗一部分能量，而且消耗得越多，均流效果越好。一定要降低驱动部分的成本做法可以由不同的做法完成。
  
在LED应用也有另类的研究，像流入LED的纹波对线路的影响，这张图LED的纹波对光效的影响，上面这条线是100%，每一条线是1%的变化，大概在电流纹波在100%的时候，也就是说看到的完全是电流从零一直变化到最大值。无论如何，背景纹波对光效、发热和寿命是有不利影响的，所以，设计者应努力降低流过LED的电流纹波。如果说要求不高，社会也可以接受，但是因为LED在应用的时候尽量驱动，所以纹波的增大对它是不利的，设计当中应该尽量减少纹波。
  
下面内容进入投影技术的部分，我们对投影技术基础有一个了解。里面涉及DLP技术和LCoS技术，这里面是DLP的显示技术，图的左边是用三个DLP芯片完成的，每个DLP里面有很多小镜子，用小镜子的反光经过光学投影系统里面投影到屏幕上，让大家看到一个个的点。也可以室外单片式结构，透过旋转的色轮按时间顺序分别产生R/G/B三基色图像，利用人眼的视觉暂留特性，可看到彩色的图像。另外在色轮总是有不同颜色的交界部分，如果在这个时候，交界的时候有不同的颜色光都出来，我们可以看到什么效应呢？就是彩虹效应，就是该显示红色的时候，绿色进来了，这样会混在一块，这也是今天我们看到投影的时候，也是在家里看电影、看电视的时候，图像不是那么清晰，色彩不是那么饱和的原因。
  
第二种显示技术LCoS，LCoS是属于micro LED投影技术，它采用涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LED的基片。用先进工艺磨平后镀上铝当作反射，形成CMOS基板。这里显示出来的是 LCoS两种不同的技术，一种是采用三片LCoS芯片组成的，有上角的图只有一张LCoS的芯片，在不同时间有不同图像的做法，从应用方面来说，单芯片和双芯片是相类似的，我们所看到的惠普电视也是用LCoS技术进行的。
  
现在的投影机里面所用的灯泡都是UHP汞灯，这种汞灯是利用超高压放电，汞灯器在发电的时候从紫外线一直到红光，都有很强的辐射。蒸气压越高可见光的部分越丰富，这时候发光的效率也在下降，因为一般作为汞灯来讲，效率比较好的是低压汞灯，一到超高压以后光效下降了，但是有一个好处是汞灯的亮度非常高。实际上我们在用投影机的时候，不追求效率而是追求光的亮度。一般投影机用的灯，至少在15Mpa以上的大气压，有的到上千瓦功率。下面的图展示的是汞灯大概的结果，也是它的主线图。我们在使用汞灯的时候，就是用摄影取得不同波长的光，但是我们又不能分成太细，都是取了非常宽的平谷。
  
在采用LED光源以后，我们就可以直接控制LED的发光和不发光，把R/G/B三种光混在一块，最后经过LCoS或者DLP的芯片得到我们想要的情况。因为LED开光的时候用ns计算，是可以消除两种不同颜色光的叠加，因为LED的普线很窄，可以有饱和度非常高、非常清晰的效果。我看到采用LED做的投影效果，甚至有可能你看到的颜色是假的，就是因为它非常艳丽，有这样的效果。我们看到右边的色型图，其实这是不对的，颜色发生最大的变化，蓝色的部分还在，红色部分严重缺少，绿色部分也看不出来，所以所看到UHP汞灯光源，发光大概在这个位置上，这个图怎么看呢？现在我们有三种不同颜色的灯，在这里是一种，在这里是一种，在构成颜色系统的时候，就是有三个不同的颜色他们所构成的这样的三角区域在这个范围之内的所有颜色都能生成出来，如果是两种不同的颜色，就是一个颜色上面的颜色区可以看出来。把光分开就是很模糊的区域，出来的最终效果不会很好。使用LED之后，我们可以选择色点三个角上，可以覆盖的范围非常宽，你可以得到非常精细的色彩效果。
因时间问题，就暂时先说到这里，投影机LED驱动技术稿子的完整版下载地址是： http://www.cntronics.com/public/seminar/content/type/article/rid/22/sid/2
  
刚才已经把两个比较的优点和缺点都谈了，我这里就不再细述了。投影机对LED的光源提出了一些要求，这是我们在应用当中总结出来的，就是R/G/B当中，LED轮流发光，高速开关、切换，切换时两种不同颜色不允许重叠。而且在使用的过程当中，会考虑到一个问题，就是某一时间不需要某一颜色的光，但是下一个开的时候，光的脉冲要完全一样，避免重复性不好的问题；另外，因为我们要把屏幕放大，图像要很清晰，还要满足大功率光输出的需要，所以对LED需求功率也要很大。对于高端的系统要有录像分析的功能，我们在看电影的时候可以明确感觉到，看晚上场景的时候希望它很暗，那时候发出很多光是没有意义的，我们需要节能，不该有光输出的时候要尽量减少，需要有亮度的时候可以投射出来，亮度的动态范围也增大了，这样看起来的效果就会很大，所以就需要随时进行光源的亮度调整，R/G/B三种颜色可以独立调整，这是更进一步分析的结果。