LED照明燈的設(shè)計制作 精品.doc

1引 言1.1半導體照明光源的提出隨著全球能源價格的飛漲和供應不穩(wěn)定，世界各國紛紛尋求各種節(jié)能方法，以減輕對能源的過度依賴。這其中，占電能終端消費量近20的照明用電很有發(fā)掘潛力。據(jù)檢索，20XX年中國累計發(fā)電21870億度，照明用電約占其中的15；美國20XX年照明用電6000億度，占發(fā)電總量的約20。由于人們生活對電的嚴重依賴以及對電力需求量的逐年攀升，電力供應不足或中斷會對人們生活造成巨大的影響，近年來中國不斷惡化的拉閘限電趨勢以及2000年美國和加拿大的大停電等都說明了這一點?，F(xiàn)在，隨著半導體發(fā)光技術(shù)的進步，人們將照明節(jié)電的希望寄托在一種新型的照明光源固態(tài)照明光源（Solid State Lighting,SSL）上。SSL主要包括無機發(fā)光二極管（Light Emitting Diodes, LED）和有機發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diodes, LED）。目前LED的亮度較OLED高，其發(fā)光效率和發(fā)光量提高很快，特別是可用作照明的大功率發(fā)光二極管（High-Power Light Emitting Diodes），其發(fā)光效率已經(jīng)超過白熾燈，并向熒光燈的水平邁進，單顆芯片的輸入功率已可達5W，甚至10W的水準，而其發(fā)光量已超過100流明。作為充滿希望的新一代照明光源，LED具有很多特點：它不依靠燈絲發(fā)熱來發(fā)光，能量轉(zhuǎn)化效率非常高，理論上可以達到白熾燈10%的能耗，相比熒光燈，LED也可以達到50%的節(jié)能效果；LED為固體封裝，結(jié)構(gòu)牢固，使用壽命長達10萬小時以上，是熒光燈的10倍，且廢棄物不含汞，不會造成二次污染。根據(jù)美國光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會（OIDA）的研究，LED照明光源潛在的優(yōu)點包括：到2025年，估計全球范圍內(nèi)由于使用SSL而將節(jié)約50的照明電能，沒有任何一種其它的電能消耗行業(yè)具有如此大的節(jié)能潛力。由于大多數(shù)電能來自燃燒礦物燃料，因此節(jié)約的電能就相當于每年少向大氣中排放幾億噸的碳化物（CO，CO2等）等污染源。不僅減輕對環(huán)境的壓力，還能節(jié)約對電站的投資和巨大的照明支出費用。SSL代表了一種新型的照明光源，它將改變?nèi)藗儗θ斯ふ彰鞴庠吹目捶?，并?chuàng)造一個年產(chǎn)值近500億美元的產(chǎn)業(yè)。燈光設(shè)計師能將結(jié)構(gòu)精巧、式樣新穎的LEDs以面陣列的形式，以任何圖案和外形組裝在門上、墻上、天花板上，甚至嵌入在家具中，形成無器具感的明亮均勻照明。因此，作為一種新型綠色照明光源，LED，特別是有望進入通用照明領(lǐng)域的大功率白光LED引起了人們廣泛的關(guān)注和深入的研究，它很有可能在不久的將來取代熒光燈等傳統(tǒng)光源，成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈和高壓放電燈（High Intensity Discharge，HID）之后的第四代人工照明光源。1.2 LED的特性1.2.1 LED發(fā)光原理發(fā)光二極管是由族化合物，如GaAs、AlGaInN、GaAsP等半導體材料在襯底（藍寶石，硅或SiC等）上外延生長而成，通常采用雙異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)，其核心是PN結(jié)。PN結(jié)是攜帶電子的n型半導體和攜帶空穴的p型半導體間的過渡層。當p層加上正向電壓而n層加上負向電壓，電子就從n層流入p層，空穴從p層遷入n層。在p層中電子較少而存在大量的空穴，反之在n層中，空穴較少而存在大量的電子。這些電子與空穴的區(qū)別是其能量與動量的不同，能量之差稱之為半導體材料禁帶寬度Eg。導帶中的電子與價帶中的空穴相互復合時，要釋放出多余的能量。放出能量的方式有兩大類： 射光子，成為輻射復合；不發(fā)射光子，成為非輻射復合，最后轉(zhuǎn)換為熱能或激發(fā)別的載流子。在熱平衡狀態(tài)下存在著熱激發(fā)與載流子間復合的平衡。由于不管是p區(qū)還是n區(qū)中少數(shù)載流子（少子）密度都很小，這種復合是很弱的。即使有輻射復合，由于材料的本征吸收，從外部是觀察不到光發(fā)射的。必須在半導體內(nèi)激發(fā)載流子，形成不平衡載流子，即需正向電流注入，它們的復合才會導致顯著的光發(fā)射,實現(xiàn)電能向光能的直接轉(zhuǎn)換，如圖1-1所示。圖1-1 LED發(fā)光原理圖為了獲得高的發(fā)光效率，需要保證以下幾點：無輻射復合的壽命要長于輻射復合的壽命，為此需要提高少子的密度；要使晶體中的缺陷密度盡可能少而使注入的載流子密度高，一般是把帶隙寬度小的發(fā)光層夾到禁帶寬度大的層內(nèi)，制成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示。理論和實踐證明，光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即 （nm），式中Eg的單位為電子伏特（eV），若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導體材料的Eg應在3.261.63eV之間。目前已開發(fā)出發(fā)射紅外、紅、黃、綠及藍光的發(fā)光二管，其中藍光二極管是近來人們研究的重點，它具有輸入功率大、發(fā)光亮度高、易于轉(zhuǎn)換得到白光等優(yōu)點，是大功率發(fā)光二極管的主要代表。