普通LED和大功率LED技术和工艺.doc

1、 本文由 chenmeng201011 贡献doc 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。普通 LED 和大功率 LED 技术和工艺上有什么不同？ 技术和工艺上有什么不同？大功率 LED 节能灯是 LED 节能灯的一种，相对于小功率 LED 节能灯来说，大功率 LED 节能灯单 颗功率更高，亮度更亮，价格更高。小功率 LED 节能灯额定电流都是 20mA，额定电流高过 20mA 的基本上都可以算作大功率。一般功率数有：0.25w、0.5w、1w、3w、5w、8w、10w 等等。主要亮 度单位为 lm（流明） ，小功率的亮度单位一般为 mcd。此两单

2、位无法换算。目前做为一个新兴的绿 色、环保、节能光源被广泛应用于汽车灯、手电筒、灯具等场所。 大功率 LED 节能灯之所以这样称呼,主要是针对小功率 LED 节能灯而言,目前分类的标准总结有三 种: 其中第一种是根据功率大小可分为 0.5W,1W,3W,5W,10W100W 不等,根据封装后成型产品的总的 功率而言不同而不同. 第二种可以根据其封装工艺不同分为:大尺寸环氧树脂封装、仿食人鱼式环氧树脂封装、铝基板 （MCPCB）式封装、TO 封装、功率型 SMD 封装、MCPCB 集成化封装等等 第三种可以根据其光衰程度不同可分为低光衰大功率产品和非低光衰大功率产品。 当然，由于大功率 LED

3、节能灯本身的参数比较多，根据不同的参数会有不同的分类标准，在此 不再类述。 大功率 LED 节能灯仍然属于 LED 封装产品里的一种，是让半导体照明走向普通照明领域里最重 要的一环。 在使用大功率 LED 节能灯时，必须了解光强分布、色温分布、热阻及显色性等问题 掌握 W 级大功率 LED 节能灯的光强分布图，是正确使用大功率 LED 节能灯所必需的。厂家一定 要向客户提供 LED 器件的各种参数指标 大功率 LED 节能灯的色温分布是否均匀，将直接影响照明效果；而且色温与显色指数是互相关 联的，色温的改变会引起显色指数的变化。 大功率 LED 节能灯的热阻直接影响 LED 器件的散热。热阻低

4、，散热越好；热阻高则散热差，这 样器件温升高，就会影响光的波长漂移。根据经验，温度升高一度，光波长要漂移 0.20.3nm，这 样会直接影响器件的发光质量。温升过高也直接影响 W 级大功率 LED 节能灯的使用寿命。 显色性是白光 LED 的重要指标，用于照明的白光 LED 的显色性必须在 80 以上LED 节能灯的工作原理及原理图LED 我做了一年多，驱动方面不难，网上资料也很多，你可以看看。我觉得对 LED 本身的了解更 为重要，只有摸清了它的脾气，才能设计出好的驱动来。前段时间去上海参加了国际 LED 技术展， 颇有收获，把 LED 原理方面的最新资料整理如下，但是贴不上图，希望对你有所

5、帮助： 1、LED 发光机理：PN 结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P 区和 N 区的 多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向 P 区扩散， 构成对 P 区少数载流子的注入。 这些电子与价带上的空穴复合， 复合时得到的能量以光能的形式释 放出去。这就是 PN 结发光的原理。 2、LED 发光效率：一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的 乘积。所谓组件的内部量子效率，其实就是组件本身的电光转换效率，主要与组件本身的特性（如 组件材料的能带、缺陷、杂质） 、组件的垒晶组成及结构等相关。而组件的取出效率则指的是组

6、件 内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。 因此，关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射 率差及组件结构的散射特性等。而组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积，就是整个组件的 发光效果，也就是组件的外部量子效率。早期组件发展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通 过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高 LED 的发光效率， 从而可获得 70%左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。 在这样的状况下，光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件的

