LED節(jié)能照明系統(tǒng)的研究與應用

1、摘要與關鍵詞n,0引言,11 LED節(jié)能照明技術概況,11.1 傳統(tǒng)照明技術簡介,11.2 LED照明發(fā)展簡介,11.3 LED優(yōu)點,22 照明用LED主要技術特性,22.1 LED的電學特性,22.2 LED的光學特性,33 照明用白光LED技術,43.1 白光LED技術原理,43.2 照明用白光LED技術要求,53.3 白光LED驅(qū)動電路技術,63.3.1 白光LED驅(qū)動器的要求及分類,63.3.2 常見典型白光LED驅(qū)動電路,63.4 高效率白光LED技術發(fā)展,73.5 照明用白光LED封裝和散熱問題,83.5.1 白光LED的封裝技術,83.5.2 散熱問題及解決,104 LED節(jié)能照

2、明的應用,105 結(jié)語,12參考文獻,12致謝12,LED節(jié)能照明系統(tǒng)的研究與應用摘要本文闡述LED節(jié)能照明的原理及應用。先分析照明技術概況，提出LED照明的優(yōu)點。然后重點論述用于照明的白色光LED技術。通過對白光LED芯片的發(fā)光材料的分析，介紹其發(fā)光機理，并分析其典型驅(qū)動電路技術。同時對白光LED芯片封裝及散熱的探討，提出如何在散熱和封裝上來提高LED芯片的發(fā)光效率。最后分析LED的應用前景。關鍵詞照明；白光LED；原理；驅(qū)動電路；應用Energy-savingledlightingsystemsresearchandapplicationAbstractThisarticleelabora

3、testheLEDenergyconservationilluminationprincipleandtheapplication.Analyzesthelightingtechniquessurveyfirst,ProposestheLEDilluminationmerit.ThenthekeyelaborationusesinthewhitelightLEDtechnologywhichilluminates.ThroughdialoglightLEDchipluminescentmaterialanalysis,Introducesitsilluminationmechanism,And

4、analyzesitsmodeldrivingcircuittechnology.SimultaneouslydialoglightLEDchipsealandradiationdiscussion,ProposedhowtoberadiatingandsealenhancestheLEDchiptheluminousefficiency.UltimateanalysisLEDapplicationprospect.Keywordslighting;whiteLED;Drivingcircuit;applications;Principle0引言從LED出現(xiàn)以來，人們一直在努力實現(xiàn)固體光源。隨

5、著LED制造工藝的不斷進步和新型材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)及應用，發(fā)白色光的LED固體光源性能不斷完善并進入實用階段。白光LED的出現(xiàn)，使高亮度白光LED的應用領域跨足至高效率照明光源市場成為可能，如果能在固體照明領域節(jié)省一半的能源，則會對人類的節(jié)約能源作出巨大的貢獻。因此，LED節(jié)能照明的技術的研究具有很大的現(xiàn)實意義。本文就對節(jié)能的LED在照明方面的技術上與應用上作以研究和分析。1LED節(jié)能照明技術概況隨著人類文明的進步，照明技術也在迅速發(fā)展。早期人類用的是植物油產(chǎn)生光，1976年白熾燈問世，它以碳棒作為燈絲，是照明技術的巨大改進，1938年發(fā)明的日光燈可以減少熱的損失，節(jié)省能源的消耗

6、，這又是一個大進步，后來緊湊型日光燈的開發(fā)使其應用更為普遍，同時高壓氣體放電燈如水銀燈、金屬鹵素燈及鈉燈等的發(fā)明可在室外實現(xiàn)照明，滿足了各方面的需要。目前有21%的電源用于照明，如果能在固體照明領域節(jié)省一半的能源，則會對人類的節(jié)約能源作出巨大的貢獻。1.1 傳統(tǒng)照明技術簡介在19世紀愛迪生發(fā)明電燈之前，人類實現(xiàn)照明的方式非常簡單，那就是直接借助各種火源的直射光，例如蠟燭、油燈等等。這些發(fā)光設備雖然在人類的歷史長河中點燃了漫漫歲月，卻因為極低的發(fā)光效率和發(fā)光質(zhì)量，只能塵封在歷史的博物館中，進入20世紀后，隨著人類新工業(yè)革命的爆發(fā)，以愛迪生發(fā)明的新式白熾燈為代表的照明設備，正式成為人類生產(chǎn)生活中的

