LED基礎(chǔ)知識講義

LED基礎(chǔ)知識講義

LED照明設(shè)計基礎(chǔ)一:Led基礎(chǔ)知識簡介1.定義、結(jié)構(gòu)及分類2.Led主要制作工藝及廠商簡介3.主要參數(shù)及特性二：大功率LED燈具設(shè)計基礎(chǔ)知識1.LED及驅(qū)動電源的選擇2.散熱設(shè)計3.光學(xué)設(shè)計定義1.什么是LED（lightemittingdiode）

LED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。它是一種用微弱的電能就能發(fā)光的高效固體光源，其基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用。它的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片；在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)?！⑷胧诫娭掳l(fā)光原理

在PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)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。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。

結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管主要由PN結(jié)芯片、電極引腳和光學(xué)系統(tǒng)組成。

普通插件式LED結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)大功率貼片式LED結(jié)構(gòu)圖分類按光顏色分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標(biāo)準綠和純綠)、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。2.按發(fā)光管出光面特征分為圓燈、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φ3mm、φ5mm等,方形分為3528，5050燈。3.從發(fā)光強度角分布來分有三類：

1)高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用。

2)標(biāo)準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

3)散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°，散射劑的量較大。4.按安裝方式，分為插件式（DIP）和貼片式（SMT)。5.按功率大小分為三種。普通LED(電流≤20MA且光效＜8lm/W)，高亮度LED(光效≥

8lm/W，功率＜1W)和大功率LED(電流≥350MA或功率≥

1W)。另外還有其他分類方法：如UVLED,LaserLED等。現(xiàn)階段全球主要LED廠商全球主要LED廠商簡介主要參數(shù)及特性1.電學(xué)特性1.1I-V特性

PN結(jié)伏安特性，表征LED芯片pn結(jié)制備性能主要參數(shù)。不同的電流直接影響led的發(fā)光亮度和PN結(jié)的結(jié)溫.LED的I-V特性具有非線性、整流性質(zhì)：單向?qū)щ娦?，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。IF---正向直流電流（正向測試電流），在規(guī)定的正向電壓VF下，通過極間的電流，不同LED因材料不同有不同的IF。VF---LED正向?qū)〞r所需電壓，同種顏色LED可能有不同的VF，所以LED公司按電壓區(qū)間分Group或BIN來加以區(qū)分，以便用戶使用。IFM---正向峰值電流（正向最大電流）。在額定功率下，允許通過二極管的最大正向脈沖電流。注：一般IF=0.6IFMVR---稱為反向擊穿電壓；VR電壓對應(yīng)IR為反向漏電流不同LED因材料不同，有不同的VR。典型的VFGroup和BIN分法主要參數(shù)及特性LED的點亮?xí)r間——上升時間tr是指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的90%所經(jīng)歷的時間。LED熄滅時間——下降時間tf是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。

不同材料制得的LED響應(yīng)時間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其響應(yīng)時間＜10-9S，GaP為10-7S。因此它們可用在10~100MHZ高頻系統(tǒng)。注：t0值很小，可忽略。

主要參數(shù)及特性

1.2響應(yīng)時間

表征LED跟蹤外部信息變化的快慢。從使用角度來看，就是LED點亮與熄滅所延遲的時間主要參數(shù)及特性１）光束角（beamangle)：在通過最大光強半平面上，兩條１／２最大光強方向之間的夾角稱為該平面的光束角．２）光束擴散角(fieldangle)：在包含最大光強的某個平面上，兩條為１／１０最大光強的光線之間的夾角稱為該平面的光束擴散角（或稱有效光束角）．在引出雜散光線的時候，出現(xiàn)了這個光束角以及１／１０最大光強的概念．

