第七章 與LED應用有關的技術問題12-15

第七章與LED應用有關的技術問題主要內容

LED驅動技術

LED的散熱設計

LED的光學設計

LED的防靜電控制合理選用LED器件12345

LED的驅動技術1

LED與傳統(tǒng)的白熾燈或熒光燈相比，驅動電壓和電流都非常低，而且具有單向電流和瞬間開啟的特點。1.LED的基本特性1）像普通二極管一樣，是一個含有PN結的半導體器件，具有單向導電性。2）有一個門限電壓，只有加在LED兩端的電壓高壓這個門限電壓時，LED才會導通。3）LED具有非線性的I-V特性曲線，通過LED的電流與加在兩端的電壓不成正比關系。4）LED的光通量輸出隨流過LED電流的增大而增加，但不成正比。5）LED是一種對溫度比較敏感的器件，當其結溫升高時，光輸出將減少，正向電壓也會降低。6）即使是同一型號甚至是同一批次生產的LED器件，其參數(shù)的離散性也比較大。2.LED的基本工作條件

LED是一種電流驅動的低壓單向導電器件，為保證LED正常工作，須滿足以下幾個方面的基本要求：1）輸入直流電壓必須不低于LED的正向電壓降，否則，LED不會導通而發(fā)光。2）采用直流電流或單向脈沖電流驅動，當驅動并聯(lián)的LED或LED串時，要求恒流而不是恒壓供電；當LED被用作閃光燈時，也可采用正向脈沖來驅動LED。3）為防止LED損壞，應對流過LED的電流加以限制。目前實現(xiàn)LED電流限制的方法主要有：電阻器、有源線性控制、開關穩(wěn)壓器控制這3種方法。4）由于LED電流與光通量之間的非線性關系，LED應在光效比較高的電流值下工作。5）大功率LED最好加設散熱器，以防器件過熱而損壞。3.LED供電系統(tǒng)原始電源1）常用的LED供電電池：鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池與聚合物鋰離子電池等幾種。2）交流市電電源供電3）太陽能光伏電源直流電源的必要性？直流電源的電路方式

(1)交流－直流轉化電路（見下表3.4）

4.電源電路

(2)轉換電源AC-DC轉換器/DC-DC轉換器：AC-DC轉換器是將交流電轉換成直流電的轉換電源，而DC-DC轉換器是將干電池、蓄電池等直流電壓轉換成所需直流電的轉換電源。恒壓電源/恒流電源：為了高效驅動LED，最好使用恒流電路。一次二次絕緣型/非絕緣型：所謂一次二次絕緣型就是一次與二次電源被變壓器絕緣的轉換電源。非絕緣型是一次與二次電源兩邊直接相連的轉換電源。一般市售的轉換電源中，AC-DC轉換器幾乎都是絕緣型的。5.LED在應用中的配置形式及特點1）常見的連接形式整體串聯(lián)形式：簡單串聯(lián)形式、帶并聯(lián)齊納二極管的串聯(lián)形式。整體并聯(lián)形式：簡單并聯(lián)形式、獨立匹配的并聯(lián)形式?；炻?lián)形式：先串后并的混聯(lián)形式、先并后串的混聯(lián)形式、交叉陣列形式。2）不同連接形式的比較連接形式優(yōu)點缺點應用場合串聯(lián)簡單串聯(lián)電路簡單，連接方便；LED的電流相同，亮度一致可靠性不高，驅動器輸出電壓高，不利于其設計和制造LCD的背光光源、工頻LED交流指示燈、應急燈照明帶旁路串聯(lián)電路較簡單，可靠性較高；保證LED的電流相同，發(fā)光亮度一致元器件數(shù)量增加，體積加大。驅動器輸出電壓高，設計和制造困難并聯(lián)簡單并聯(lián)電路簡單，連接方便；驅動電壓低可靠性較高，要考慮LED的均流問題手機等LCD顯示屏的背光源、LED手電筒、低壓應急照明燈獨立匹配并聯(lián)可靠性高，適用性強，驅動效果好；單個LED保護完善電路復雜，技術要求高，占用體積大，不適用于LED數(shù)量多的場合混聯(lián)先并聯(lián)后串聯(lián)可靠性較高，驅動設計制造方便，總體效率較高，適用范圍較廣電路連接較為復雜，并聯(lián)的單個LED或LED串之間需要解決均流問題LED平面照明、大面積LCD背光源、LED裝飾照明燈、交通信號燈、汽車指示燈、局部照明先串聯(lián)后并聯(lián)交叉陣列可靠性高，總體的效率較高，應用范圍較廣驅動器設計制造較為復雜，每組并聯(lián)的LED需要均流補充：LED驅動電路電流與電壓2.驅動方式恒壓串聯(lián)型恒壓并聯(lián)型要求LED的伏安特性相同否則在工作一段時間后可能連續(xù)損壞3只LED壓降約0.9VI增大，I>20mA，PN結溫度升高，發(fā)光效率和壽命降低恒流并聯(lián)型恒流串聯(lián)型要求LED的伏安特性相同，否則在工作一段時間后可能連續(xù)損壞工作電流常在17~18mA，有利于延長LED使用壽命2.驅動方式2.驅動方式1)恒流式：