7、主流發(fā)光設備。人類社會的電力照明設備大致有這幾個重要的發(fā)展成果：白熾燈，主要以鴇絲作燈絲因為鴇有高熔點及低蒸發(fā)率。白熾燈的大部分輻射光是紅外線，所以120V白熾燈的照明效率在2400K時約為8lm/W，一般100W白熾燈只有7%的電功率轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽?。鎢絲鹵素燈，為減少鎢絲蒸發(fā)率以增加其壽命及工作溫度，在燈泡中添加鹵素氣體作成的鎢絲鹵素燈也較為流行。一般鎢絲鹵素燈均在高溫工作，燈泡也較小，用的是比較堅硬的玻璃殼，其壽命比鴇絲白熾燈要高兩倍。日光燈，一般日光燈用低壓放電可以產(chǎn)生11000-13000K的高溫，目前日光燈可以用的材料有汞即水銀和鈉，汞燈釋放紫外線故多用于一般日光燈，燈管涂上熒光分以產(chǎn)

8、生白光。低壓鈉燈，用鈉代替汞可以得到含有589nm及589.6nm的黃光但是鈉熔點比汞熔點高，也比汞活潑，要用抗鈉玻璃。大部分應用在街道級公路上。高壓汞燈，高壓汞燈的一般功率變成熱，所以效率不高，但是溫度穩(wěn)定性極佳，大部分應用在街道照明及商用建筑的照明。高壓鈉燈，可以產(chǎn)生50-1000W功率，演色性差不適合用于室內(nèi)照明。金屬鹵化物燈，是在高壓汞燈中加入了其它金屬，這樣可以改進發(fā)光效率及演色性。1.2 LED照明發(fā)展簡介LED即LightEmittingDiode（發(fā)光二極管）的縮寫。即：光線激發(fā)二極管，屬于一種半導體元器件。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體

9、和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED?，F(xiàn)在照明光源已逐漸由白熾燈發(fā)展為日光燈，而以后的希望，就將是白光LED。LED技術可以應用在普通照明、背光照明、道路交通、招牌和顯示屏、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、醫(yī)學以及通信等領域1。應用半導體PN結(jié)發(fā)光源原理制成LED問世于20世紀60年代初，1964年首先出現(xiàn)紅色發(fā)光二極管，之后出現(xiàn)黃色LED。直到1994年藍色、綠色LED才研制

10、成功。1996年成功開發(fā)出白色LED。LED以其固有的特點，廣泛應用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領域，在我們的日常生活中處處可見，家用電器、電話機、儀表板照明、汽車防霧燈、交通信號燈等。但由于其亮度差、價格昂貴等條件的限制，無法作為通用光源大面積推廣。近幾年來，隨著人們對半導體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不斷進步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。高亮度LED將是人類繼

11、愛迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之一。LED照明的變革將擴展人們的照明觀念，更加體現(xiàn)節(jié)能化、健康化、藝術化和人性化的發(fā)展趨勢2。1.3 LED優(yōu)點（1）發(fā)光效率高。LED經(jīng)過幾十年的技術改良，其發(fā)光效率有了較大的提升。目前，世界各國均加緊提高LED光效方面的研究，在不遠的將來其發(fā)光效率將有更大的提高。（2）耗電量少，LED單管功率0.03-0.06瓦，采用直流驅(qū)動，單管驅(qū)動電壓1.5-3.5伏，電流15-18毫安，反應速度快，可在高頻操作。（3）使用壽命長，采用電子光場輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用LED燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破

12、碎。平均壽命達10萬小時。（4）安全可靠性強，發(fā)熱量低，無熱輻射，冷光源，可以安全抵摸：能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和，無眩光；不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。（5）有利于環(huán)保，LED為全固體發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品，也便于安裝和維護。2照明用LED主要技術特性LED是利用化合物材料制成PN結(jié)的光電器件。它具備PN結(jié)結(jié)型器件的電學特性、光學特性。2.1 LED的電學特性I-V特性：表征LED芯片PN結(jié)性能主要參數(shù)。外加正向偏壓表現(xiàn)為低電阻，反之為高電阻。如圖LED的伏安特性具有非線性和單向?qū)щ娦?，?所