▲兩者的區(qū)別：LED光學(xué)特性2.1光強與光束角（發(fā)光角θ）光強表征LED發(fā)光強弱的重要性能

光束角描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。主要參數(shù)及特性2.2光通量

表征LED總光輸出的輻射能量，它標(biāo)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，可見光LED的光通量單位為流明（lm）,它與工作電流的關(guān)系如下。2.3光效是指LED所發(fā)出的光通量φ與其所消耗的電功率P之比,單位為流明/瓦（lm/w）,是評價電光源用電效率最主要的技術(shù)參數(shù),它與工作電流的關(guān)系如下。主要參數(shù)及特性★同一型號的LED在同一電流下可能有著不同的光通量，LED公司通常用LuminousFluxBin來分類區(qū)分，以下是一典型的光通量BIN分類：注：對小功率LED可能會用光強來分BIN主要參數(shù)及特性2.4光譜分布LED發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。它與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及PN結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān);以下是不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得LED光譜分布曲線。⑴峰值波長：相對光強度最強（光輸出最大）處對應(yīng)的波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。⑵譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應(yīng)λp-△λ，λp+△λ

之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜線寬窄，即LED單色性的參數(shù)，LED半寬小于40nm。⑶主波長：LED發(fā)出的有多個峰值的非單色光中，人眼所能觀察到的，主要單色光的波長，結(jié)溫升高而主波長偏向長波。主要參數(shù)及特性2.5色品坐標(biāo)、色溫與顯色性色品坐標(biāo)用來準確地表達光源的表觀顏色.但具體的數(shù)值很難與習(xí)慣的光色感覺聯(lián)系在一起.人們經(jīng)常將光色偏橙紅的稱為“暖色”,比較熾白或稍偏蘭的稱為“冷色”,因此用色溫來表示光源的光色會更加直觀。2.5.1色溫與色品坐標(biāo)的關(guān)系式近似如下：其關(guān)系曲線如右色品圖，由此可見，不要的色品坐標(biāo)可能會有同樣的色溫，所以能唯一決定顏色的參數(shù)是色品坐標(biāo)，色溫只能參考。一般，LED封裝廠都會按色品坐標(biāo)不同用不同的Bin來區(qū)分白光的顏色。以下一典型的Bin分布圖。大功率LED供應(yīng)商一般會要求四個Bin同時購買，如數(shù)量較少時可以考慮與供應(yīng)商溝通買單個Bin.主要參數(shù)及特性典型的ColorBin分區(qū)主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性顯色指數(shù)是體現(xiàn)光源所發(fā)光顯示物體表面原本顏色的能力。光源顯色性能越高，物體表面顏色越真實。越接近自然光譜(或者說是標(biāo)準光譜)，顯色指數(shù)越高。要改善，那就要添加原來缺少的光譜。

色溫是專門用來量度光線的顏色成分的，色溫只是用來表示顏色的視覺印象。因此：顯色性與色溫間沒有必然聯(lián)系,不同的色溫可以做到相同的顯色指數(shù),或者說,相同的顯色指數(shù),可以做成不同色溫的光源。2.5.2色溫與顯色性的關(guān)系另外，色品坐標(biāo)會隨正向電流的變化而變化，即光的顏色會隨正向電流的變化而變化；關(guān)系曲線如右圖主要參數(shù)及特性2.6壽命是評價led產(chǎn)品可用周期的質(zhì)量指標(biāo),通常用有效壽命或終了壽命表示.在照明應(yīng)用中,有效壽命是指led在額定功率條件下,光通量衰減到初始值的規(guī)定百分比時所持續(xù)的時間.

1)平均壽命

一批led同時點亮,當(dāng)經(jīng)過一段時間后,led不亮達到50%時所用的時間.

2)經(jīng)濟壽命

在同時考慮led損壞以及光輸出衰減的狀況下,其綜合輸出減至一特定比例時的小時數(shù).此比例用于室外光源為70%,用于室內(nèi)光源為80%.

★在評價LED壽命時，必須留意此壽命對應(yīng)的結(jié)溫值主要參數(shù)及特性2.7熱學(xué)特性LED的主要熱學(xué)參數(shù)有結(jié)溫（Tj）和熱阻（Rth）有很大的關(guān)系。LED的許多特性參數(shù)與結(jié)溫有很大的關(guān)系，具體如下：2.7.1LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為：由上式可知，每當(dāng)結(jié)溫升高10℃，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。