7、总光量的，因此提高组件的取 出效率便成为重要的研究课题。目前的方法主要是：晶粒外型的改变TIP 结构，表面粗化技术。 3、LED 电气特性：电流控制型器件，负载特性类似 PN 结的 UI 曲线，正向导通电压的极小变化会 引起正向电流的很大变化（指数级别） ，反向漏电流很小，有反向击穿电压。在实际使用中，应选 择 。LED 正向电压随温度升高而变小，具有负温度系数。LED 消耗功率 ，一部分转化为光能， 这是我们需要的。剩下的就转化为热能，使结温升高。散发的热量（功率）可表示为 。 4、LED 光学特性：LED 提供的是半宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度的上升而减小， 因此它所发射的峰值

8、波长随温度的上升而增长，即光谱红移，温度系数为+23A/ 。LED 发光亮度 L 与正向电流 近似成比例： ，K 为比例系数。电流增大，发光亮度也近似增大。另外发光亮度也 与环境温度有关，环境温度高时，复合效率下降，发光强度减小。 5、LED 热学特性：小电流下，LED 温升不明显。若环境温度较高，LED 的主波长就会红移，亮度 会下降，发光均匀性、一致性变差。尤其点阵、大显示屏的温升对 LED 的可靠性、稳定性影响更 为显著。所以散热设计很关键。6、LED 寿命：LED 的长时间工作会光衰引起老化，尤其对大功率 LED 来说，光衰问题更加严重。 在衡量 LED 的寿命时，仅仅以灯的损坏来作为

9、 LED 寿命的终点是远远不够的，应该以 LED 的光 衰减百分比来规定 LED 的寿命，比如 35%，这样更有意义。 7、大功率 LED 封装：主要考虑散热和出光。散热方面，用铜基热衬，再连接到铝基散热器上，晶 粒与热衬之间以锡片焊作为连接，这种散热方式效果较好，性价比较高。出光方面，采用芯片倒装 技术，并在底面和侧面增加反射面反射出浪费的光能，这样可以获得更多的有消出光。8、白光 LED：类自然光谱白光 LED 主要有三种：第一种是比较成熟且已商业化的蓝光芯片+黄色 荧光粉来获得白光，这种白光成本最低，但是蓝光晶粒发光波长的偏移、强度的变化及荧光粉涂布 厚度的改变均会影响白光的均匀度，而且

10、光谱呈带状较窄，色彩不全，色温偏高，显色性偏低，灯 光对眼睛不柔和不协调。人眼经过进化最适应的是太阳光，白炽灯的连续光谱是最好的，色温为 2500K，显色指数为 100。所以这种白光还需要改进，比如加多发光过程来改善光谱，使之连续且足 够宽。第二种是紫外光或紫光芯片+红、蓝、绿三基色荧光粉来获得白光，发光原理类似于日光灯， 该方法显色性更好，而且 UV-LED 不参与白光的配色，所以 UV-LED 波长与强度的波动对于配出的 白光而言不会特别地敏感，并可由各色荧光粉的选择和配比，调制出可接受色温及演色性的白光。 但同样存在所用荧光粉有效转化效率低，尤其是红色荧光粉的效率需要大幅度提高的问题。这

11、类荧 光粉发光稳定性差、光衰较大、配合荧光粉紫外光波长的选择、UV-LED 制作的难度及抗 UV 封装 材料的开发也是需要克服的困难。 第三种是利用三基色原理将 RGB 三种超高亮度 LED 混合成白光， 该方法的优点是不需经过荧光粉的转换而直接配出白光， 除了可避免荧光粉转换的损失而得到较佳 的发光效率外，更可以分开控制红、绿、蓝光 LED 的发光强度，达成全彩的变色效果（可变色温） ， 并可由 LED 波长及强度的选择得到较佳的演色性。但这种办法的问题是绿光的转换效率低，混光 困难，驱动电路设计复杂。另外，由于这三种光色都是热源，散热问题更是其它封装形式的 3 倍， 增加了使用上的困难。