a、恒流驅動電路輸出的電流是恒定的,而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內變化,負載阻值小,輸出電壓就低,負載阻值越大,輸出電壓也就越高。

b、恒流電路不怕負載短路,但嚴禁負載完全開路.

c、恒流驅動電路驅動LED是較為理想的,但相對而言價格較高.

d、應注意所使用最大承受電流及電壓值,它限制了LED的使用數(shù)量.2)穩(wěn)壓式:

a、當穩(wěn)壓電路中的各項參數(shù)確定以后,輸出的電壓是固定的,而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化.

b、穩(wěn)壓電路不怕負載開路,但嚴禁負載完全短路.

c、以穩(wěn)壓驅動電路驅動LED,每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均.

d、亮度會受整流而來的電壓變化影響.

2.電源電路2.電源電路直流電源的必要性：通常驅動LED時，必須通正向電流，直接通交流電時，在負的半周期（假定為耐反向電壓的串聯(lián)數(shù)）時LED滅燈，人眼就會感覺到閃動。此外，LED的VF在3～4V，若把LED的電流限制在額定值之內，就必須提高限流電阻R的阻值或增加LED的串數(shù)。若提高電阻值，就會增加損失，降低效率，而且若某一LED由于斷路損壞，則串聯(lián)連接的所有LED都會熄滅，此外，若使用者觸摸到LED，便存在觸電的危險。在使用市電點亮LED時，從安全、效率的角度考慮，使用直流電源。

LED的散熱設計2

LED所消耗的電能中轉化為可見光的僅占百分之幾到百分之幾十，其余的都以熱的形式散發(fā)出去。因此，必須在燈具容積、散熱構造方面有比傳統(tǒng)照明燈具更多的考慮。

LED和其他半導體產品一樣就有溫度的依賴性，半導體的結點（junction）溫度會對變化特性和可靠性產生影響。不僅LED的電氣特性、光輸出以及色差等對溫度具有依賴性，更重要的是期待壽命也受LED工作溫度（結溫）的控制，因此可以通過結溫來預測壽命。照明用白光LED的壽命一般定義為全光通量衰減到初期值的70%時所持續(xù)的時間[1]。燈具一般是在自然空氣中冷卻，因此環(huán)境溫度一般以35攝氏度以下為基準。【1】白色LED照明器具性能要求事項，（社）日本照明器具工業(yè)會規(guī)格技術資料134-20051.由燈具構造看燈具內溫度與LED環(huán)境溫度的關系燈具內溫度Tair為：

Tair=Tin+△Tair

(1)

式中，Tin(°C)為環(huán)境溫度；△Tair

(°C)為燈具內溫升?？紤]燈具內容積等因素后，光源產熱所導致的燈具內溫升△Tair可表示為：

△Tair=Q/(A·K)(2)

