- 探討LED發(fā)光原理及主要參數(shù)
- 了解LED驅(qū)動(dòng)器分類及設(shè)計(jì)方案
- 掌握LED散熱處理方案基礎(chǔ)
【class2】：名家講解最新LED調(diào)光技術(shù)方案
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80016290
【class3】:無(wú)電解電容驅(qū)動(dòng)方案技術(shù)大揭秘
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80016381
【class4】:隔離式LED驅(qū)動(dòng)電源方案的新探索
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80016429
近年來(lái)，LED照明逐漸地得到了社會(huì)各界的推廣和應(yīng)用。LED家庭能夠消費(fèi)的 LED燈都是由各大照明制造商銷(xiāo)售的燈泡型LED燈，很多公司也都陸續(xù)研發(fā)出了熒光燈型的LED燈，LED燈與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源有著不同的特性。要做好LED燈，僅僅依靠LED封裝并不能制作出良好的照明燈具。為了設(shè)計(jì)出更好的LED照明燈具，必須對(duì)LED進(jìn)行區(qū)別于傳統(tǒng)光源的正確的電路設(shè)計(jì)。
本文就圍繞LED照明燈具的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，具體包括是從LED發(fā)光原理及主要參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電路、散熱分析等方面進(jìn)行講解。
一．LED發(fā)光原理及主要參數(shù)
1．LED發(fā)光原理
LED是電子二極管的一種，主要構(gòu)造是PN結(jié)。如圖1，當(dāng)向LED的兩端施加電壓，電子就會(huì)吸收能量并向價(jià)電子帶轉(zhuǎn)移，然后再將吸收的能量釋放出來(lái)。這個(gè)被釋放出的能量就是光。放出的光的波長(zhǎng)和顏色是由半導(dǎo)體的電勢(shì)差決定的。
圖1 LED運(yùn)作原理
LED具有一般硅二極管的類似特性，在正負(fù)極之間施加電壓。當(dāng)外加電壓達(dá)到一個(gè)臨界值，LED中產(chǎn)生電流，開(kāi)始發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)這個(gè)臨界值時(shí)，電流急劇增加。白色LED的臨界電壓值約3.5V。紅色、綠色、藍(lán)色的LED臨界電壓值如表1所示。
表1 LED燈概括圖
我們用電路仿真來(lái)說(shuō)明LED的電子特性以及驅(qū)動(dòng)電路。電路仿真是對(duì)LED和電阻等的電子設(shè)計(jì)進(jìn)行建模并在計(jì)算機(jī)上模擬計(jì)算電路運(yùn)行的一種簡(jiǎn)易方法。這里使用的是Cadence公司的電路仿真PSpice A/D。同時(shí)使用了飛利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。
首先運(yùn)用圖2的電路來(lái)驗(yàn)證LED的電子特性。要得到電壓－電流特性，需要進(jìn)行直流解析。
圖2 驗(yàn)證電壓－電流特性電路
解析結(jié)果如圖3所示
圖3 根據(jù) PSpice A/D所得到的解析結(jié)果：電壓－電流特性
驗(yàn)證LXM3-PM71電壓－電流特性的結(jié)果顯示：在3.0V情況下電流約354mA。
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2．LED的主要參數(shù)與特性
一般而言，用于照明的LED大多是白色。LED照明很大程度上依賴藍(lán)光LED芯片的發(fā)明和發(fā)光效率的提高。
實(shí)現(xiàn)白光LED主要有兩種方式。一種是使用LED芯片和熒光粉，另外一種是使用RGB 3色LED芯片。目前主要是采取第一種方式。
使用熒光粉一般都是在藍(lán)色LED芯片上涂覆黃色熒光粉。從LED芯片中發(fā)出的藍(lán)色光遇到熒光粉時(shí)，部分光轉(zhuǎn)換為黃色光。這部分轉(zhuǎn)換的黃色光和藍(lán)色光參雜在一起，就變成了白色光。通過(guò)調(diào)整熒光粉的量可以控制白光LED的色溫，因此發(fā)光顏色在制作時(shí)就已經(jīng)決定，后期不能調(diào)整。
同時(shí)，混合藍(lán)色光和黃色光的話，由于紅色和綠色的成分不足，造成顯色性不佳。這樣，可以通過(guò)在藍(lán)色LED芯片中參雜紅色和綠色熒光粉或者是在紫外LED芯片中參雜RGB熒光粉，來(lái)提高其顯色性。