12、偏振 LED 和三波长全彩化的白光 LED 将是未来的发展方向。LED 照明设计需要注意的技术细节LED 照明灯具在近期得到飞跃的发展，LED 作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED 光源 使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低，因而在家庭照明都将得到海量的应用，欧司 朗光学半导体公司 2008 年调查统计，全球每年家庭照明灯座出货量约为 500 亿个。 LED 光源的技术日趋成熟，每瓦发光流明迅速增长，促使其逐年递减降价。以 1W LED 光源为例， 2008 年春的价格已是 2006 年春的价格三分之一， 2009 年春将降至 2006 年的四分之一。 LED 绿色灯具的海量

13、市场和持续稳定数年增长需求将是集成电路行业继 VCD、DVD、手机、MP3 之后的消费电子市场的超级海啸！ LED 灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。 LED 高节能：直流驱动，超低功耗(单管 0.03 瓦-1 瓦)电光功率转换接近 100%，相同照明效果 比传统光源节能 80%以上。 LED 长寿命：LED 光源被称为长寿灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分， 不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点，使用寿命可达 5 万到 10 万小时，比传统光源寿命 长 10 倍以上。 LED 利环保：LED 是一种绿色光源，环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线，热

14、量低和无频 闪，无辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色 照明光源。 LED 光源工作特点： 光源工作特点： 照明用 LED 光源的 VF 电压都很低，一般 VF =2.75-3.8V，IF 在 15-1400mA；因此 LED 驱动 IC 的输出电压是 VF X N 或 VF X 1, IF 恒流在 15-1400mA。LED 灯具使用的 LED 光源有小功 率(IF=15-20mA)和大功率(IF200mA)二种，小功率 LED 多用来做 LED 日光灯、装饰灯、格 栅灯；大功率 LED 用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工

15、作灯等。 功率 LED 光源是低电压、大电流驱动的器件，其发光的强度由流过 LED 的电流大小决定，电流过 强会引起 LED 光的衰减， 电流过弱会影响 LED 的发光强度， 因此， LED 的驱动需要提供恒流电源， 以保证大功率 LED 使用的安全性，同时达到理想的发光强度。在 LED 照明领域，要体现出节能和 长寿命的特点，选择好 LED 驱动 IC 至关重要，没有好的驱动 IC 的匹配，LED 照明的优势无法体 现。LED 灯具对低压驱动芯片的要求： 灯具对低压驱动芯片的要求： 1. 驱动芯片的标称输入电压范围应当满足 DC8-40V，以覆盖应用面的需要，耐压如能大于 45V 更好；AC

16、 12V 或 24 V 输入时简单的桥式整流器输出电压会随电网电压波动，特别是电压偏高时 输出直流电压也会偏高，驱动 IC 如不能适应宽电压范围，往往在电网电压升高时会被击穿，LED 光源也因此被烧毁。 2. 驱动芯片的标称输出电流要求大于 1.2-1.5A，作为照明用的 LED 光源，1W 功率的 LED 光源 其标称工作电流为 350mA，3W 功率的 LED 光源其标称工作电流为 700mA，功率大的需要更大 的电流，因此 LED 照明灯具选用的驱动 IC 必需有足够的电流输出，设计产品时必需使驱动 IC 工 作在满负输出的 70-90%的最佳工作区域。使用满负输出电流的驱动 IC 在灯

17、具狭小空间散热不 畅，容易疲劳和早期失效。 3. 驱动芯片的输出电流必需长久恒定，LED 光源才能稳定发光，亮度不会闪烁；同一批驱动芯片 在同等条件下使用，其输出电流大小要尽可能一致，也就是离散性要小，这样在大批量自动化生产 线上生产才能有效和有序；对于输出电流有一定离散性的驱动芯片必选在出厂或投入生产线前分 档，调整 PCB 板上电流设定电阻 (Rs)的阻值大小，使之生产的 LED 灯具恒流驱动板对同类 LED 光源的发光亮度一致，保持最终产品的一致性。 4. 驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热，如将管芯(Die)直接绑定在铜板上，并有一 Pin 直接延伸到封装外， 便于直接焊接在