式中K[kcal(m2·h·°C)]為燈體的傳熱系數(shù)；A(m2)為燈體的表面積；Q(kcal/h)為內部產熱量。由內部產熱量1W相當于0.86Kcal/(W·h)，可以得出：

Q=p(W)xn(個)x0.86[kcal/(W·h)](3)

LED的散熱設計2其中p(W)為1個LED所消耗的功率；n為相同規(guī)格的LED個數(shù)。通過燈具外殼材料、容積以及結構將燈體內積聚的熱量有效地向外散發(fā)，可以降低燈具內部溫度Tair

，即LED的周邊溫度。

LED的散熱設計22.由LED等產熱量看燈具內溫度與結溫的關系結溫Tj為：

Tj=Tair+△Tp

(4)

式中，△Tp

(°C)為由LED模組產熱導致的燈具內溫升。作為散熱設計的參數(shù)，若各部件材料的溫差用熱阻表示，則燈具內溫升可以通過熱阻與消耗功率的乘積求出，即：

△Tp=RjaXP(5)

式中P(W)為LED模組消耗功率(=nxp)；Rja

(°C/W)為結點與燈具內溫度間熱阻。若上述結溫可以通過LED模組消耗功率與部件材料熱阻的乘積求出，則：Tj=Tair+RjaxP(6)

LED的散熱設計23.散熱方法以單顆LED為例進行介紹。在選擇LED散熱材料的過程中，若Tj取目標值，燈具內溫度Tair取LED使用溫度上限值，由(6)式得出：

Rja=(Tj-

Tair)/P

(7)

若將Rja再詳細分類，熱阻可以用與電路歐姆定律相同的串聯(lián)電阻表示：

Rja=RjB+RBA==(Tj-

Tair)/P(8)

式中RjB為結點與基板間熱阻；RBA為基板與燈具內溫度間熱阻。若RjB用同樣方法細分，則：RjB=(Tj-

TB)/P

(9)其中，TB為基板溫度。

LED的散熱設計2此外，還可根據(jù)LED參數(shù)表的數(shù)據(jù)進一步細分。由(8)(9)式便可確定RBA目標在值：

RBA=(TB-

Tair)/P

(10)

其中，P=VFxIF；VF、IF分別為LED工作電壓和工作電流。某些情況下，還需要考慮LED驅動電驢電阻等的損失。根據(jù)上述熱阻RBA的數(shù)值便可以選擇相應的散熱材料。散熱材料的熱阻可以通過材料的導熱系數(shù)λ算出，材料熱阻公式：

R=L/(λ·A)(°C/W)(11)

其中，L(m)為長度；A(m2)截面積；λ(W/m°C)為導熱系數(shù)。由(11)可以看出，導熱系數(shù)越高熱阻越小，散熱性能就越好。

LED的散熱設計2實際上，為了提高散熱性能，可以通過合理選擇基板（材質、板型、尺寸）、黏結用硅脂或封裝材料、熱沉等散熱材料，以及合理的散熱通道設計而實現(xiàn)。

LED的散熱設計2將LED芯片封裝成LED發(fā)光器件時所進行的光學設計，常被稱之為一次光學設計。一次光學設計主要是決定發(fā)光器件的出光角度、光通量的大小、光強分布、色溫范圍及其分布等。在使用LED發(fā)光器件時，對整個系統(tǒng)的出光效果、光強、色溫的分布狀況等所進行的光學設計，常被稱之為二次光學設計。

一次光學設計是保證每個LED器件的出光質量，主要考慮怎樣將LED芯片中發(fā)出的光盡量多的取出。二次光學設計是在其封裝結構之外的光學系統(tǒng)設計，保證整個發(fā)光系統(tǒng)（或燈具）的出光質量，獲得實際需求的空間光強分布；二次光學設計必須在LED發(fā)光器件一次光學設計的基礎上進行。從某種意義上說，只有封裝設計（一次光學設計）合理，才能保證系統(tǒng)的二次光學設計順利完成，從而提高照明和顯示的效果。