1.2.2 LED的優(yōu)點LED是一種新型的光源，目前廣泛用于指示性照明和特種照明市場上，隨著性能的不斷提高，正向通用照明光源的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)人工照明光源相比，LED照明光源具有很多優(yōu)點，其發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮螅篈發(fā)光效率高：基于特別的材料構(gòu)成，在電子轉(zhuǎn)移的過程中，LED釋放的能量主要集中在可見光范圍內(nèi)，不像鎢絲燈發(fā)出的電磁能很多集中在紅外線區(qū)，令人感覺到非常熱。也就是說，理論上LED幾乎能把所有的電能都轉(zhuǎn)化為光能，而白熾燈的可見光效率僅為10-20%?，F(xiàn)在商品化的LED的發(fā)光效率已超過35流明每瓦，這幾乎是鎢絲燈泡的兩倍。B光線質(zhì)量高：由于光譜中幾乎沒有紫外線和紅外線，故沒有輻射，產(chǎn)生的熱量很小，LED屬于典型的綠色照明光源。C光色純：與白熾燈全頻段光譜不同，典型的LED光譜狹窄，發(fā)出的光線很純。D LED光源顏色豐富：既有白色的LED，也有發(fā)各種單色光的LED，而且顏色飽和度高，在需要色光的場合，不再需要用濾色片來進行濾光，有利于節(jié)約電能。E能耗?。簡误wLED的功率一般在0.05-3W，通過集群方式可以量體裁衣地滿足不同的需要，浪費很少。F壽命長：目前光通量衰減到70%的標稱壽命為10萬小時，遠遠高于白熾燈的1500小時和熒光燈的1萬小時。G可靠耐用：沒有鎢絲、玻殼等容易損壞的部件，非正常報廢的可能性很小，維護費用極為低廉。H應用靈活：體積小，可平面封裝，易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品，目前封裝后LED的厚度可小于1mm，易于做成點、線、面等各種形式的具體應用產(chǎn)品。I綠色環(huán)保：廢棄物可回收，沒有污染，不像熒光燈含有汞等有害成分。1.2.3 LED的發(fā)展與分類最早應用半導體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀60年代初。當時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（p=650nm），在驅(qū)動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發(fā)光效率約0.1 lm/W。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生了綠光（p=555nm）、黃光（p=590nm）和橙光（p=610nm），光效也提高到1 lm/W。到80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10lm/W。進入20世紀90年代，隨著氮化物LED的發(fā)明，LED的發(fā)光效率有了質(zhì)的飛躍，而組成白光的重要原色藍光，也在1992年由日本著名LED企業(yè)日亞化學的中村修二發(fā)明7。這樣整個可見光波譜內(nèi)的單色LED已經(jīng)完整，能夠滿足各種單色發(fā)光的應用場所。A發(fā)光顏色從出光顏色上可分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光、白光等。B按發(fā)光強度分按發(fā)光強度分有普通亮度的LED(發(fā)光強度l00mcd)，發(fā)光強度在10000mcd以上的稱超高亮度發(fā)光二極管。C按發(fā)光管出光面特征分按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為2mm,4.4mm,5mm,8mm,10mm及20mm等。人們通常把3mm的LED記作T-1，把5mm的記作T-1(3/4)。D按發(fā)光強度角來分從發(fā)光強度角分布圖來分有三種：高指向型，標準型和散射型。高指向型一般為尖頭形環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑，半強度角為50-200或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用；標準型的半強度角為200-450，通常作指示燈用；而散射型的半強度角為450-900或更大，散射劑的量較大。1.3 LED照明現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢LED的研制起始于上世紀六十年代，隨著技術(shù)的進步，其出光顏色的種類、芯片尺寸、發(fā)光效率、輸入功率和封裝結(jié)構(gòu)等都有了很大的飛躍。最初，LED的發(fā)光量很小，主要采用支架式封裝，應用于電子電氣、自動化系統(tǒng)、家用電氣和交通運輸工具等上面作指示性照明。進入90年代，隨著LED制造材料的革新、工藝的改進和生產(chǎn)規(guī)模的提高，AlGaInP等超高亮度LED逐漸進入市場并占據(jù)重要地位。1998年，藍色和白光LED研制成功，LED照明進入了實施階段。此后國內(nèi)外科研機構(gòu)對高亮度LED器件中存在的散熱、光衰和顯色指數(shù)的控制等重大問題進行了深入的研究，獲得了很大的進步，其發(fā)光效率迅速提高，高亮度LED顯示出在照明領(lǐng)域的巨大潛力。1.3.1大功率LED的研發(fā)計劃如上所述，LED照明光源具有非常多的優(yōu)點，特別是自1998年白光LED發(fā)明后，人們認識到了大功率白光LED在普通照明領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿?，紛紛加大研究投入，從而掀起了了一場新的產(chǎn)業(yè)革命照明革命，其標志是半導體燈逐步替代白熾燈和熒光燈?？茖W界預測，到20XX年，光電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達到電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值水平；20XX年至20XX年，光電子產(chǎn)業(yè)可能會取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)，成為21世紀最大的產(chǎn)業(yè)，并成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力的重要標志。