13、示。圖1伏安特性曲線（1）正向死區(qū)（圖1中的oa段或o'段）。a點電壓Va點對于。點電壓Vo為開啟電壓，當V<Va時，外加電場尚未克服少數(shù)載流子擴散而形成勢壘電場，此時電阻R很大。開啟電壓對不同的LED其值不同，GaAs為1V,紅色GaAsP為1.2V,GaP為1.8V,GaN為2.5V。（2）正向工作區(qū)，工作電流If與外加電壓呈指數(shù)關系：式中：Is為反向飽和電流。在V>Vf的正向工作區(qū)，If隨Vf的增大呈指數(shù)規(guī)律上升:qVFIF=Isek（2）正向電流If是指LED正常發(fā)光時的正向電流值，在實際使用時應該根據(jù)需要選擇If的值的大小，在0.6lFm（km為正向工作電流最大值

14、）以下。正向工作電壓Vf是在給定正向電流下得到的，一般在If=20mA時測得的。LED的正向工作電壓Vf為1.4-3V。在環(huán)境溫度升高時，正向工作電壓Vf將下降。（3）反向死區(qū)，V<0時，PN結(jié)加反響偏壓。（4）反向擊穿區(qū)，V<-Vr,Vr為反向擊穿電壓。與Vr對應的電流Ir為反向漏電流。當反向偏壓一直增加到使V<-Vr時，Ir將突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于所用化合物材料種類不同，各種LED的反向擊穿電壓Vr也不同。允許功耗P:假設流過LED的電流為If管壓降為Vf則LED的功率消耗為P=Vf父If。當LED工作時，若外加偏壓、偏流一定，則會促使PN結(jié)內(nèi)的一部分載流子復合發(fā)光

15、，還有一部分變?yōu)闊崮?，使?jié)溫升高。若節(jié)溫為Tj外部環(huán)境溫度為Ta,則Tj.Ta時，LED內(nèi)部的熱量借助管座向外釋放，散發(fā)的熱量可以表示為P=KTja卜響應時間：響應時間從使用角度來看，就是LED點亮與熄滅所延遲的時間。響應時間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。2.2 LED的光學特性發(fā)光二極管有紅外（非可見）與可見光兩個系列，前者可用輻射度，后者可用光度學來量度其光學特性。半導體的光學特性4及其材料性能可以用于發(fā)光照明。LED光學特性：發(fā)光法向光強及其角分布Ie:發(fā)光強度（法向光強）是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強

16、指向性。位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90°。當偏離正法向不同。角度，光強也隨之變化。發(fā)光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。發(fā)光強度的角分布Ie是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。它主要取決于封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否）。發(fā)光峰值波長及其光譜分布：LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質(zhì)及PN結(jié)結(jié)構（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。光通量：光通量F是表征LED總光輸出的輻射能量，它標志器件的性能優(yōu)劣。F為LED向各個方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關。隨著電流增加，LED光通量隨之增大?？梢姽?/p>

17、LED的光通量單位為流明（lm）。發(fā)光效率和視覺靈敏度：它是評價具有外封裝LED特性，LED的流明效率高，指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。發(fā)光亮度：亮度是LED發(fā)光性能又一重要參數(shù)，具有很強方向性。指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量，單位為cd/m2或Nit（尼特）。壽命：LED發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關。3照明用白光LED技術從LED出現(xiàn)以來，人們一直在努力實現(xiàn)固體光源。隨著LED制造工藝的不斷進步和新型材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)及應用，發(fā)白色光的LE

18、D固體光源性能不斷完善并進入實用階段。能量效率更高、功能更強的新型LED固態(tài)發(fā)光（SSL）產(chǎn)品的發(fā)展很快，被認為是照明市場上的主要革命T進步3。白光LED的出現(xiàn)，使高亮度白光LED的應用領域跨足至高效率照明光源市場。發(fā)光二極管主要由PN結(jié)芯片、電極和光學系統(tǒng)組成。其發(fā)光體晶片的面積為10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前國際上出現(xiàn)大晶片LED,晶片面積達40mil。其發(fā)光過程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。微小的半導體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中，當電子經(jīng)過該晶片時，帶負電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域并與之復合，電子和空穴消失的同時產(chǎn)生光子。電子和空

19、穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應，可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍色光、紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。目前，已商品化的白光LED多是二波長，即以藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來較被看好的是三波長白光LED,即以無機紫外光晶片加紅、藍、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光，它將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈泡及LED背光源等市場。LED照明光源的主流將是高亮度白光LED。3.1 白光LED技術原理所謂白光是由多種顏色混合而成的光。人類眼睛所能見到的白光形式至少需兩種光混合如二波