18、 PCB 板的铜箔上迅速导热(图 1)。 如在一个类似 4X4mm 的硅片管芯上，要长时间通过 300-1000mA 的电流，必然有功耗，必然会发热，芯片本身的物理 散热结构也是至关重要的。 5. 驱动芯片本身的抗 EMI、噪音、耐高压的能力也关系到整个 LED 灯具产品能否顺利通过 CE、 UL 等认证，因此驱动芯片本身在设计伊始就要选用优秀的拓朴结构和高压的生产工艺。 6. 驱动芯片自身功耗要求小于 0.5W，开关工作频率要求大于 120Hz，以免工频干扰而产生可见 闪烁。 LED 绿色照明促使驱动芯片向创新设计发展，LED 灯具照明是离不开驱动芯片的，因此需要多种 功能的 LED 光源驱

19、动 IC。 LED 灯具选用 36V 以下的交流电源可以考虑非隔离供电， 如选用 220V 和 100V 的交流电源应考虑隔离供电。直接使用 AC100-220V 的驱动芯片，因应用体积苛求，在 技术上还有更高的要求、更大的难度，目前各国都在努力开发中。LED 灯具的海量需求市场给所有 集成电路设计公司再次成功的机会，快速转型、早出产品，赢的机会多多。责任编辑：电源网左然LED-乐观但别盲目 乐观但别盲目从 2006 年 3 月,大功率 LED 露出头角,LED 的战火被点燃 ,国内最初的预计,2008 年 LED 会替代 大部分家庭照明.2010 年达到大量普及.现在反过来看,国内预计并没有

20、实现.相比之下,国外的进度 就比较严谨一些,设计规划比较长线.纵观现在做 LED 的厂商,做得大的都将主力集中在光源和芯片 部分,对整灯的涉及都不痛不痒.由此可以了解,LED 的整灯结构还处于一个耘酿期.想快速普及是不 可能的.不仅是价位问题,散热如何处理,外形能否达到散热效果,达到散热的目的后外能能否被大众 所接受,总结一下有如下几点需要确认 1.现市场龙蛇混杂,每家都夸下海口,说自己的产品如何好,如何长寿,更有甚者,拿 80W 的 LED 路灯 和 250W 钠灯的来比节能效果.拿 40W 的日光灯和 20W 的 LED 日光灯比节能和亮度.稍有光学常 识的人都知道,两者没有可比性,以目前

21、的 LED 光效,和钠灯和日光灯的发光效率都不是一个档次的. 如果要讲发光角度,日光灯加个反光罩,让鼓吹 LED 节能的试试看. 当然技术在发展,LED 进步大家有目共赏,我不是 LED 反对组,但也不是狂热组的人,换个角度,在谈 LED 都是和工厂有关联的技术人员或销售人员,作为工厂批量生产才有实际意义,能赚钱才是最终 的目的,能不能批量,会不会赚钱,不是由那个人决定的,是由消费者决定,作为工程技术人员,严谨很 重要,盲目把一个不成熟的产品大批量的推向生产,作为业务,不管事实,信口开河不正视事实,不管 是对个人还是对社会都是一种极不负责的态度. 2.LED 是否能适用在所有的场合,光源不仅注

22、重发光效率,还存在显色指数和色容差问题,按照 LED 照明狂热组的概念,LED 是大小通吃.什么场合都能用,不管是室内还是户外,体育场,大型码头,更有 人声称投影机上用 LED 灯泡做投射光.其姿态让人想 K 他.一个显色指数不到 80 的产品能拿去做投 影灯泡! 任何一个产品都不可能是十全十美,使用在适合他的场所,才能最大的利用它的价值,LED 理念上长 寿命,抗振动性能很好,用在汽车上很好,LED 低电压用在水底下很安全,LED 节能,用在长期点灯但 对照明显色指数要求不太高场合,可以胜任.不建议用在大型图书和教室,那种显色指数,炫光,对长 期看书都影响很大,担心会伤到学生的视力.LED