因此各國紛紛制定了相應的扶持發(fā)展半導體照明的計劃：日本于1998年在世界率先開展“21世紀照明”計劃，旨在通過使用長壽命、更薄更輕的GaN高效藍光和紫外LED，使得照明的能量效率提高到傳統(tǒng)熒光燈的兩倍，減少CO2的產(chǎn)生，并在20XX年完成用LED替代50%的傳統(tǒng)照明光源的目標9。整個計劃的財政預算為60億日元。從1998-20XX年，耗資50億日元的第一期目標已經(jīng)完成?，F(xiàn)在，日本正在實施第二期計劃，計劃到20XX年將LED的發(fā)光效率提高到120 lm/W。美國能源部于20XX年7月提出了“新一代照明光源計劃”，決定從200020XX年投入5億美元，用于LED照明光源的開發(fā)與應用研究。為了指導LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美國光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會（OIDA）制定了相應的技術(shù)路線圖，計劃到20XX年，將LED的發(fā)光效率提高到200lm/W，而照明成本降低到3美元，如下表。歐盟于2000年7月啟動了扶持半導體照明發(fā)展的“彩虹計劃”，決定通過歐盟的補助金來推廣白光發(fā)光二極管的應用。希望通過該計劃實現(xiàn)高效、節(jié)能、不使用有害環(huán)境的材料、模擬自然光的半導體照明。韓國則推出了“GaN半導體開發(fā)計劃”，擬從2000年至20XX年，由政府投入4.72億美元，企業(yè)投入7.36億美元來進行該計劃的開發(fā)實施。其研究項目包括以GaN為研究材料的白光LED，藍、綠光激光二極管及高功率電子組件三大領(lǐng)域。中國大陸于20XX年6月17日，由中國科技部牽頭成立了跨部門、跨地區(qū)、跨行業(yè)的“國家半導體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導小組”，提出了我國實施半導體照明工程的總體方針，并緊急啟動半導體照明產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)重大項目，要求在十五計劃底，結(jié)合制定國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃和第十一個科技五年計劃，研究提出中國半導體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體戰(zhàn)略和實施方案。從20XX年的“十一五”開始，國家將把半導體照明工程作為一個重大工程進行推動，這對于節(jié)約能源，保護環(huán)境，提高照明質(zhì)量具有重要的意義。除了各國政府制定的宏觀發(fā)展計劃，在這場照明變革中，各大相關(guān)企業(yè)也推出了自己的研發(fā)計劃。世界三大照明工業(yè)巨頭通用電氣（GE）、飛利浦（Philips）和歐斯朗(OSRAM)集團都已經(jīng)啟動了大規(guī)模商用開發(fā)計劃，紛紛與半導體公司合作或進行并購，成立半導體照明企業(yè)：全球最大的照明光源廠商Philips lighting公司于1999年7月與美國HP-Agilent技術(shù)公司合作投資1.5億美元，成立了Lumileds公司致力于白光LED研發(fā)工作，其Luxeon系列高亮度LED已經(jīng)取得了重大進展，生產(chǎn)的芯片尺寸為1平方毫米、功率為1w和5w的白光LED光通量分別達到45lm和180lm；美國Cree、德國Siemens光電公司與Osram GmbH聯(lián)合，進行白光LED光源的開發(fā)研究工作；日本的Toshiba和Honda也進行LED聯(lián)合研發(fā)等。1.3.2 LED應用于照明的發(fā)展LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應用還是新技術(shù)。自1998年白光LED研制成功以后，LED照明才真正進入了實施階段。在各國半導體照明發(fā)展計劃的大力激勵下，各研究實體加倍努力，可應用于照明的高亮度LED的性能獲得了很快的提高。目前單顆高亮度白光LED芯片的發(fā)光效率已超過50lm/W，而輸入功率則超過3W。其實在LED產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，也有類似微電子領(lǐng)域的摩爾定律。安捷倫的前任技術(shù)科學家Roland Haitz預測，LED的價格每十年將為原來的十分之一，性能則提高二十倍，這個預測后來被業(yè)界稱為Haitz定律，如圖1-3所示。這個預測給未來的LED照明產(chǎn)業(yè)預示了無限美好的前景，特別在目前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED照明光源給人們更多的期待。圖1-3 Haitz預測的LED性能與價格發(fā)展趨勢LED應用于照明領(lǐng)域，涉及到材料器件研制、散熱設(shè)計、光學結(jié)構(gòu)設(shè)計、封裝材料以及測試方法等眾多科技領(lǐng)域。目前LED照明光源已經(jīng)在特種照明領(lǐng)域獲得了廣泛的應用，比如應急照明、裝飾照明、景觀照明等，但進入通用照明領(lǐng)域才是發(fā)揮LED巨大節(jié)能潛力的目標。隨著LED性能的迅速提高，價格的不斷下降，LED光源取代白熾燈和熒光燈必將很快實現(xiàn)。我國是照明燈具生產(chǎn)大國，在這場興起的半導體照明變革中，一定要抓住機會?？萍疾俊皣野雽w照明工程”計劃20XX年半導體照明逐步取代白熾燈，20XX年后取代熒光燈。據(jù)推測，在汽車尾燈、交通燈、公共設(shè)施以及家庭照明需求的帶動下，20XX-20XX年我國高亮度發(fā)光管芯市場規(guī)模將保持年均將近25的增長速度，到20XX年我國高亮度LED管芯市場將會突破20億元。1.4相關(guān)光度學參數(shù)簡LED照明涉及到光度學方面的知識，先做一介紹。