20、長（藍光+黃光）或三波長（藍光+綠光+紅光）。目前是二波長藍光單芯片加上YAG黃色熒光粉，在未來較看好的是三波長光，以無機紫外光芯片加R、G、B三基色熒光粉。未來三波長LED的應用將取代熒光燈、節(jié)能燈，白光LED的市場將是巨大的，LED節(jié)能照明也將得到更加廣泛、深入的應用。白光LED的特性：在白光LED設計中，通常在發(fā)射藍光的InGaN的基料上覆蓋轉(zhuǎn)換材料于是得到混合的白光。白光是不同波長的光的混合，所以，白光LED不可能有一個特定的波長，可用色坐標定義白光LED。在白光LED數(shù)據(jù)中，色坐標隨正向電流增大而變化。正向電流的變化可以改變白光的質(zhì)量。當正向電流高至101mA時，正向電壓的變化很大，

21、變化量的范圍大約在800mV（部分白光LED的變化會更大）。白光LED工作電壓的變化改變其發(fā)光色彩，是因為工作電壓的變化改變了正向電流。對于不同的白光LED,其電流、電壓特性也呈現(xiàn)出很大的差異。白光LED的發(fā)光效率和演色評鑒指數(shù)：光源的發(fā)光效率（K）,能量效率是指輸入功率W轉(zhuǎn)換成光量子的百分比；發(fā)光效率用K（lm/W）表示。波長為九時單一波長的發(fā)光效率K（,）可由式表示為K（?o=KmMV。演色評鑒指數(shù)Ra,演色評鑒方法依照CIE的規(guī)定執(zhí)行。一般照明用白熾燈可分為日光燈（色溫為6500K）與燈泡（色溫為2850K）兩種。這兩種不同色溫的白熾燈的色溫值都落在CIE所制定的條例軌跡上，即使是熒光燈

22、的色度值也需要按照CIE的規(guī)定。一般Ra=80是高效率白光LED的基本條件，室內(nèi)裝潢照明和閱覽書籍時的Ra則需要大于95。表1白光LED的種類及發(fā)光原理激發(fā)源藍光LEDInGaN/YAGInGaN的藍光與YAG的黃光混合成白光1藍光LEDInGaN/熒光粉InGaN的藍光激發(fā)的紅、綠、藍二基色熒光粉發(fā)光藍光LEDZNse由薄膜層發(fā)出的藍光和在基板上激發(fā)出的黃光混合成白光紫外LEDInGaN/熒光粉InGaN的紫外光激發(fā)的紅、綠、藍三基色熒光粉發(fā)光2LED黃綠LEDInGaNGaP將具有補色關系的兩種芯片圭竹自在一起，構成白光LED3LEDtibtLED紅光LEDInGaNAlInGaP將發(fā)三原

23、色的三種小片封裝在一起，構成白光LED多個多種光色LEDInGaNGaPAlInGaP將遍布可見光區(qū)的多種光芯片封裝在一起，構成白光LED目前白光LED產(chǎn)品發(fā)光原理如表1。其中主要以兩種方式發(fā)光。以460nm波長的InGaN藍光晶粒涂上一層YAG熒光物質(zhì)，利用藍光LED照射次熒光物質(zhì)以產(chǎn)生與藍光互補的555nm波長黃光，再利用透鏡原理將互補的黃光、藍光予以混合，便可以得出肉眼所需的白光。照明用白光LED的開發(fā)基礎在于藍光技術。藍光LED基片安裝在碗形發(fā)射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層200-500nm。藍光LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃色光混合，可以得到白

24、色光。對于InGaN-YAG白光LED改變YAG的化學成分和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。結(jié)構如圖2所示。1:LED芯片發(fā)藍光2:LED熒光粉發(fā)黃光圖2LED封裝結(jié)構圖3.2 照明用白光LED技術要求(1)要有高的發(fā)光效率。照明用白光LED不同于彳統(tǒng)的LED產(chǎn)品，在技術性能指標上有一些特殊要求。光通量：照明的白光功率LED希望達到1Klm。不過光通量為0.1Klm和0.01Klm的功率的功率LED也能滿足要求不高的照明需要。由于白熾燈的效率較低，僅為8lm/W,所以一個15W白熾燈的光通量與5W(25lm/W)的白光功率LED器件相當。發(fā)光效率：目前產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)