LED的光學設計3一次光學設計對于引腳式封裝出光效率的高低、效果的好壞，關鍵是三大要素：芯片、支架、模粒三者的組合：

LED芯片是發(fā)光的主體，發(fā)光多少直接與芯片質量有關；支架承載著芯片，起著固定芯片作用。支架碗的形狀大小與芯片的匹配，對出光效率起著重要作用。模粒灌滿環(huán)氧樹脂之后就成為透鏡，出光角度和光斑的質量與模粒形成的透鏡有關。一次光學設計可分為折射式、反射式和折反射式三種。（參見講義36-39頁）折射式反射式反射式折反射式LED封裝中需考慮光線的折射與透射多種LED封裝方式與特性一覽

二次光學設計1.LED光學設計的基本光學元件（參見講義125-129頁）透鏡非球面反射鏡：拋物面、橢球面、雙曲面遮光板：齒形、梯形、柱形或球形遮光板2.LED系統(tǒng)的光學設計（參見講義129-130頁）散射型聚光型散射和聚光混合型補充:燈具及其配光曲線的簡介（1）定義：自身能發(fā)光的物體稱為光源（2）分類：天然光源和人造光源

LED光源：LED是一種新型的固態(tài)冷光源，它具有結構簡單、重量輕、體積小、響應速度快、抗震性能好、使用方便、壽命長、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，被公認為是21世紀最具發(fā)展前景的一種電光源。光源與燈具光源及其分類

（1）定義：是一種產生、控制和分配光的照明器件附件。（2）基本功能：光源與燈具2.燈具合理配光，重新分配光通量；防止眩光；提高光源的利用率；保護光源和照明安全；裝飾美化環(huán)境。配光曲線的定義：配光曲線表示一個燈具或光源發(fā)射出的光在空間中的分布情況。它可以記錄燈具的光通量、光源數(shù)量、功率、功率因數(shù)、燈具尺寸、燈具效率包括燈具制造商、型號的等信息。最關鍵的是記錄了燈具在各個方向上的光強分布。

（3）燈具配光曲線及其標準配光曲線表示方法極坐標表示法：室內燈、路燈等直角坐標法：投光燈等配光：指光源(燈具)在空間各個方向的光強分布，其表示方法有配光曲線、空間等照度曲線、平面相對等照度曲線、光強分布表格及數(shù)學函數(shù)表示等。極坐標表示法極坐標形式配光曲線直角坐標表示法直角坐標形式配光曲線配光曲線分類配光曲線從它的對稱性質來說可以分為：軸向對稱、對稱和非對稱3種。軸向對稱：又被稱為旋轉對稱，指各個方向上的配光曲線都是基本對稱的，一般的筒燈、工礦燈都是這樣的配光；對稱：當燈具C0°和C180°剖面配光對稱，同時C90°和C270°剖面配光對稱時，這樣的配光曲線稱為對稱配光；非對稱：就是指C0°-180°和C90°-270°任意一個剖面配光不對稱的情況。投光類燈具還可以根據(jù)其光束的寬窄分為：窄光束；寬光束；中等光束等。

窄光束：光束角<20°

中等光束：光束角：20°～40°

寬光束：光束角：>40°例1：管形熒光燈的配光曲線(兩剖面形成的曲線)

T=C0°-180°水平面配光

A=C90°-270°水平面配光

C表示的是水平面的角度，0°-180°組成了一個剖面，T表示光在這個剖面上的分布情況。在支架中C0°-180°一般被定義為垂直與燈管方向。同理A表示光在C90°-270°剖面上的分布情況。配光曲線舉例等照度曲線圖極坐標配光曲線圖國際照明學會推薦的分布光度C-γ坐標系統(tǒng)

V-H坐標系統(tǒng)適合投光燈的分布光度系統(tǒng)“0-180”這種表示方法不是指“0到180度”，而是“0度和180度組成的這個面”

白熾燈的配光剖面注意：極坐標圖的原點（同心圓圓心處）為燈具發(fā)光面的中心；每個同心圓表示一個光強值，越靠外圈光強越大；圖中的各個角度值就是這個剖面上的垂直角度了，向下方向被定義為0°。