2.7.2LED結(jié)溫與壽命的關(guān)系主要參數(shù)及特性2.7.3LED結(jié)溫與電流的關(guān)系白光工作電流基本上隨溫度的升高而升高，表現(xiàn)為正溫度特性，近似變化率約為0.06mA/℃2.7.4LED結(jié)溫與色品坐標(biāo)的關(guān)系如右上圖主要參數(shù)及特性2.7.5LED結(jié)溫與正向電壓和光通量的關(guān)系如下圖LED與驅(qū)動電源的選擇1.1Led光源的選擇可以按以下步驟進行分析客戶對光的需求發(fā)光角度某一高度下光斑及照度大小以下舉一例說明這個過程估算所需光通量根據(jù)客戶對光的需求理論分析估算出所需光通量；如客戶無明顯對光的需求，則類比傳統(tǒng)光源得出所需光通量初步選定LED必須結(jié)合客戶對LED專利的要求、對色溫、顯色性、光效以及壽命等要求來最終選型測試驗證LED通過測試驗證選擇LED是否滿足客戶需求，如未達客人要求，需分析后再調(diào)整選擇方案1.1.1分析客戶的光需求以下是客人對一款LED臺燈的要求，分析相關(guān)需求并預(yù)估燈具光通量參數(shù);如客戶無相關(guān)需求，就通過和類似傳統(tǒng)光源的燈具類比，直接得出光通量參數(shù)；附件是部分傳統(tǒng)光源的光參數(shù)表。LED與驅(qū)動電源的選擇1.1.2估算所需的理想光通量

◎?qū)⒖蛻粢蟮膮?shù)帶入下表，以估算出所需的理想總流明數(shù)

以上是我個人的推理總結(jié)，請大家在后續(xù)設(shè)計中不斷驗證

◎理想總流明數(shù)=理論總流明數(shù)×K（維護系數(shù)）×U（利用系數(shù)）

維護系數(shù)：一般室內(nèi)用燈具為：0.8-0.85；一般室外用燈具為：0.7-0.75

利用系數(shù)：依光學(xué)系統(tǒng)的不同而不同，一般在0.7-0.95之間。

本例取K=0.85，U=0.9，理論總流明數(shù)=278.3/0.85/0.9=363.8LED與驅(qū)動電源的選擇1.1.3初選LED※考慮專利及性能要求

現(xiàn)階段主要LED供應(yīng)商在白光LED上的專利狀況如下LED與驅(qū)動電源的選擇※考慮專利及特性要求

●專利:從上圖可以得出：完全沒有專利問題的公司只有相互交叉授權(quán)的核心五家：Nichia，Lumileds，Cree，Osram，ToyodaGosei

和經(jīng)多方授權(quán)的Seoul。

目前我們選擇：Lumileds，Citizen（代表Nichia），Cree，Osram作為大功率LED的一級品牌，其主要用于對專利及LED性能(如光衰30%時,壽命≥

5萬小時)均要求很高的客戶。選擇Seoul作為大功率LED的二級品牌,其主要用于對專利要求嚴格但對性

(如光衰30%時,3≤壽命≤4萬小時)要求相對一般的客戶。2.基本沒有專利問題,尤其出非日本地區(qū)Epistar,Semileds,Brightlux;

目前我們選擇：Epistar,Semileds作為LED的三級品牌，其主要用于訂單量較小對專利和性能(如光衰30%時,2≤壽命≤3萬小時)要求均一般的客戶?！裥阅?依據(jù)光通量，結(jié)合客戶對LED其他特性的需求選定LED,各主要LED品牌及其產(chǎn)品的主要特性對比，如附件（如要更詳細的資料應(yīng)參看各公司的目錄）通過對比，我們初選CREEXlampMC-E9.8W來滿足客戶需求。1.1.4測試驗證經(jīng)測試,各光需求指標(biāo)基本達要求.