25、品已從15lm/W提高到25lm/W,研究水平為32lm/W,最高已達到44.3lm/W。色溫:為2500-6000K,最好在2500-3500K。顯色指數(shù)Ra,最好達到100至少應該大于80。穩(wěn)定性：用于照明的白光LED的波長和光通量均要求保持穩(wěn)定，但其穩(wěn)定性程度依照場合的要求而定。(2)光的分配必需均勻，并能有效的控制，可以開關或改變強度而不影響其壽命。(3)相關色溫或簡稱色溫，一般白熾燈的色溫在2850K,使人感覺輕松與舒適，適用與臥室等處；辦公室所用所用光源色溫在4000-5000K,是柔和的白光；白天的光色溫約6500K,適合與工廠，所以一般色溫都應該在這些范圍內(nèi)。(4)品質(zhì)因數(shù)FO

26、M。用品質(zhì)因數(shù)FOM值可以比較不同官員的實際價值。FOM="wpMK”ss(3)其中，“wp是觀點轉(zhuǎn)換效率；K是發(fā)光效率；nSS是斯托克斯位移效率，也就是當光由另一波長轉(zhuǎn)換的效率，當光波長405nm轉(zhuǎn)換為540nm時,=4。%40=。75。表2中列出用不同波長產(chǎn)生白光時的FOM以及與470nm相對的FOM值。表2在不同波長LED上添加熒光粉所產(chǎn)生白光的特性芯片主波長/nm470405380相對于470nm晶片的電光轉(zhuǎn)換效率1.01.51.0發(fā)光效率/(nm/W)330330300斯托克斯頻移0.800.750.70品質(zhì)因數(shù)264369210相對于470m波長時的品質(zhì)因數(shù)變化0%+40

27、%-20%3.3 白光LED驅(qū)動電路技術白光LED是照明領域的主流，其驅(qū)動電路技術至關重要。驅(qū)動器相當于白光LED供電的特殊電源，可以驅(qū)動正向壓降為3.0-4.3V的白光LED,并根據(jù)需要驅(qū)動串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的多個白光LED,滿足驅(qū)動電流的要求。3.3.1 白光LED驅(qū)動器的要求及分類驅(qū)動器的主要要求：驅(qū)動器應有升降壓功能，以滿足電池供電的要求；應該有高的功率轉(zhuǎn)換效率；在多個白光LED串聯(lián)時，要求白光LED的電流相匹配，是亮度均勻；功耗低，靜態(tài)電流小，并具有關閉控制功能，在關閉狀態(tài)時一般靜態(tài)電流應該小于1RA;白光LED的最大電流可以設定，使用過程中可以調(diào)節(jié)光的亮度；有完善的保護電路，如低壓

28、鎖存、過壓保護、輸出開路或短路保護；小尺寸封裝，并要求外圍組件少而且小，所占印制板面積??；對其它電路的干擾影響??；使用方便，加為低。從供電電壓，一般將驅(qū)動器分三類，由電池供電，電壓一般低于5V,主要用于便攜式電子產(chǎn)品，驅(qū)動小功率及中功率的白光LED,它主要采用升壓式DC/DC變換器或升壓式（升降壓式）電荷泵變換器，少數(shù)采用LDO電路的驅(qū)動器；大于5V供電，有穩(wěn)壓電源或蓄電池供電，它主要用于降壓式或升降壓式DC/DC變換器；直接由市電110V或220V或相應的高壓直流40-400V供電，主要用于驅(qū)動大功率白光LED,采用升壓式DC/DC變換器驅(qū)動電路。電荷泵式驅(qū)動器可數(shù)去的電流已從幾百毫安升到1

29、.2A,并且兩者在轉(zhuǎn)換效率上也不相上下。對于采用LDO電路的驅(qū)動器，不用外圍期間和價格低，為優(yōu)點，但是轉(zhuǎn)換效率略低，并且電池常不能用到終止放電電壓就要充電。這種驅(qū)動器主要由于1節(jié)鋰離子電池的場合，并且學要用正向電壓低的白光LED?？梢杂冒坠釲ED驅(qū)動電源的集成器件品種較多，大致分為恒流源、電荷泵和開關電源三種類型9。3.3.2 常見典型白光LED驅(qū)動電路白光LED驅(qū)動電路的特點是：白光LED的正向電壓Vf非常高，Vf本身具有一定的波動范圍，全開工作時會使白光LED的耗電量增加，電源電壓變化會影響白光LED的亮度。為了使白光LED能穩(wěn)定工作，且不受電壓Vf波動及電源電壓波動影響，所以必須使用專門