等照度曲線圖投光燈具的配光曲線圖燈的位置C90平面

三平面配光曲線

C0平面

二平面配光曲線

目前，國際上比較流行的配光文件格式的標準有CIBSETM-14、EULUMDAT、CIE102、IESNALM一63等標準，應用最為廣泛的是IESNALM-63和EULUMDAT標準。北美和歐洲已經分別選擇IESLM-63和EULUMDAT標準，英國的照明制造商已經選擇TMI4標準.（3）燈具配光曲線及其標準值得注意的幾個問題燈具的光度數(shù)據(jù)一般是采用“角度式光度測試儀”測量，按照光學中心的一個點光源(一般是指光度測試儀的旋轉中心)在不同的水平角度和垂直角度上的光強值，利用球狀坐標系統(tǒng)描述而得出的光域網(wǎng)來表示。根據(jù)燈具使用功能和應用中的旋轉角度情況，一般分A類、B類和C類三種不同類型的光域網(wǎng)。

A類燈具：主要用在汽車燈和信號燈中；B類燈具：主要應用在戶外或體育場館中，一般都需要調整角度，如泛光燈和投光燈；C類燈具：主要是用在室內或道路中，如室內筒燈、格柵燈、工礦燈、路燈、高桿燈等。燈具光域網(wǎng)及其分類：對于C類燈具，垂直角度必須從0度或90度開始，以90度或180度結束，水平角度總是以0度開始，根據(jù)燈具的對稱情況，可以以0度、90度、180度、360度等四種角度結束，各結束角度的情況分別代表燈具全部對稱、四象限對稱、兩象限對稱和不對稱；對于A和B類燈具，垂直角度必須以一90度或0度開始，以90度結束，當燈具配光是對稱于垂直平面時，其水平角度可以以0度開始，以90度結束，當燈具不對稱時，其水平角度必須以一90度開始，以90度結束。IES文件中的垂直角度與水平角度：發(fā)光面形狀發(fā)光面尺寸：指的是燈具的發(fā)光部分的尺寸，不是指燈具的實際外形尺寸。

IESNALM-63規(guī)定了發(fā)光面的長寬高尺寸，這些尺寸最初是被假定為一個長方體盒子，2002年修訂后的版本增加了點、長方形、圓形、橢圓形、球體、圓形體、橢圓柱體、各種方向的橢球體等形狀。

EULUMDAT也定義了燈具發(fā)光面長寬尺寸，被稱做發(fā)光區(qū)域(LuminousArea)，并以毫米為單位。不同的是，該標準還規(guī)定了發(fā)光區(qū)域的四個獨立高度來表示垂直平面上的0、90、180、270度方向的高度。

CIBSET-14采用眩光形狀代碼來定義發(fā)光面尺寸，分長方體、球體、垂直圓柱體、水平圓柱體、或其他形狀等。還規(guī)定了相關燈具的底面、側面和燈具端面。