光度學是1706年由朗伯建立的,它是研究光的發(fā)射、傳播、吸收和散射等過程中光的計量問題的學科，也即對可見光的能量計量的學科，研究各種光量，如發(fā)光強度、光通量、照度等的定義及其單位的選定，以及它們之間的關(guān)系等。了解光度學中相關(guān)的參數(shù)是光源計量與設(shè)計的基礎(chǔ)。視見率：又稱“光譜光視效率”,表示不同波長的光對人眼的視覺靈敏度。能引起人視覺感應的可見光波長在380780nm之間,實驗表明：正常視力的觀察者，對波長5.5510-7米(555nm)的黃綠色光最敏感，而對紫外光和紅外光，則無視力感覺。取人眼對波長為5.5510-7米的黃綠光的視見率為1，其他波長的可見光的視見率均小于1，紅外光和紫外光的視見率為零。某波長的光的視見率與波長為5.510-7米的黃綠光視見率的比稱為該波長的相對視見率。光通量：人眼所能感覺到的輻射能量，反映了一個光源所發(fā)出的光輻射能所引起的人眼光亮感覺的能力。它等于單位時間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積，單位為流明(lm)：光通量(lm)=683視見率輻射能量(W)。1.5本課題的研究內(nèi)容大功率LED作為半導體照明光源的代表，其技術(shù)進展及應用受到人們注。隨著發(fā)光效率的提高和輸入功率的增加，高亮度LED已進入景觀照明明領(lǐng)域，并逐漸向通用照明市場發(fā)展。本課題主要圍繞高亮度LED照明光和電、光度特性參數(shù)的測試進行研究，并對其封裝熱阻的計算作了探討，為源在通用照明領(lǐng)域的應用作了必要的初步探索。本課題的研究內(nèi)容主要集中在以下幾個方面：1)論述LED封裝發(fā)展趨勢；2)組裝幾種LED光源樣品并測試、評價其性能；3)關(guān)注LED發(fā)熱問題，探討改善其散熱能力的方法并實際制作出幾種不同的散熱器。4)對大功率LED的聚光問題進行初步研究。2 LED的封裝與組裝LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來的，但是作為發(fā)光器件，LED的封裝又有自己的特點：LED封裝不但要完成電信號的輸入輸出，保護芯片在正常的電流下工作，還得維持工作狀態(tài)下芯片的溫度不超過允許的范圍，這對于功率型LED的封裝來說顯得尤為重要；另外封裝結(jié)構(gòu)和材料要有利于提高出光效率，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)電性能和發(fā)光效率的最優(yōu)化。2.1 LED封裝方法的分類LED的封裝形式很多，主要包括支架式封裝、普通片式封裝、雙列直插式封裝、功率型封裝（芯片工作電流If200mA）和多芯片封裝等：1.支架式封裝始于二十世紀七十年代，這種封裝不僅可以保護發(fā)光芯片，而且支架上的反光碗可以起到反光、聚光作用，其子彈頭型的環(huán)氧樹脂可以起到透鏡的作用。這種封裝形式的LED是典型的點狀光源，最適合作指示燈用，而且生產(chǎn)插件時極其方便，但是其封裝熱阻比較高。2.普通片式封裝迎合了封裝微型化和表面貼裝技術(shù)的要求，主要型號有0402、0603、0805、1206、1210等，封裝厚度一般在1mm以下，最薄的封裝厚度只有0.4mm,因此在手機、PDA等便攜式電子產(chǎn)品中廣泛作為按鍵和屏幕的背光照明。3.雙列直插式封裝采用類似IC封裝的銅質(zhì)陰線框架固定芯片，并在焊接電極陰線后用透明環(huán)氧材料包封，如“食人魚”式封裝。這種封裝芯片熱散失較支架式好，熱阻低，LED的輸入功率可達0.1-0.5W。4.功率型封裝是為了適應大光通量的要求而發(fā)展起來的。因為對于普通照明，要求其光通量足夠大，一般在幾百流明以上。比如40W的白熾燈能發(fā)出約600流明的光通量，而一個40W的普通熒光燈發(fā)出的光通量超過3000流明。功率型封裝采用的是大尺寸LED芯片（如邊長40mil），其工作電流一般在200mA以上，可輸出幾十流明的光通量。輸入功率的不斷增加使得散熱問題變得非常突出，因此功率型封裝中LED芯片多為倒裝式互連以提高散熱性能。倒裝型LED由于采用的是厚而不透明的金屬接觸層作為電流擴展層，因而與傳統(tǒng)的正裝型LED相比，它能夠在大的工作電流下工作并保持很高的可靠性，同時，封裝到硅基板上后，由于芯片的激發(fā)區(qū)更靠近熱沉，元件產(chǎn)生的熱量能很快從導電金屬層通過焊料傳遞到熱沉而散失掉，有利于保持較高的發(fā)光效率。5.為了進一步提高單個元件的光通量并降低封裝成本，近來出現(xiàn)了多芯片封裝技術(shù)并獲得了很大的發(fā)展。20XX年，Lamina Ceramics公司推出了自己的專利封裝技術(shù)多層低溫陶瓷金屬基燒結(jié)(LTCC-M)技術(shù)，生產(chǎn)出集成度很高的LED陣列。通過倒裝封裝工藝，該多芯片組裝器件的發(fā)光亮度在840cd/in2以上，流明效率超過40lm/W，而使用壽命長達10年，并且能在較高的溫度環(huán)境下正常工作。美國UOE公司研制的NORLUX系列大功率LED也為多芯片組合封裝結(jié)構(gòu)，它采用六角形鋁基金屬線路板作為熱沉，直徑為1.25英寸，發(fā)光區(qū)位于中心，可在金屬線路板上排列多達40個超高亮度倒裝型LED芯片，包括AlGaInN和AlGaInP，它們的發(fā)射光可為單色、彩色（RGB）或白色（RGB三基色合成或藍色黃色二元色合成)。20XX年2月，美國OPTEK公司推出了最新型的3D封裝的高亮度LED光源16，它的輸入功率為10W，輸出光通量為330流明，而視角則達到了120度。這些多芯片組合封裝的功率型LED不僅集成度高，散熱性能良好，而且可在大電流下工作，具有很高的光輸出量，是一種很有發(fā)展前途的LED光源封裝模式。2.2功率型LED封裝存在的問題作為新型照明光源，LED的發(fā)展?jié)摿κ俏鹩怪靡傻摹Ｈ藗兘诘哪繕耸菍⑵浒l(fā)光效率和光通量提高到現(xiàn)有照明光源的水平，這期望于功率型LED和多芯片封裝技術(shù)。但目前功率型LED封裝還存在一些問題有待解決，比如散熱效率低和成本過高，另外靜電防護和新出現(xiàn)的無鉛化互連等問題也需注意。散熱一直是制約功率型LED發(fā)展的首要問題。