30、為驅(qū)動白光LED而設計的DC/DC變換器。DC/DC變換器有電感是DC/DC變換器及電荷泵式DC/DC變換器兩大類10。最近幾年行動電話、PDA等可攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示器逐漸從黑白銀幕更換成彩色銀幕，由于液晶本身不會發(fā)光所以液晶顯示必需利用背光照明單元顯示銀幕的信息?？蓴y式電子產(chǎn)品的背光照明單元基于耗電性等考慮，因此白光LED正當快速取代傳統(tǒng)燈泡，成為背光照明單元主要發(fā)光組件。為了使白光LED點燈必需使用高順向電壓Vf與順向電流If,尤其是背光照明單元的電流控制，對可攜式電子產(chǎn)品的電池動作時間具有絕對性影響，因此探討白光LED背光照明單元的驅(qū)動原理與驅(qū)動電路的設計技巧。如圖3所示傳統(tǒng)背光照明

31、單元的白光LED是并聯(lián)驅(qū)動，由于白光LED的亮度取決于電阻的阻抗值。然而白光LED的電壓Vf本身具有不同的波動范圍，因此相同的電阻會使白光LED的亮度產(chǎn)生分布不均現(xiàn)象。圖3傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED并聯(lián)驅(qū)動方式因電壓波動引起白光LED亮度不相同時，背光照明單元的光線就會有照明不均勻的問題。雖然使用電器特性相同的白光LED可以改善亮度不均勻問題，但實際上無法獲得電氣特性相同的白光LED。應根據(jù)個白光LED的電氣特性，逐一調(diào)整負載電阻。但是，實際上這種方式不是解決問題的方式。為使白光LED的電流相同，可以用串聯(lián)方式如圖4所示的方式。由于電流I相同，亮度幾乎圖4傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED串聯(lián)驅(qū)動

32、方式當多個白光LED串聯(lián)時，必須等比例提高電壓。如圖5所示，利用開關變壓器NJM2360的白光LED驅(qū)動電路。電路的基準電壓Vref為1.25V,加在Vin端子。此方式中電阻Rl的阻止決定了影響白光LED亮度的個LED的電源ILED,ILED可以有公式3-3得到：Vref1.25VIled=（6）RlRl假設個LED的電流Iled為15mA,Rl約為830a,三只3.6V的白光LED串聯(lián)聯(lián)接時，LED整體的驅(qū)動電壓VLED為：Vled=VrefNVf=1.2533.6=12.05V式中：N為串聯(lián)連接的白光LED數(shù)。圖5驅(qū)動白光LED電路半導體照明是本世紀最具發(fā)展前景的高技術領域之一，白光LED

33、將成為21世紀的新一代光源，可以替代白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈等傳統(tǒng)光源，白光LED孕育著巨大的商機11它將成為一種理想的環(huán)保照明系統(tǒng)。傳統(tǒng)的白熾燈采用的是熱發(fā)光技術，90%的電能以熱輻射形式散發(fā)出來，不僅浪費能源，而且會使室內(nèi)外溫度升高，增加空調(diào)等設施的用電量，在一定程度上增加了地球的溫室效應。因此，LED照明將越來越占據(jù)重要地位。3.4 高效率白光LED技術發(fā)展使用熒光體與光觸媒所構成的紫外線LED的開發(fā)，尤其波長為382nm外部量子效率為24%勺GalnNLED是在已作過凸凹加工的藍寶石上使用選擇性長晶GaN基板，因此可以降低結(jié)晶的轉(zhuǎn)位密度并提高內(nèi)部量子效率，如果在加上覆芯片化結(jié)構，

34、則更加突顯取光效率。在高溫環(huán)境才下施加壓6中外形呈梯力將波長幾乎與LED一致的透明狀GaP粘貼上去，便可將光取出效率提高兩倍。如圖狀結(jié)構的LED是對光取出效率所作的改善。圖6AlGalnP系TIP-LED結(jié)構為獲得完美的高演色性（Ra>85）,基本上白光LED可分為單芯片型和多芯片型兩種方式：一種是同時點亮紅、綠、藍三色LED產(chǎn)生白光；另一種是利用藍光或紫外光LED作為級法源，激發(fā)熒光體獲得白光。此外，單芯片型的技術方向，是改變活性層的性質(zhì)，利用單純的半導體產(chǎn)生紅、綠、藍三色光，進而獲得白光。多芯片型方式礙于各顏色LED的驅(qū)動電壓、發(fā)光效率、配光特性的差異，以及色溫的特性、組件的壽命等，