很多照明廠商都采用長方體模型，少數(shù)廠商也采用無量綱的點。如采用無量鋼的點來定義發(fā)光面形狀，在照明設計軟件應用中會導致很多問題，照明設計師不得不采用寫字板工具來編輯IESNALM-63格式的配光曲線，以確保其長寬尺寸不是零。燈具的光學中心在CIE121-1996中，把光學中心定義成“距離最大光強密度點最近的點”，但它并沒有規(guī)定如何來量取這點。IESLM-41-98標準比較具體，規(guī)定光學中心按照燈具的安裝方式(如嵌入式安裝、吸頂式、懸掛式）和照明方式(如直接式、間接式、半直接式）規(guī)定光學中心，但是這些信息并沒有在IESNALM-63-95標準格式中規(guī)定，只有修訂后的IESNALM-63-2002標準中有詳細規(guī)定。對于吊裝型燈具，照明應用軟件對光學中心的準確性要求不高，但對于嵌入式燈具和吸頂式燈具就不一樣了，如果照明設計軟件具有可視化渲染的功能時，就需要照明設計師給出燈具的物理模型，并把具體的發(fā)光面的安裝位置和方向置于燈具中。為了避免天花板會擋住燈具發(fā)出來的光，必須保證發(fā)光面被置入天花板平面以下。如果光學中心和天花板平面剛好一致的話，將產生一個共面的問題，光線是否被天花板擋住就取決于浮點運算中的累計舍入誤差，這就意味著在實際應用中，問題的出現(xiàn)是隨機的。燈具的方向和位置一個非對稱配光的燈具(如熒光燈洗墻燈具)，按照正確的方向把它置入CAD模型中是非常關鍵的。由于不同系列的IESNALM標準所規(guī)定的光域網(wǎng)相對于其燈具外形出現(xiàn)互相出現(xiàn)矛盾的現(xiàn)象。例如，IESNALM-63-95規(guī)范暗示了0-l80度光域網(wǎng)垂直平面是平行于線型光源的軸線，但IESNALM-41-98卻推薦這種類型燈具的光域網(wǎng)的方向垂直于光源軸線，并且規(guī)定0度方向朝向光線投射方向。很多熒光燈具制造廠家忽略IESNALM-63-95標準，而按照IESNALM-41-98標準測試并出具配光曲線，因此，照明設計師在使用軟件時必須手動檢測IESNALM-63的文本文件，來確定是平行于還是垂直于光源的軸線。如果這信息沒有標識在配光文件的文件頭中，照明設計師就需要聯(lián)系制造廠家以獲取相關信息。由于在歐洲普遍采用EULUMDAT標準，但沒有相關文件來確定燈具的光域網(wǎng)和燈具的幾何尺寸之間的關系，所以多數(shù)燈具是按照CIE121-1996標準檢測，對于在垂直平面90-270度方向的光強分布對稱的燈具，其規(guī)定非常模糊。國標測試燈具光度數(shù)據(jù)遇到的問題我國配光檢測有三個標準：

GB9467—1988室內燈具光度測試、GB—T207002—1986投光照明燈具光度測試、GB9468—1988道路照明燈具光度測試。這三個標準主要參照CIE相關標準編制，但由于CIE和IESNA標準之間的差異性，這給照明設計者、燈具廠商、軟件開發(fā)商等人員帶來一些問題。例如：GB規(guī)定的路燈檢測時，定義順著行車方向為c0平面，而IESNA規(guī)定為垂至于馬路為c0平面，兩個標準間存在90度的差異。因為照度計算軟件一般都按照燈臂的方向(IESNA的CO-C180方向)調整路燈的傾斜角度，由于這90度差異，按照GB檢測的路燈在軟件中就無法準確調整傾斜角度。除非照度軟件同時支持CIE和IESNA標準，照明設計師可以根據(jù)經驗選擇合適的標準計算。靜電：由于電荷和電場的存在而產生的一種現(xiàn)象。

LED的防靜電控制4靜電現(xiàn)象：靜電力學現(xiàn)象靜電感應現(xiàn)象靜電發(fā)電現(xiàn)象靜電產生帶電電位與體電阻率生產環(huán)境器件失效原因防靜電措施本節(jié)內容參見講義131-139頁

合理選用LED器件5本節(jié)內容參見講義139-140頁漢譯英發(fā)光二極管：Light-emittingdiodes，簡稱LED半導體照明：Solid-statelighting，簡稱SSL白熾燈：Incandescentlamps熒光燈：Fluorescentlamps緊湊型熒光燈/節(jié)能燈：Compactfluorescentlamp，簡稱：CFL鹵鎢燈：Halogentungstenlamp氣體放電燈：Gasdischargelamp路燈：Streetlamp嵌入式天花板燈：Recessedceilinglight臺燈：DeskLamp嵌入式筒燈：Recesseddownlight高壓鈉燈：Highpressuresodiumlamp金屬鹵化物燈：Metal-halidelamp高強度氣體放電燈：High-intensitydischarge