根據(jù)美國OIDA發(fā)展規(guī)劃，到20XX年，每個LED單元的發(fā)光量將達1000流明，發(fā)光效率為150lm/W，因此需要的輸入功率為7瓦，這其中由于產(chǎn)生熱量而浪費的功率將達4瓦（(1klm)/(400lm/W150lm/W)），這還不考慮其它的能量損失，假如驅(qū)動電路與發(fā)光單元是集成的，那么還得算上30以上的能量損失。雖然這個數(shù)值不大，但是由于必須在很小的芯片面積（約為0.017cm2(1klm/(400W/cm2150lm/W)上散失到周圍環(huán)境中，因此它的熱流量將達到235W/cm2，這是常規(guī)微處理芯片所產(chǎn)生熱流量的45倍！如此大的熱通量必須及時的散失掉，因為LED的發(fā)光效率嚴重依賴于溫度，當結(jié)點溫度升高到一定水平后，會發(fā)生明顯的顏色漂移以及發(fā)光效率下降等現(xiàn)象。成本過高是LED光源面臨的另一個挑戰(zhàn)。目前單顆1W LED元件的價格在15元左右，3W的價格在20元以上，標稱發(fā)出的光通量分別為35lm和80lm。而一個出光量為3000多流明的40W熒光燈的價格卻不到10元。因此還需不斷提高LED元件的光通量，同時快速降低其價格。上述的多芯片封裝技術(shù)有望加速LED照明光源進入通用照明市場。靜電防護在功率型LED封裝中是十分重要的。由于芯片的正負電極均位于芯片的同一個面上，間距很?。粚τ贗nGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活化層的厚度僅幾十納米，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，需要從電路設(shè)計、工藝操作以及附加保護器件上來保護功率型LED免遭靜電的損害。芯片輸入功率的提高還帶來一個新的問題熱遷移。因為LED芯片的功率密度非常大，而目前LED的發(fā)光效率較低，因此大量的電能轉(zhuǎn)化為了熱量。這些熱量在微小的芯片上產(chǎn)生很大的熱流密度，使得芯片與基板間形成一個較高的溫度梯度。由于原子在高低溫下的遷移速度不同，從而導致原子形成定向移動，引起器件互連失效。2.3封裝發(fā)展趨勢隨著大功率LED芯片性能的迅速提高，功率型LED的封裝技術(shù)不斷改進以適應形勢的發(fā)展，如圖2-5所示：從開始的引線框架式封裝到多芯片陣列組裝，再到如今的3D陣列式封裝，其輸入功率不斷提高，而封裝熱阻顯著降低。根據(jù)美國光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(OIDA)制定的目標，到20XX年，LED的發(fā)光效率將提高到150 lm/W，輸入功率密度達到400W/cm2，而成本則降到熒光燈的水平。為了實現(xiàn)這些目標，進一步改善LED封裝的熱管理將是關(guān)鍵之一，另外芯片設(shè)計制造與封裝工藝的有機融合也非常有利于產(chǎn)品性價比的提升，如美國Cree公司與Berkeley國家實驗室合作，開發(fā)出了光通量超過1000 lm，發(fā)光效率達57 lm/W的LED燈泡，并已進入商業(yè)應用；隨著表面貼裝技術(shù)(SMT)在工業(yè)上的大規(guī)模應用，采用透明型封裝材料和功率型MOSFET封裝平臺將是LED封裝發(fā)展的一個方向，功能集成(比如驅(qū)動電路)也將進一步的推動LED封裝技術(shù)的發(fā)展。以前應用于其它學科中的技術(shù)也可能在未來LED照明光源的封裝中找到舞臺，如新興的流體自組裝（Fluidic Self-Assembly，F(xiàn)SA）技術(shù)等。2.4新穎的LED陣列封裝技術(shù)流體自組裝功率型LED封裝采用的是大尺寸、高輸入電流的芯片。芯片尺寸的增大使得比表面積下降，出光效率降低，同時大的輸入電流會產(chǎn)生更多的集中熱量，這加劇了封裝散熱的負擔，影響了芯片性能的正常發(fā)揮。因此，人們設(shè)想能否采用發(fā)光效率高、散熱性能好的小尺寸LED芯片(比如0.30.3mm2)進行陣列式封裝，這不但能提高元件的發(fā)光效率，而且能形成高光通量的面光源，并有利于成本的降低。但是，芯片陣列封裝技術(shù)的要求很高，目前一種以流體作為工作介質(zhì)的流體自組裝技術(shù)（FSA）受到了人們的關(guān)注。FSA具有并行地、大批量地、高精度地將LED芯片組裝到基板上的能力，而且操作簡單靈活、散熱性能良好，有望實現(xiàn)多LED芯片的陣列式封裝。2.4.1 FSA的基本特征FSA是指在無人工干預的情況下，微元件（比如LED芯片）在載體溶液中依靠溶液的流動，自行完成與基板相應組裝位置的對位組裝方式。組裝系統(tǒng)一般包括四個組成部分：微元件、組裝基板、載體溶液和粘結(jié)材料。其中選用的粘結(jié)材料只與互連的微元件/基板表面形成良好的潤濕，而不能潤濕其它表面。FSA源于分子生物學中的電泳技術(shù)，其工藝過程為：首先批量制造出一定外形的微元件，同時在基板上刻蝕出相應外形的組裝點，并在互連位置涂上焊料；然后將過量的微元件分散懸浮在特定的載體溶液中，溶液的溫度使焊料處于熔融狀態(tài)；在外力攪拌的作用下，微元件就在基板組裝點周圍移動，并隨機地接近某個對應的組裝點；微元件在自身重力、液態(tài)粘結(jié)材料的毛細管力和表面張力等的作用下，經(jīng)過定位、定向而非常精確地連接到組裝點上；最后將沒有組裝的剩余微元件沖出基板表面，清除掉基板上的溶液。隨著組裝系統(tǒng)溫度的降低，粘結(jié)材料固化，從而完成機械與電互連。2.4.2 LED芯片在FSA工藝中的對位方式在FSA工藝中，LED芯片在基板相應組裝點上的定向和定位是組裝成功的關(guān)鍵步驟之一，它直接影響LED芯片組裝的質(zhì)量和效率。芯片與基板組裝點對位的方式大致可分為以下三種：外形匹配、粘結(jié)劑導向和混合對位模式。外形匹配式對位是主要通過微元件與基板上凹坑的外形對應來實現(xiàn)微元件的定向和定位。其工藝一般是：首先制造出特定外形的LED芯片，同時在硅、玻璃等基板上刻蝕出相應形狀的凹坑；然后將過量的LED芯片分散懸浮在選定的載體溶液中，在液體流動或震動的條件下，不同外形的元件將隨機落入與之相匹配的凹坑內(nèi)，如同拼裝積木一樣。