35、激勵實用化還存在許多問題有待解決。單芯片性因為組件種類單純，具有驅(qū)動電路設計容易等有點。（1）單芯片型如InGaNLED（藍）/YAG熒光粉，InGaNLED（藍）/YAG熒光粉+綠熒光粉，InGaN（紫外）/（紅+%i+藍）熒光粉Cree。（2）雙芯片型，可以由藍光LED+黃光LED、藍光LED+黃綠光LED以及藍綠光LED+黃光LED制成。這種器件較為便宜，但是由兩種顏色形成的白光，顯色性較差，只能在顯色性要求不高的場合使用。（3）三芯片（紅+%+藍）LED,采用波補償和光通量反饋方法可使色移降低到可以接受的程度。（4）四芯片（紅+氣i+藍+黃）LED,采用465nm、535nm、590n

36、m、625nm的LED芯片可以制成Ra大于90的白光LED。（5）組件的配列，照明用的LED需要將多個LED做系統(tǒng)的最佳組合。目前多芯片組合封裝的高亮度LED得到迅速發(fā)展53.5 照明用白光LED封裝和散熱問題LED的密集排列組成白光照明系統(tǒng)，熱量的耗散問題是功率型LED應用的先決條件8oLED封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發(fā)展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作，輸出可見光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設計及技術要求，無法簡單地將分立器件的封裝用于LED

37、。在應用大功率LED做為照明系統(tǒng)時，國外對其散熱問題也做了大量的研究。3.5.1 白光LED的封裝技術LED的核心發(fā)光部分是由P型和N型半導體構成的PN結(jié)管芯，當注入PN結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時，就會發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但PN結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構與包封材料，應用要求提高LED的內(nèi)、外部量子效率。常規(guī)5mm型LED封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲，鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負極通過反

38、射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護管芯等不受外界侵蝕；采用不同的形狀和材料性質(zhì)（摻或不摻散色劑），起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角；管芯折射率與空氣折射率相關太大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射導致過多光損失，選用相應折射率的環(huán)氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性，絕緣性，機械強度，對管芯發(fā)出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料

39、，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強度的角分布也與管芯結(jié)構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到LED的軸線方向，相應的視角較?。蝗绻敳康臉渲哥R為圓形或平面型，其相應視角將增大。如下圖7所示為1.3W一種的高功率LED封裝圖6。環(huán)箕何胖圖71.3W高功率LED封裝不同顏色的45mmLED隨著時間變化不會以同樣的方衰減。在20mA的電流下，e5mm封裝LED的衰減如圖8所示7。紅光LED的光輸出衰減速率較白光LED慢，而綠光和藍光LED則以中等的速率衰減。自光封裝在一個與外界嗝離的燈具中，環(huán)境溫度將影響白光白的充輸出衰減速率。圖845mm封裝

40、LED的衰減情況隨著大功率白光LED封裝技術的發(fā)展，可以通過減小白光LED結(jié)點與插腳間的熱阻，把封裝外殼做成扁平狀、縮短節(jié)點與插腳間的距離來縮短傳輸?shù)木嚯x。同時引線的支架的直徑更大，引腳增大，并使用熱傳導性能較好的材料制作，能使熱量更快的散發(fā)出來。使用耐高溫的環(huán)氧數(shù)值，解決了高溫的散熱問題，因此可以利用大芯片進行封裝，致使其工作電流可由一般的20mA增大到350mA、700mA甚至1000mA,其功率可以達到1W、3W甚至5W。這種封裝的輻射視角很寬，因此該白光LED的光效率很高，所以，信號燈中使用的白光LED只需要十幾只，甚至幾只，常見的LED臺燈也是如此。常規(guī)白光LED與功率白光LED在信

41、號燈中的應用有些不同：如材料不同，一般白光LED用環(huán)氧樹脂作安裝版，而功率白光LED需要使用鋁基線路板（MPCB）;生產(chǎn)工藝不同，一般白光LED使用波峰焊接或手焊接土可，而功率白光LED需要使用貼片焊機；結(jié)構要求不同；配光設計不同，使用壽命不一樣等。3.5.2 散熱問題及解決散熱技術是影響取光效率的重要要素。對于由PN結(jié)組成的發(fā)光二極管，當正向電流從PN結(jié)流過時，PN結(jié)有發(fā)熱損耗，這些熱量經(jīng)由粘結(jié)膠、灌封材料、熱沉等，輻射到空氣中，在這個過程中每一部分材料都有阻止熱流的熱阻抗，也就是熱阻，熱阻是由器件的尺寸、結(jié)構及材料所決定的固定值。設發(fā)光二極管的熱阻為Rth（C/W）,熱耗散功率為Pd（W）

