LED的延迟是多少?

电器工程 引领 潜伏
2022-01-18 03:17:03

众所周知,LED 具有非常低且不易察觉的电源循环延迟,但在测量时它们有多快?(纳秒?)

换句话说,完全关闭的 LED 需要多长时间才能达到其最佳亮度,以及从全亮到关闭需要多长时间?我假设应用的电流会有所不同?

我问这个问题是因为现代 LED 背光显示器使用 PWM 来实现不同的亮度级别,即使在以数千赫兹闪烁的背光中,LED 似乎也几乎可以立即响应(与 CFL 不同,CFL 在电源循环中相当慢)。

2个回答

为了解决这个问题,首先需要区分磷光体 LED (#1)(例如白色 LED,可能还有一些绿色 LED)和直接发射 LED(例如大多数可见色 LED、IR 和 UV LED)。

直接发射 LED 通常具有个位数纳秒的开启时间,对于更大的 LED,开启时间更长。这些的关闭时间在几十纳秒内比开启要慢一点。由于前面给出的原因,IR LED 通常显示最快的转换时间。

可提供特殊用途的 LED,其结和键合线几何形状经过专门设计,可允许800 皮秒至 2 纳秒的脉冲对于更短的脉冲,特殊用途的激光二极管(在许多方面与 LED 操作相似)可以一直工作到50 皮秒脉冲。

正如@ConnorWolf 在评论中指出的那样,还有一系列具有专门光束整形的 LED 产品,其脉冲宽度为500 到 1000 皮秒

荧光粉型 LED 的开启和关闭时间在数十到数百纳秒之间,比直接发射 LED 慢很多。


LED 快速切换的主要因素不仅仅是 LED 固有的发射转换时间:

  • 走线的电感会导致较长的上升和下降时间。更长的轨迹 = 更慢的转换。
  • LED 本身的结电容是一个因素(#2)例如,这些 5mm 通孔 LED的结电容标称值为 50 pF。较小的结(例如 0602 SMD LED)具有相应较低的结电容,并且在任何情况下更可能用于屏幕背光。
  • 寄生电容(走线和支持电路)在增加 RC 时间常数并因此减慢转换方面起着重要作用。
  • 典型的 LED 驱动拓扑(例如低侧 MOSFET 开关)在关闭时不会主动拉低 LED 两端的电压,因此关闭时间通常比开启时间慢。
  • 由于上述电感和电容因素,LED 的正向电压越高,上升和下降时间越长,因为电源必须更难以​​驱动电流来克服这些因素。因此,具有通常最低正向电压的 IR LED 转换速度最快。

因此,在实践中,实施设计的限制时间常数可以是数百纳秒这主要是由于外部因素,即驱动电路。相比之下,LED 结的转换时间要短得多。

要了解驱动电路设计相对于 LED 本身的主导地位,请参阅最近的美国政府 RFI(2013 年 4 月),寻求能够保证 LED 开关时间在20 纳秒范围内的电路设计。


备注

#1: 磷光体型 LED 具有底层发光结,通常在远蓝色或紫外范围内,然后激发磷光体涂层。结果是多个发射波长的组合,因此比直接发射 LED 更宽的波长光谱,这被视为近似白色(对于白色 LED)。

这种二次磷光体发射的开启或关闭比结转换慢得多。此外,在关断时,大多数荧光粉都有一条长尾,这会进一步扭曲关断时间。

#2: 结几何形状显着影响结电容。因此,为制造专门设计用于 MHz 范围内的高速信号的 LED 采取了类似的步骤,就像用于高频开关二极管设计一样。电容受耗尽层厚度和结面积的影响。材料选择(GaAsP v/s GaP 等)也会影响结处的载流子迁移率,从而改变“切换时间”。

您可能正在寻找的是辐射复合时间:当通过发射光子进行复合时,空穴和电子通常需要的时间,这是一个随机过程,因此可能需要任何时间。从工程师的角度来看,在克服电阻、电感和电容等电气效应(包括 LED、其包装,和你的驱动电路。

仅凭这些信息,您可能仍然会误会这样一个事实,即总体复合时间和辐射复合时间在半导体中差异很大,最明显的是具有间接带隙的半导体(通常只制造效率非常低的 LED,如硅) 和具有直接带隙的那些(通常用于 LED)。还要注意对波长的依赖性。

虽然我没有准备好数字,但光电子学的数量级应该是纳秒。根据RP Photonics Encyclopedia,当优化用作激光器(基本上是针对光学反馈优化的 LED 内镜)时,复合时间或上态寿命通常为几纳秒我的猜测是常规 LED 不会超过该值,但也许除非特别优化,否则也不会更快。