沒有進入組裝點的元件將被沖出基板表面，經(jīng)過清洗，進入下一次的組裝。芯片在基板組裝點上對位后，將溶液清除干凈，經(jīng)過引線互連完成產(chǎn)品的組裝。外形匹配式自組裝原理簡單，具有在三維空間內(nèi)高密度組裝、可靠性高和組裝面平整等優(yōu)點，發(fā)展前景很好。Hsi-Jen J等采用外形匹配方法成功地將GaAs LED自組裝到Si基板上，實現(xiàn)了光電子元件與硅基板的大規(guī)模集成，如圖2-1所示。由于元件的高度和凹坑的深度一致，組裝后留下一個較平整的表面。然后將載體溶液去除，在范德華力作用下，微元件的下表面就和凹坑的底面連接在一起了。最后采用半導體工藝中的金屬化和引線刻蝕等方法完成表面的電互連。圖2-1外形匹配式FSA示意圖粘結(jié)劑導向式對位是在載體溶液的振蕩激發(fā)作用下，利用粘接劑產(chǎn)生的毛細管力先粘接住LED芯片，然后在系統(tǒng)界面自由能最小化的驅(qū)動下，實現(xiàn)芯片在組裝點上精確地定位和定向。對于不同特性的微元件，通常需要進行多匹次并行裝配，即在單匹次中只并行裝配同一類芯片。在單匹次FSA工藝中，首先在基板和/或待裝配微元件的綁定位置涂上自組裝單層（self-assembled monolayer，SAM），形成相互匹配的綁定點；然后在基板綁定點上涂粘結(jié)劑，粘結(jié)劑可以是導電焊料或不導電的粘結(jié)材料，它與SAM間有很好的潤濕性，與其它的材料表面和載體溶液則難以潤濕；接著將懸浮有芯片的載體溶液倒入裝有基板的裝配槽內(nèi)進行對位組裝；最后去除載體溶液，通過加熱或紫外線照射等固化粘結(jié)材料，完成微系統(tǒng)的自組裝?；旌蠈ξ荒Ｊ阶越M裝是使用具有特定導向性外形的LED芯片，在基板或芯片相應的焊盤上涂覆粘結(jié)劑，然后將微元件懸浮在載體溶液中，在液體流動作用下實現(xiàn)系統(tǒng)的自行對位組裝。它結(jié)合了外形匹配和粘結(jié)劑導向式對位這兩者的優(yōu)點，具有很強的識別不同類型微元件和高可靠性地并行組裝能力，因此能夠更加高效準確地完成芯片的自組裝。Wei Zheng等研究了這種混合對位模式的自組裝方法，成功地將幾百個微小的AlGaInP/GaAs發(fā)光二極管在4分鐘內(nèi)組裝到載體基板上，組裝成功率超過97。該實驗性微系統(tǒng)包括三個組件：一個LED芯片，一個硅載體和一個耐熱的玻璃包封單元。硅載體和玻璃包封單元均刻蝕有200微米深的菱臺形開口，這與LED芯片的厚度一致。三個組件具有明顯互補的外形、銅引線電路和銦焊料圖案，圖2-1（a）顯示了硅載體和玻璃包封單元的制作過程。完成微組件的制備后，然后在100的乙烯乙二醇（沸點197）溶液中，在活塞泵產(chǎn)生的脈沖流體的強力攪拌下，經(jīng)兩步完成微系統(tǒng)的自組裝：第一步是硅載體和LED芯片依靠外形識別自行對位，鍍金的芯片背面與硅載體凹坑內(nèi)涂覆有銦焊料的底面連接，液態(tài)焊料表面能最小化驅(qū)使LED芯片自行地調(diào)整到對準的位置，對準精度一般可達亞微米級，如圖2-1（b）。第二步是互連后的芯片與玻璃包封單元的組裝，玻璃包封單元的中心有一200微米深的菱臺形開口，可以在組裝過程中識別第一步完成的LED芯片。每個開口有5個涂覆焊料的表面，它們可潤濕并連接到LED相應鍍金的外形面和硅基板上。玻璃包封單元可以保護組裝的LED元件和完善電互連。經(jīng)過對混合模式對位自組裝工藝過程的分析，人們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的缺陷不是自組裝方法本身導致的，它主要與可能構(gòu)造的空間局部能量最小化分布和脈沖泵的攪拌水平有關(guān)，通過優(yōu)化元件設(shè)計以及合適的攪拌，混合對位模式自組裝工藝的成功率將進一步提高。 3 LED光源的光電參數(shù)對于照明光源，人們一般傾向于近似太陽光的白光照明。目前LED發(fā)白光的方式比較多，每種方法得到的白光的質(zhì)量也不盡相同。為了評價LED光源的性能，需要對其電與光等參數(shù)進行測量，比如發(fā)光效率、光通量、顯色指數(shù)等。但由于LED特殊的結(jié)構(gòu)，其光源性能參數(shù)的測試有特別的要求，這樣才能保證測量的一致性和準確性。3.1 LED發(fā)白光的原理目前使用的白光LED生產(chǎn)技術(shù)，主要可分為單晶型和多晶型兩種： (一)單晶型： (l)藍色LED+發(fā)黃光的熒光粉其原理是利用釔鋁石榴石熒光粉(YAG)受到藍色LED照射后會發(fā)出黃光，經(jīng)與未被吸收的藍光混合后，即可產(chǎn)生被肉眼視為白色的光。這是目前最為主要的生產(chǎn)方式，因為其結(jié)構(gòu)與驅(qū)動電路設(shè)計較為簡單，生產(chǎn)容易，且沒有多晶型生產(chǎn)方式普遍存在的各個LED晶粒的光衰減率、溫度特性和壽命有差異的缺陷，但是其發(fā)光效率較低，目前約只有為2535 1m/W，且在高電流工作下，色溫升高的問題較為嚴重。 (2)紫外光LED+發(fā)紅、藍、綠光的熒光粉這種發(fā)光原理和熒光燈的發(fā)光原理相似，利用紫外光或近紫外光激發(fā)RGB三色熒光粉，產(chǎn)生RGB三原色的光混合產(chǎn)生白光。其發(fā)光光譜和藍色LED+YAG相比要寬得多，而且可以利用熒光體的組合，發(fā)出白光以外的各種發(fā)光色，但是紫外光轉(zhuǎn)換為黃綠光的過程中，能量損失比藍光的要大，因此發(fā)光效率比較低，紫外光的泄漏也不安全。目前單晶型最新的技術(shù)動向是改變活性層的性質(zhì)，利用三種單純的活性層半導體產(chǎn)生RGB三色光，進而直接產(chǎn)生白光效果，所使用的發(fā)光材料是InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)。(二)多晶型：(1)紅色LED+藍色LED+綠色LED通過將電流控制在適當?shù)妮敵龉β时认?，可將紅(AlGaAs)藍(InGaN)綠(AlInGaP)三原色LED所發(fā)出的光混合成白光，并可通過電流加以控制調(diào)整其頻譜特性，具有較高的發(fā)光效率且色溫易調(diào)整，但是它要使用三顆LED晶粒，且個別晶粒材質(zhì)差異很大，因此在驅(qū)動電路設(shè)計上較為復雜，整體生產(chǎn)成本較高。