使用RGB 3色LED芯片的優(yōu)勢(shì)在于RGB可以調(diào)整各種色度，所以不僅能夠產(chǎn)生白光，還能產(chǎn)生其他各種顏色的光。但是，LED芯片使用量增大，成本也就會(huì)上升。
LED的三大特性：
（1）熱的特性
雖然LED發(fā)熱很少，但是由于LED照明中，需要使用多顆數(shù)瓦級(jí)的LED，所以就會(huì)產(chǎn)生很高的熱量。雖然LED效率比較高，但是高效率僅支持在微小電流中的運(yùn)行。大電流、高溫狀態(tài)下，效率較低。
另外，熒光粉型的LED，在轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)的時(shí)候會(huì)損失能量，從而產(chǎn)生熱量。持續(xù)高溫就會(huì)導(dǎo)致LED芯片、熒光粉、封裝樹(shù)脂壽命降低。因此，為了使LED的“高效率”、“長(zhǎng)壽命”的優(yōu)勢(shì)保持下去，就必須控制LED的結(jié)溫。
（2）電的特性
LED電源與白熾燈、熒光燈有很大的區(qū)別。白熾燈可以直接連接到220V的交流電上。熒光燈雖然有鎮(zhèn)流器和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，但也使用220V的交流電。而LED 的電源則需要直流的恒定電流，所以需要將220V的交流轉(zhuǎn)換為直流。電源的效率不高將直接影響到整個(gè)照明燈具的效率，因此提高電源效率對(duì)于提高LED照明 效率來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。
調(diào)節(jié)LED光的方法主要有兩種。一種是改變恒定電流，一種是改變脈沖調(diào)制。LED是電子與空穴再結(jié)合時(shí)發(fā)光，光束依賴于電流。電流小的情況下，光束和電流基本是成正比的，但當(dāng)LED電流增大，熱量隨之增大，導(dǎo)致發(fā)光效率變低，光束和電流就不成正比了。
在改變脈沖占空比的方法中，由于Talbot-Plateau 效應(yīng)（反復(fù)接受瞬間閃光后，人眼會(huì)感受到反復(fù)時(shí)間內(nèi)的平均亮度），可以根據(jù)脈沖占空比改變亮度。
（3）光特性
與白熾燈和熒光燈相比，1顆LED發(fā)出的光比較少，所以需要使用多顆LED。同時(shí)，由于LED的發(fā)光面積小，亮度高，人眼直視的話很容易眩暈。為了降低亮度，需要使用擴(kuò)散板。但是，使用擴(kuò)散板的話，光向各個(gè)方向發(fā)散，降低了光的效率。
LED、白熾燈、熒光燈的配光分布各不相同。所謂配光分布是指光源的方向以及各方向的發(fā)光強(qiáng)度。即使是相同光束的光源，如果配光分布不同，照度分布也會(huì)不同。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)本來(lái)想要照射的地方照度減小，其余部分反而照度增加的情況。
要減少光的浪費(fèi)，控制配光分布，需要使用透鏡和反光鏡。LED本身就具有發(fā)光面積小、光的放射范圍在半球內(nèi)、配光分布旋轉(zhuǎn)對(duì)稱等優(yōu)點(diǎn)，再加上透鏡和反光鏡，就能構(gòu)成一個(gè)好的光源。
其他在光源屬性中，還有光譜。LED的發(fā)光光譜集中在特定波長(zhǎng)的一個(gè)很窄的范圍，不放射紅外線。因此，在不想使照射物變熱的時(shí)候，使用LED較好。但是，LED自身會(huì)發(fā)熱，所以需要注意防止其導(dǎo)熱。另外還需要注意，熒光粉類型的LED，溫度變化，色溫也會(huì)隨之變化。
擴(kuò)展閱讀，可參考《LED主要參數(shù)與特性》
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80002677
二、LED照明驅(qū)動(dòng)電路基本設(shè)計(jì)
led 的排列方式及LED光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動(dòng)器 要求。LED 驅(qū)動(dòng)器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過(guò)LED 的電流， 而無(wú)論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅(qū)動(dòng)器基本的工作電路示意圖如圖4所示，其中所謂的“隔離”表示交流線路電壓與LED（即輸入與輸出）之間沒(méi)有物理 上的電氣連接，最常用的是采用變壓器來(lái)電氣隔離，而“非隔離”則沒(méi)有采用高頻變壓器來(lái)電氣隔離。