LED與驅(qū)動電源的選擇LED是電流型器件，最佳驅(qū)動電源是恒流源，但限于市場現(xiàn)狀的影響，目前在LED模組上還大量使用恒壓源，但在用恒壓源供電時，在電源與LED間都要串限流電阻，其作用就是將電壓源轉(zhuǎn)換成近似電流源。選擇驅(qū)動器的關(guān)鍵指標(biāo):1.輸出電流電壓的精度:一般恒流源電流在±8%;恒壓源電壓在±2%;2.功率因數(shù):一般在75%~85%；高功率因數(shù)在≥85%；節(jié)能之星要求家用≥70%，商用≥90%。3.過載、短路、過熱保護；4.開路保護或限壓保護(對恒流源)；5.過沖保護(對恒流插墻式電源,如電源無此保護,設(shè)計LED電路時應(yīng)在電路上并聯(lián)電容以消除次極開、關(guān)時大電流對LED的損傷)。6.壽命，節(jié)能之星要求家用≥70%，商用≥90%。7.初級帶電，次級開路時的功耗小于0.3瓦。具體LED電源的選配參見附件:★在設(shè)計LED模組電源時，還需考慮LED的VFBin。1.2驅(qū)動電源的選擇

LED與驅(qū)動電源的選擇2.散熱設(shè)計通過上面對LED特性的分析，LED的熱特性對其諸多性能的表現(xiàn)起著至關(guān)重要的影響，所以有效控制LED結(jié)溫是保證LED正常有效工作的關(guān)鍵。散熱設(shè)計2.1LED的散熱過程分析由于散熱器底面與芯片表面之間會存在很多溝壑或空隙，其中都是空氣。由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，所以空氣間隙會嚴重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣，甚至無法發(fā)揮作用。為了減小芯片和散熱器之間的空隙，增大接觸面積，必須使用導(dǎo)熱性能好的導(dǎo)熱材料來填充，如導(dǎo)熱膠帶、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱硅酯、導(dǎo)熱黏合劑、相轉(zhuǎn)變材料等。如圖1所示，芯片發(fā)出的熱量通過導(dǎo)熱材料傳遞給散熱器，再將絕大部分熱量通過對流（強制對流和自然對流）的方式帶走到周圍的空氣中，強制將熱量排除，這樣就形成了從LED，然后通過散熱器和導(dǎo)熱材料，到周圍空氣的散熱通路。所以：好的散熱=好的熱傳導(dǎo)+有效的空氣對流圖1基板LED圖2

一維熱傳導(dǎo)模型在圖2的導(dǎo)熱模型中，達到熱平衡后，熱傳導(dǎo)遵循傅立葉傳熱定律：

Q=K·A·(T1-T2)/L

(1)

式中：Q為傳導(dǎo)熱量（W）；K為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃）；A為傳熱面積（m2）；L為導(dǎo)熱長度（m）。(T1-T2)為溫度差。

熱阻R表示單位面積、單位厚度的材料阻止熱量流動的能力，表示為：

R＝(T1-T2)/Q＝L/K·A

(2)

對于單一均質(zhì)材料，材料的熱阻與材料的厚度成正比；對于非單一材料，總的趨勢是材料的熱阻隨材料的厚度增加而增大，但不是純粹的線形關(guān)系。

對于界面材料，用特定裝配條件下的熱阻抗來表征界面材料導(dǎo)熱性能的好壞更合適，熱阻抗定義為其導(dǎo)熱面積與接觸表面間的接觸熱阻的乘積，表示如下：

Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R·A

(3)

表面平整度、緊固壓力、材料厚度和壓縮模量將對接觸熱阻產(chǎn)生影響，而這些因素又與實際應(yīng)用條件有關(guān)，所以界面材料的熱阻抗也將取決于實際裝配條件。導(dǎo)熱系數(shù)指物體在單位長度上產(chǎn)生1℃的溫度差時所需要的熱功率，是衡量固體熱傳導(dǎo)效率的固有參數(shù)，與材料的外在形態(tài)和熱傳導(dǎo)過程無關(guān)，而熱阻和熱阻抗是衡量過程傳熱能力的物理量。

★熱傳導(dǎo)散熱設(shè)計■好的熱傳導(dǎo)：選擇導(dǎo)熱系數(shù)高、熱阻低的導(dǎo)熱材料,常見材料導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·℃)如下:加大散熱面積,但考慮成本和外形的影響我們因盡可能的選擇合理的散熱面積及散熱器結(jié)構(gòu),常見散熱器和散熱設(shè)計方法介紹如下附件,同時可一用Icepak,Qled等進行熱模擬分析.散熱設(shè)計材質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)材質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)材質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)銀429鋁2371070型鋁合金226銅401鐵801050型鋁合金209金317鉛34.86061型鋁合金115木頭0.17玻璃0.766063型鋁合金201水0.54塑膠0.18空氣0.024★熱對流合理的散熱器結(jié)構(gòu)來保證熱發(fā)熱區(qū)與外部環(huán)境間有足夠的空氣流通,必要時可用風(fēng)扇強制對流散熱。3.光學(xué)設(shè)計