23、可以用在照明要求不高的街道路灯上,但不适合用 在高速路上(如果显色指数的发光效率提高并当别论).LED 不能用在大型体育场.列出这些只为说明一个现实.不要希望一个产品能取代所有的产品.用途不一样,所需的要求不一样. 就象我们每天出行一样,有时需要坐车,有时自己开车,有时更愿意走路,但有时又要坐飞机.谁都知 道飞机速度最快.但是不是 20 公里的路程也要坐飞机呢,谁都知道走路最经济又能健身,但如果谁想 从广东步行到北京,算算成本,就会知道走路反而贵. 个人认为,解决好 LED 光衰,设计成长寿命的 LED 灯,适合用在长期点灯的场合,对照明要求不太高 的场合,其实这些地方有很多,大型仓库(有些是

24、 24 小时点灯),政府大楼,公安大楼.收费站,加油站, 大型超市等等.家庭照明对外形的要求较高,对显色指数的要求也不低,以目前来看,能用,但不是很 好用. 3.性价比和能源及环境问题,现在散热大都是使用铝材.不但贵(以 6W 的 LED 为标准几乎占了整灯 的一倍价格),虽然有所谓的高导热陶磁散热,但目前还未看到有实际的成品在市场上流动.大量使 用铝材是不是对社会的不负责任,不但消耗能源,不合理的管控和回收,还会造成对环境的污染.铝是 一种对人体有很大危害的元素.过多涉入人体会导致多种疾病. LED 照明相比传统照明而言有它独特的优势,有发展前景,但目前 LED 不适用在所有的地方,对 LE

25、D 照明的定位应持谨慎的态度,一味的狂热,只会带来负面影响.早期的 LED 阻容阻压灯杯,到前两年火 热的草帽 LED 日光灯管,就是最好的证明.责任编辑：电源网左然 来源：电源网第一讲 LED 主要参数与特性LED 是利用化合物材料制成 pn 结的光电器件。 它具备 pn 结结型器件的电学特性： I-V 特性、 C-V 特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。本文将为你详细介 绍。 1、LED 电学特性 、 1.1 I-V 特性 表征 LED 芯片 pn 结制备性能主要参数。LED 的 I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性， 即外加正偏压表现低接触电阻，

26、反之为高接触电阻。如上图：（1） 正向死区：（图 oa 或 oa段）a 点对于 V0 为开启电压，当 VVa，外加电场尚克服不少 因载流子扩散而形成势垒电场，此时 R 很大；开启电压对于不同 LED 其值不同，GaAs 为 1V， 红色 GaAsP 为 1.2V，GaP 为 1.8V，GaN 为 2.5V。 （2）正向工作区：电流 IF 与外加电压呈指数关系 IF = IS (e qVF/KT 1) IS 为反向饱和电流。V0 时，VVF 的正向工作区 IF 随 VF 指数上升， IF = IS e qVF/KT （3）反向死区 ：V0 时 pn 结加反偏压 V= - VR 时，反向漏电流 I

27、R（V= -5V）时，GaP 为 0V，GaN 为 10uA。（4）反向击穿区 V- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应 IR 为反向漏电流。当反向偏 压一直增加使 V- VR 时，则出现 IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同， 各种 LED 的反向击穿电压 VR 也不同。 1.2 C-V 特性 鉴于 LED 的芯片有 99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)， 1212mil (300300um)，故 pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）Cn+pf 左右。C-V 特性呈二次函数关系（如图 2） 。由 1MHZ

28、 交流信号用 C-V 特性测试仪测得。1.3 最大允许功耗 PFm 当流过 LED 的电流为 IF、管压降为 UF 则功率消耗为 P=UFIF. LED 工作时，外加偏压、偏流 一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为 Tj、外部环境温度为 Ta， 则当 TjTa 时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率） ，可表示为 P = KT（Tj Ta） 。 1.4 响应时间响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示 LCD（液晶显示）约 10-310-5S，CRT、PDP、LED 都达到 10-610-7S（us 级） 。 1.响应时间从使用角度来看，就是