42、,此時由于電流的熱損耗而引(4)起的PN結(jié)溫度上升為：TC=RthPdPN結(jié)結(jié)溫為：Tj=TaRhPd其中Ta為環(huán)境溫度。由于結(jié)溫的上升會使PN結(jié)發(fā)光復合的幾率下降，發(fā)光二極管的亮度就會下降。同時，由于熱損耗引起的溫升增高，發(fā)光二極管亮度將不再繼續(xù)隨著電流成比例提高，即顯示出熱飽和現(xiàn)象。另外，隨著結(jié)溫的上升，發(fā)光的峰值波長也將向長波方向漂移，約0.2-0.3nm/C,這對于通過由藍光芯片涂覆YAG熒光粉混合得到的白色LED來說，藍光波長的漂移，會引起與熒光粉激發(fā)波長的失配，從而降低白光LED的整體發(fā)光效率，并導致白光色溫的改變。對于功率發(fā)光二極管來說，驅(qū)動電流一般都為幾百毫安以上，PN結(jié)的電流

43、密度非常大，所以PN結(jié)的溫升非常明顯。對于封裝和應用來說，如何降低產(chǎn)品的熱阻，使PN結(jié)產(chǎn)生的熱量能盡快的散發(fā)出去，不僅可提高產(chǎn)品的飽和電流，提高產(chǎn)品的發(fā)光效率，同時也提高了產(chǎn)品的可靠性和壽命。LED的密集排列組成白光照明系統(tǒng)，熱量的耗散問題是功率型LED應用的先決條件7為了降低產(chǎn)品的熱阻，首先封裝材料的選擇顯得尤為重要，包括熱沉、粘結(jié)膠等，各材料的熱阻要低，即要求導熱性能良好。其次結(jié)構設計要合理，各材料間的導熱性能連續(xù)匹配，材料之間的導熱連接良好，避免在導熱通道中產(chǎn)生散熱瓶頸，確保熱量從內(nèi)到外層層散發(fā)。同時，要從工藝上確保，熱量按照預先設計的散熱通道及時的散發(fā)出去。4LED節(jié)能照明的應用LED

44、節(jié)能照明的應用，是隨著對LED發(fā)光技術的研發(fā)而進一步發(fā)展的。在對不同需求電路要求中，其驅(qū)動電路也不盡相同。（一）前景及發(fā)展趨勢目前，照明消耗約占整個電力消耗的20%,大大降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑，為實現(xiàn)這一目標業(yè)界已研究開發(fā)出許多種節(jié)能照明器具，并達到了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還不夠，開發(fā)和應用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。LED以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。據(jù)UBS投資研究機構做出的預測，2005年到2010年高亮度LED（發(fā)光二極管）市場的年復合增長率（CAGR）有望達到26%12。隨著LED技術的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的逐步提高，LED的應用市場

45、將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場將是取代白熾燈、鴇絲燈和熒光燈的最大潛力商品。（二）照明應用中存在的主要技術問題LED的發(fā)光效率正在逐步提高，商品化的器件已達到白熾燈的水平，景觀燈采用的白色LED發(fā)光效率接近熒光燈的水平，并在穩(wěn)步增長中。但是，在照明普及應用方面仍存在一些技術性問題：一是光通量有待進一步提高。采用LED作為照明光源，必須可以發(fā)出更多的光，必須具有更高的能量效率。二是LED發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距。白熾燈具有非常強的黃色光的成分，給人一種溫暖的感覺。而白光LED發(fā)出的白光帶有藍色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺不很自然。三是價格較高。這是影響LED照明普及的主要原因。但是，近年來出于晶片技術的改良，制造成本正在急劇下降，近三年來LED的價格下降了近50%，其正朝著高效率、低成本的方向發(fā)展，這為LED在照明領域的應用提供了有利條件。此外，較好的性價比也可以彌補成本價格方面的不足。（三）LED照明技術在燈光環(huán)境中的應用由于LED光源具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長、安全可靠性強，有利于環(huán)保等特性，近幾年來在城市燈光環(huán)境中得到了廣泛的應用。目前已應用于數(shù)碼幻彩、護欄照明、廣場照明、庭