光學(xué)設(shè)計大功率LED照明在成為照明產(chǎn)品前，一般要進行兩次光學(xué)設(shè)計。把LEDIC封裝成LED光電零組件時，要先進行一次光學(xué)設(shè)計，以解決LED的出光角度、光強、光通量大小、光強分布、色溫的范圍與分布。這就是所謂的一次光學(xué)設(shè)計。二次光學(xué)設(shè)計是針對大功率LED照明來說：一般大功率LED都有一次透鏡，發(fā)光角度為120度左右。二次光學(xué)就是將經(jīng)過一次透鏡后的光再通過一個光學(xué)透鏡改變它的光學(xué)性能。簡單地說，一次光學(xué)設(shè)計的目的是盡可能多的取出LED芯片中發(fā)出的光。二次光學(xué)設(shè)計的目的則是讓整個燈具系統(tǒng)發(fā)出的光能滿足設(shè)計需求。對于LED的二次光學(xué)處理不外乎如下幾種：

1、反光杯（優(yōu)點：理論上出光效率高，假如反光層鍍的好的話；缺點：光斑的控制很難，主要是反光杯對形狀和焦點位置非常敏感、而且常常受到鬼像的干擾。

2、透鏡（優(yōu)點：處理模式多樣化、光斑均勻性的問題可以比較好的解決；缺點：效率相對不高）

3、反光杯+透鏡（特殊用途可以考慮）

4、不處理（假如LED光通量足夠大且發(fā)光角度滿足需求的話，光效率最高）

一般來說：如果要求光斑是圓形，使用反光杯比使用透鏡損耗要??；如果光斑為非圓形，反光杯本身將有一定的光損耗。另外，在處理20°以下光束角的配光需求時，反光杯會比透鏡笨拙很多。光學(xué)設(shè)計

3.1反光杯設(shè)計1.材質(zhì)選擇------反射率高的材料；采用高純度鋁材，或其他材質(zhì)表面鍍金屬覆膜或者其他高反射率的復(fù)合材料，一般可以獲得的反射效率在85%～98%,不同材料的反射率如下：2.正確反光杯形狀------利用軟件模擬設(shè)計，如:Photopia光學(xué)設(shè)計3.2透鏡設(shè)計3.2.1LED透鏡的材料種類：

1．硅膠透鏡；

a.因為硅膠耐溫高（也可以過回流焊），因此常用直接封裝在LED芯片上；

b.一般硅膠透鏡體積較小，直徑3-10mm；

2.PMMA透鏡

a.光學(xué)級PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力）,目前為日本三菱PMMA材料為最好（現(xiàn)在的VH5與VH001質(zhì)量更高）。

b.塑膠類材料，優(yōu)點：生產(chǎn)效率高（可以通過注塑完成）；透光率高（3mm厚度時穿透率93%左右）；缺點：耐溫70%（熱變形溫度90度）；

3．PC透鏡

a.光學(xué)級Polycarbonate（簡稱PC）聚碳酸酯

b.塑膠類材料，優(yōu)點：生產(chǎn)效率高（可以通過注塑完成）；耐溫高（130度以上）；缺點：透光率稍底（87%）；

4．玻璃透鏡

光學(xué)玻璃材料，具有透光率高（97%）耐溫高等特點，缺點：易碎、非球面精度不易實現(xiàn)、生產(chǎn)效率低、成本高等。

光學(xué)設(shè)計3.2.2LED透鏡規(guī)格分類：

1．穿透式（凸透鏡）

a.當(dāng)LED光線經(jīng)過透鏡的一個曲面（雙凸有個曲面）時光線會反生折射而聚光，而且當(dāng)調(diào)整透鏡與LED之間的距離時角度也會變化（成反比），經(jīng)過非球面技術(shù)設(shè)計的曲面光斑將會非常均勻，但因為透鏡直徑