29、 LED 点亮与熄灭所延迟的时间，即图 3 中 tr 、tf 。图中 t0 值 很小，可忽略。 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。LED 的点亮时间上升时间 tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的 10%开始，一直到发光亮度达到正常值的 90%所经历的时 间。LED 熄灭时间下降时间 tf 是指正常发光减弱至原来的 10%所经历的时间。 不同材料制得的 LED 响应时间各不相同； GaAs、 如 GaAsP、 GaAlAs 其响应时间10-9S， GaP 为 10-7 S。因此它们可用在 10100MHZ 高频系统。 2 LED 光学特性 发光二极管有红外（非可见）与可见光

30、两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学 特性。 2.1 发光法向光强及其角分布 I 2.1.1 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量应用要求是圆柱、 圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为 90。 当偏离正法向不同 角度， 光强也随之变化。 发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。 2.1.2 发光强度的角分布 I 是描述 LED 发光在空间各个方向上光强分布。 它主要取决于封装的工 艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否） 为获得高指向性的角分布（如图 4） LED 管芯位置离模粒头远些；

31、使用圆锥状（子弹头）的模粒头； 封装的环氧树脂中勿加散射剂。 采取上述措施可使 LED 21/2 = 6左右，大大提高了指向性。 当前几种常用封装的散射角(21/2 角)圆形 LED：5、10、30、45。 2.2 发光峰值波长及其光谱分布 LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线光谱分布曲线。当此 曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。 LED 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及 pn 结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有 关，而与器件的几何形状、封装方式无关。 下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得 LED 光谱响应曲线。其中 是

32、蓝色 InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰 p = 460465nm； 是绿色 GaP:N 的 LED，发光谱峰 p = 550nm； 是红色 GaP:Zn-O 的 LED，发光谱峰 p = 680700nm； 是红外 LED 使用 GaAs 材料，发光谱峰 p = 910nm； 是 Si 光电二极管，通常作光电接收用。 由图可见，无论什么材料制成的 LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大） ，与之相对应有 一个波长，此波长叫峰值波长，用 p 表示。只有单色光才有 p 波长。 谱线宽度：在 LED 谱线的峰值两侧 处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点， 此两点分别对应 p-

33、，p+ 之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度 反映谱线宽窄，即 LED 单色性的参数，LED 半宽小于 40 nm。 主波长： 有的 LED 发光不单是单一色， 即不仅有一个峰值波长； 甚至有多个峰值， 并非单色光。 为此描述 LED 色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由 LED 发出主要单色光 的波长。单色性越好，则 p 也就是主波长。如 GaP 材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一 个，它会随着 LED 长期工作，结温升高而主波长偏向长波。 2.3 光通量 光通量 F 是表征 LED 总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F 为 LED 向各个方向发

34、光 的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED 光通量随之增大。可见光 LED 的光通 量单位为流明（lm） 。 LED 向外辐射的功率光通量与芯片材料、 封装工艺水平及外加恒流源大小有关。 目前单色 LED 的光通量最大约 1 lm，白光 LED 的 F1.51.8 lm（小芯片） ，对于 1mm1mm 的功率级芯 片制成白光 LED，其 F=18 lm。 2.4 发光效率和视觉灵敏度 LED 效率有内部效率 （pn 结附近由电能转化成光能的效率） 与外部效率 （辐射到外部的效率） 。 前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED 光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与 输

35、入电能之比，即发光效率。 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在 = 555nm 处有一个最大值 680 lm/w，若视觉灵敏度记为 K，则发光能量 P 与可见光通量 F 之间关系为 P=Pd ； F=KPd 发光效率量子效率 =发射的光子数/pn 结载流子数=（e/hcI）Pd。若输入能量为 W=UI，则发光能量效率 P=P/W 若光子能量 hc=ev，则 P，则总光通 F=（F/P）P=KPW 式中 K= F/P。 流明效率：LED 的光通量 F/外加耗电功率 W=KP 它是评价具有外封装 LED 特性，LED 的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大， 故也叫