(2)藍綠色LED+琥珀色LED美國Gentex Corporation利用InGaN藍綠光LED和InAlGaP琥珀色LED的互補色關(guān)系生產(chǎn)出互補色白光，幾乎與以三元色LED混合成的白光LED具有相同的特性，但是其顯色指數(shù)(Ra)較低。3.2 LED特征參數(shù)簡介綜合測試LED各項性能指標是評價LED照明光源的基礎(chǔ)。作為應用于照明的光電器件，LED的特征參數(shù)主要包括電、光和色三個方面35： (1)相關(guān)電參數(shù)正向電壓(Vf)：通過LED的正向電流為確定值時，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。反向電壓(Vr)：被測LED器件通過的反向電流為確定值時，兩極間所產(chǎn)生的電壓降。正向電流(If)：加載在LED兩端的正向電壓為確定值時，流過LED的電流。 (2)相關(guān)光參數(shù)相對光譜功率分布：在光輻射波長范圍內(nèi)，各個波長的相對輻射功率分布情況。峰值波長：光譜輻射功率最大的波長。光通量：通過發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時，器件光學窗口向整個空間在單位時間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺的輻射通量，單位為流明。發(fā)光強度：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。 (3)相關(guān)色度學參數(shù)色度坐標：光源對應的RGB三原色在CIE確定的色度圖中的坐標值。色溫：光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時，稱黑體的溫度（TC）為光源的色溫度。對于組裝后的LED光源，在應用于照明時還需對其照明性能進行評價，這主要包括光通量、照度以及成本等。在燈具設(shè)計中，照明計算主要是包括兩個方面：一個是照度的計算，它表征被照表面單位面積上的光通量。另外一個是光通量的計算，通過分別計算LED燈具的光通量和LED光源的光通量來合理布置LED的位置、確定LED的個數(shù)，合理的添加光學器件，從而滿足不同的照明需要。3.3LED照明光源光度參數(shù)的計算對于LED照明光源，其直接應用于各種需要照明的場合，或作為主要照明光源，或作為輔助光源。此時光源的光通量以及在被照工作面上產(chǎn)生的照度是我們設(shè)計燈具時非常關(guān)心的，其計算對于燈具的設(shè)計有著直接的指導作用41。3.3.1照度的計算照度表征的是被照表面單位面積上的光通量。對于單個點光源的照度，其基本計算公式可由下面兩個照度定律導出，這兩個定律是照度計算的基礎(chǔ)42。(1)距離平方反比定律如圖3-14所示，點光源S在指向平面N(與入射光線垂直的平面)上P點的方向上光強為I，光源到P點的距離為l,投射到包括P點的指向平面上的面元上的光通量為： 因面元dAn很小，可以把它看成是以點光源為球心的球面積的一部分，所以立體角d可由下式確定：根據(jù)照度的定義，光源在指向平面上P點產(chǎn)生的照度En為: 距離平方反比定律說明，點光源在與照射方向垂直的平面上產(chǎn)生的照度與光源至被照面的距離的平方成反比。(2)余弦定律如果圖中的P點在水平面H上，則P點的照度為： 式中I光源在照度計算點方向的發(fā)光強度；cos光源至照度計算點的連線與光源至照度計算平面的垂線之間夾角的余弦；l光源至照度計算點的距離。對于LED照明光源，一般為多個點光源構(gòu)成。光源的尺寸相比于光源和被照面的距離小于五分之一時，可認為光源為點光源。由于不存在相干的問題，因此當有n個點光源同時照射到工作面時，n個點光源產(chǎn)生的照度等于每一光源分別產(chǎn)生的照度的總和。總照度可用下式表示: 式中第n個光源在照度計算點方向的發(fā)光強度；n第n個光源至照度計算點連線與光源至照度計算平面垂線之間夾角的余弦；ln第n個光源至照度計算點的距離。當LED照明光源在被照面上各點產(chǎn)生的照度比較均勻時，可用平均照度來表征工作面上照明的程度。此時，照明設(shè)計可以采用比較簡單的平均照度計算法而使得計算簡化，即計算落到工作面上的總光通量除以被照面的面積。3.3.2光通量的計算為了確定LED光源個數(shù)和LED的位置，必須通過有效計算LED照明光源總的光通量。除了積分球方法外，LED照明光源的光通量還可通過照度來計算得到，其思路是通過環(huán)帶分割然后求和的方法來實現(xiàn)。具體做法是首先將LED燈具垂直固定，讓其光線投射到被照面上，被照面被劃分為不同半徑的若干同心小環(huán)帶，將每個小環(huán)帶的面積乘以該面積上測得的平均照度值，即為該面積上的光通量，各個小環(huán)帶面積上的光通量相加，即為該燈具所發(fā)射的總光通量43。燈具固定懸掛在距離被照平面高度為H的位置上，根據(jù)不同的中心角1,2,n，將被照平面分成對應半徑為R1, R2,Rn的不同環(huán)帶，各環(huán)帶面積比為S1, S2, Sn，對應各環(huán)帶所測平均照度分別為Erp1 ,Erp2,Erpn，各環(huán)帶的光通量分別應為：第一環(huán)帶光通量：第二環(huán)帶光通量：依次類推：第n 環(huán)帶光通量：故總的光通量：球帶半徑R由燈具的懸掛高度H和要求角度的精度決定，習慣上，配光曲線均采用等角角度分割法，測試中每5為一間隔。也可以采用等間距測量法，即在X和Y軸上，每隔等距離測量一次數(shù)據(jù)，進而求出總的光通量。 4 LED照明光源的制備據(jù)行業(yè)分析機構(gòu)CIR的研究報告預測，全球20XX年LED銷售額將逾56億美元，其中大功率LED占據(jù)絕大部分，主要應用是普通燈具。目前LED照明光源已經(jīng)廣泛地應用于特種照明領(lǐng)域，比如汽車上的閱讀燈和剎車燈，手機背光源，景觀照明裝飾燈，舞臺照明燈，安全照明燈以及手電筒等，這為LED進入通用照明市場打下了堅實的基礎(chǔ)。