36、可见光发光效率。 以下列出几种常见 LED 流明效率（可见光发光效率）：品质优良的 LED 要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上， LED 向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为 =ice，式中 i 向为 p、n 结区少 子注入效率，c 为在势垒区少子与多子复合效率，e 为外部出光（光取出效率）效率。 由于 LED 材料折射率很高 i3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂 直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占 32%，鉴于晶体本 身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。为了进

37、一步提高外部出光效率 e 可 采取以下措施： 用折射率较高的透明材料（环氧树脂 n=1.55 并不理想）覆盖在芯片表面； 把芯片晶体表面加工成半球形； 用 Eg 大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。 有人曾经用 n=2.42.6 的低熔点玻璃成 分 As-S(Se)-Br(I)且热塑性大的作封帽，可使红外 GaAs、GaAsP、GaAlAs 的 LED 效率提高 46 倍。 2.5 发光亮度亮度是 LED 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度 BO=IO/A，指定某 方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为 cd/m2 或

38、Nit。若光源表面是理想漫反射面，亮度 BO 与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为 7000Nit（尼特） ，从地面看太阳表面亮度约为 14108Nit。 LED 亮度与外加电流密度有关，一般的 LED，JO（电流密度）增加 BO 也近似增大。另外，亮度 还与环境温度有关，环境温度升高，c（复合效率）下降，BO 减小。当环境温度不变，电流增大 足以引起 pn 结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。 2.6 寿命 老化：LED 发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源 的大小有关，可描述为 Bt=BO e-t/，Bt 为 t 时间后的亮度，BO 为初

39、始亮度。 通常把亮度降到 Bt=1/2BO 所经历的时间 t 称为二极管的寿命。测定 t 要花很长的时间，通常以 推算求得寿命。测量方法：给 LED 通以一定恒流源，点燃 103 104 小时后， 先后测得 BO ， Bt=100010000，代入 Bt=BO e-t/ 求出 ；再把 Bt=1/2BO 代入，可求出寿命 t。 长期以来总认为 LED 寿命为 106 小时，这是指单个 LED 在 IF=20mA 下。随着功率型 LED 开 发应用，国外学者认为以 LED 的光衰减百分比数值作为寿命的依据。 如 LED 的光衰减为原来 35%，寿命6000h。 3 热学特性 LED 的光学参数与

40、pn 结结温有很大的关系。 一般工作在小电流 IF10mA， 或者 1020 mA 长 时间连续点亮 LED 温升不明显。 若环境温度较高，LED 的主波长或 p 就会向长波长漂移，BO 也会下降，尤其是点阵、大显示 屏的温升对 LED 的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。 LED 的主波长随温度关系可表示为：由式可知，每当结温升高 10，则波长向长波漂移 1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于 作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意 用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保 LED 长期工作。第二讲 照明用 LED 驱动电源设计基础L

41、ED 的排列方式及 LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED 驱动器的主要功能就是在一 定的工作条件范围下限制流过 LED 的电流， 而无论输入及输出电压如何变化。 最常用的是采用变 压器来进行电气隔离。文中论述了 LED 照明设计需要考虑的因素 一、LED 驱动器通用要求 驱动 LED 面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、 不同供应商的 LED 正向电压也会有差异； 另外， LED 的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。 另外，应用中通常会使用多颗 LED，这就涉及到多颗 LED 的排列方式问题。各种排列方式中， 首 选驱动串联的单串 L

42、ED， 因为这种方式不论正向电压如何变化、 输出电压(Vout)如何“漂移” ， 均提供极佳的电流匹配性能。当然，用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式，用于需要“相互匹配 的”LED 正向电压的应用，并获得其它优势。如在交叉连接中，如果其中某个 LED 因故障开路， 电路中仅有 1 个 LED 的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。LED 的排列方式及 LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED 驱动器的主要功能就是在一 定的工作条件范围下限制流过 LED 的电流， 而无论输入及输出电压如何变化。LED 驱动器基本 的工作电路示意图如图 2 所示，其中所谓