中國作為照明器具生產(chǎn)大國，需要抓住這次半導體照明變革的機會，實現(xiàn)整個照明產(chǎn)業(yè)的提升，特別應把握20XX北京奧運會和20XX上海世博會舉辦的機遇，加快在LED照明領(lǐng)域的應用研究。單只LED發(fā)光亮度低，不能滿足一般光源所需的亮度要求，為達到照明要求，一般采取將多只高亮度LED組成點陣光源，并且選用合適的光學系統(tǒng)，以實現(xiàn)良好的照明效果。為了探索LED光源的性能及其在組裝上存在的問題，我們制備了幾種不同的LED光源，通過對燈具設(shè)計、基板組裝、驅(qū)動電路、照度測試以及成本評估了解并掌握LED照明光源組裝工藝及性能測試方法，為進一步研究LED光源在通用照明市場上的應用做準備。4.1 LED吊頂燈與射燈的設(shè)計隨著人們對家裝要求的提高，室內(nèi)照明質(zhì)量及光源特色受到人們更多的關(guān)注。LED光源由于具有節(jié)能環(huán)保以及長壽命的特點，并且可方便的設(shè)計成各種大小和形狀的燈具，因此很受人們的青睞。從性能和成本上考慮，LED目前已具備作為小型照明光源的條件，可應用于家庭內(nèi)部輔助照明，比如吊頂燈和射燈等。LED燈具一般由三部分組成：LED組合光源、驅(qū)動電路和光學透鏡系統(tǒng)。透鏡的作用是將光線按所希望的路徑出射。影響燈具發(fā)光效果的因素包括：芯片的率35及個數(shù)、芯片在燈具內(nèi)的放置位置和透鏡的形狀等。在我們的實驗中，選用的LED為美國CREE公司生產(chǎn)的1W LED，發(fā)光顏色為近白色。在照明光源的設(shè)計中，光效率和光分布均勻性是最重要的兩個因數(shù)，對于目前LED照明光源，基于自身的特點，還得特別考慮散熱性能問題。為了得到均勻而亮度足夠的照明效果，同時將燈的成本控制在合適范圍內(nèi)且散熱良好，我設(shè)計了1種LED組合光源。如下圖：該光源為3顆1W的LED元件，先貼裝到MCPCB上，然后成對稱分布組裝到鋁基板上，3顆LED為串聯(lián)，驅(qū)動電壓在10.5V左右，電流為1A，可作為射燈或露營燈。選用MCPCB是為了快速地將大功率LED產(chǎn)生的熱量散失掉，從而保證其穩(wěn)定發(fā)揮性能。MCPCB為鋁、環(huán)氧樹脂和銅箔組成的復合基板，具有非常高的熱導率，它是將銅箔通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)到鋁基板上，然后在銅箔上刻蝕出引線和焊盤。除了LED的選擇及分布外，驅(qū)動電路也直接影響到LED光源性能的正常發(fā)揮。LED為直流工作元件，出射光強隨正向電流變化比較大，為了出光均勻，應采用恒流驅(qū)動，但生活中恒壓電源更容易獲得，因此實際中LED的工作模式包括恒流與恒壓兩種。4.2 LED光源驅(qū)動電路LED的亮度由流過的電流決定，在不損壞LED的情況下，一般二極管的亮度是隨著流過LED電流的增加而變亮，流過LED電流的大小與亮度大致成正比，圖4-1是我們使用的1W LED的相對光強與正向電流的關(guān)系。同種LED在恒流驅(qū)動下亮度一致，出射光均勻，但恒流電源的獲取比較困難，一般是從恒壓電源變換得到，這降低了整體驅(qū)動電路的效率并增加了成本。圖4-1 LED光強與正向電流的關(guān)系4.2.1 LED連接方式的比較LED是由電流驅(qū)動的器件，其亮度與正向電流呈比例關(guān)系。有兩種方法可以控制正向電流。第一種方法是采用LED V-I曲線來確定產(chǎn)生預期正向電流所需要向LED施加的電壓。其實現(xiàn)方法一般采用一個電壓電源和一個鎮(zhèn)流電阻器，如圖4-2所示。但此方法有許多不足之處，LED正向電壓的任何變化都會導致LED電流的變化。如果額定正向電壓為3.6V，則圖3-6中LED的電流為20mA。如果電壓變?yōu)?.0V，這是溫度或制造變化引起的特定壓變，那么正向電流則降低到14mA。正向電壓變化11會導致更大的正向電流變化，達30。另外，根據(jù)可用的輸入電壓，鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會浪費功率和降低電池使用壽命。圖4-2 帶鎮(zhèn)流電阻的電壓電源導致效率降低和正向電流失配在電源電壓較為有限的應用場合，多個LED只能以并聯(lián)方式工作。此時，按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法，通常須為每個LED配備獨立的限流電阻，避免通過它們的電流出現(xiàn)差異，借以克服LED正向壓降一致性差。但是這些電阻也會浪費功率，降低電路效率。第二種方法、也是首選的LED電流調(diào)整方法是利用恒流電源來驅(qū)動LED。恒流電源可消除正向電壓變化所導致的電流變化。 因此可產(chǎn)生恒定的LED亮度，無論正向電流如何變化。產(chǎn)生恒流電源很容易。只需要調(diào)整通過電流檢測電阻器的電壓，而不用調(diào)整電源的輸出電壓。圖4-2說明了這種方法。電源參考電壓和電流檢測電阻器值決定了LED電流。在驅(qū)動多個LED時，只需把它們串聯(lián)就可以在每個LED中實現(xiàn)恒定電流。驅(qū)動并聯(lián)LED需要在每個LED串中放置一個鎮(zhèn)流電阻，這會導致效率降低和電流失配。圖4-3 驅(qū)動LED的恒流電源驅(qū)動白光LED的主要目標是產(chǎn)生正向電流通過組件，這可采用恒壓源或恒流源來實現(xiàn)。圖4-2是成本最低的解決方案，它將白光LED串聯(lián)一個鎮(zhèn)流電阻(RB)，再于電路的兩端加上恒壓源。然而這種方法有其缺點，鎮(zhèn)流電阻會限制通過的電流，白光LED的非線性V-I曲線也讓這種方法的穩(wěn)流能力非常差；此外，只要外加電壓或白光LED的正向電壓(VF)有任何變動，白光LED的電流都會改變。當額定正向電壓為3.6V時，會有20mA電流通過圖4-2的白光LED，若溫度或制程改變讓此電壓變?yōu)?.0V(仍在正常的3V至4V容差范圍內(nèi))，正向電流就會下降至14mA；換言之，正向電壓只要改變11%，正向電流就會出現(xiàn)30%的大幅度變動。這種白光LE