43、的“隔离”表示交流线路电压与 LED(即输入与输出)之间 没有物理上的电气连接，最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离”则没有采用高频变压器来 电气隔离。值得一提的是， 照明设计中， 电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配 值得一提的是，在 LED 照明设计中，AC-DC 电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配 置： 1)整体式(integral)配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效 及简化安装等； 2)分布式(distributed)配置，即两者单独存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。 LED 驱动器根据不同的应用要求，可以采用恒定电压(

44、CV)输出工作，即输出为一定电流范围下钳 位的电压；也可以采用恒定电流(CC)输出工作，输出的设计能严格限定电流；也可能会采用恒流 恒压(CCCV)输出工作，即提供恒定输出功率，故作为负载的 LED 的正向电压确定其电流。总的来看， 照明设计需要考虑以下几方面的因素： 总的来看，LED 照明设计需要考虑以下几方面的因素： 输出功率：涉及 LED 正向电压范围、电流及 LED 排列方式等 电源：AC-DC 电源、DC-DC 电源、直接采用 AC 电源驱动? 功能要求：调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制 其他要求：能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性

45、等? 更多考虑因素：机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等?二、LED 驱动电源的拓扑结构 采用 AC-DC 电源的 LED 照明应用中，电源转换的构建模块包括二极管、开关(FET)、电感及电 容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。 电路中通常加入了变压器的隔离型 AC-DC 电源转换包含反激、 正激及半桥等拓扑结构， 参见图 3， 其中反激拓扑结构是功率小于 30 W 的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更 高能效/功率密度。 就隔离结构中的变压器而言， 其尺寸的大小与开关频率有关， 且多数隔离型 LED 驱动器基本上采用“电子”

46、变压器。采用 DC-DC 电源的 LED 照明应用中，可以采用的 LED 驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关 稳压器等，基本的应用示意图参见图 4。电阻型驱动方式中，调整与 LED 串联的电流检测电阻即 可控制 LED 的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容(EMC)问题，劣势是 依赖于电压、需要筛选(binning) LED，且能效较低。线性稳压器同样易于设计且没有 EMC 问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，且提供外 部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压 器通过 PWM 控制模块不断控制开关(FET)的开

47、和关，进而控制电流的流动。开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高， 且存在电磁干扰(EMI)问题。LED DC-DC 开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压 (Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SEPIC)等不同类型。其中，所有工作条件下最低输入电压都大于 LED 串最大电压时采用降压结构，如采用 24 Vdc 驱 动 6 颗串联的 LED；与之相反，所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结 构，如采用 12 Vdc 驱动 6 颗串联的 LED；而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采

48、用降压升压或 SEPIC 结构，如采用 12 Vdc 或 12 Vac 驱动 4 颗串联的 LED，但这种结构的成本及能 效最不理想。 采用交流电源直接驱动 LED 的方式近年来也获得了一定的发展， 其应用示意图参见图 5。这种结 构中 LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且 LED 在线路电压大于正向电压时才导通。这种 结构具有其优势，如避免 AC-DC 转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中 LED 在低频开关， 故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入 LED 保护措施，使其免受线路浪 涌或瞬态的影响。三、 功率因数校正 美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERG

49、YSTAR)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制 提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应 用的 LED 驱动器功率因数须大于 0.7，而商业应用中则须大于 0.9；但是，这标准属于自愿性标 准。 欧盟的 IEC61000-3-2 谐波含量标准中则规定了功率大于 25 W 的照明应用的总谐波失真性 能，其最大限制相当于总谐波失真(THD)0.94。 虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如 公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入 /维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常0.95+)。PFC 技术包括无源 PFC 及有源 PFC 两种。无源 PFC 方案的体积较大，需要增加额外的元件来 更好地改变电流波形，能够达到约 0.8 或更高的功率因数。其中，在小于 5 W 至 40 W 的