值得一提的是，在LED 照明設(shè)計(jì)中，AC-DC 電源轉(zhuǎn)換與恒流驅(qū)動(dòng)這兩部分電路可以采用不同配置：
（1）整體式（integral）配置，即兩者融合在一起，均位于照明燈具內(nèi)，這種配置的優(yōu)勢(shì)包括優(yōu)化能效及簡(jiǎn)化安裝等；
（2）分布式（distributed）配置，即兩者單獨(dú)存在，這種配置簡(jiǎn)化安全考慮，并增加靈活性。
圖4 LED驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意圖
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LED驅(qū)動(dòng)器分類及設(shè)計(jì)
如今在市場(chǎng)上典型的LED驅(qū)動(dòng)器包括兩類，即線性驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器；大概的適用范圍見(jiàn)圖5.如電流大于500mA的大電流應(yīng)用采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，因?yàn)榫€性驅(qū)動(dòng)器限于自身結(jié)構(gòu)原因，無(wú)法提供這樣大的電流；而在電流低于200mA的低 電流應(yīng)用中，通常采用線性穩(wěn)壓器或分離穩(wěn)壓器；而在200至500mA的中等電流應(yīng) 用中，既可以采用線性穩(wěn)壓器，也可以采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的能效高，且提供極佳的亮度控制。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，提供穩(wěn)流及過(guò)流保護(hù)，且沒(méi)有電磁兼容性（EMC）問(wèn)題。
圖5 LED驅(qū)動(dòng)器分類
在低電流LED應(yīng)用中，電阻型驅(qū)動(dòng)器盡管成本較低且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但這種驅(qū)動(dòng)器在低電壓條件下，正向電流較低，會(huì)導(dǎo)致LED亮度不足，且在負(fù)載突降等瞬態(tài)條件下，LED可能受損；并且電阻是耗能元件，整個(gè)方案的能效較低，見(jiàn)圖6。
圖6 電阻型與線性驅(qū)動(dòng)器對(duì)比
例如在采用DC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，可以采用的LED驅(qū)動(dòng)方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器等，基本的應(yīng)用示意圖見(jiàn)圖7。
圖7 常見(jiàn)的DC—DC LED驅(qū)動(dòng)方式
電阻型驅(qū)動(dòng)方式中，調(diào)整與LED 串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅(qū)動(dòng)方式易于設(shè)計(jì)、成本低，且沒(méi)有電磁兼容（EMC）問(wèn)題，劣勢(shì)是依賴于電壓、需要篩選（binning） LED,且能效較低。
線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計(jì)且沒(méi)有EMC 問(wèn)題，還支持電流穩(wěn)流及過(guò)流保護(hù)（fold back），且提供外部電流設(shè)定點(diǎn)，不足在于功率耗散問(wèn)題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通過(guò)PWM 控制模塊不斷控制開(kāi)關(guān)（FET）的開(kāi)和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無(wú)關(guān)，且能控制亮度，不足則是成本相對(duì)較高，復(fù)雜度也更高，且存在電磁干擾（EMI）問(wèn)題。LED DC-DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、降壓-升壓（Buck-Boost）或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）等不同類型。
其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED 串最大電壓時(shí)采用降壓結(jié)構(gòu)，如采用24 Vdc 驅(qū)動(dòng)6 顆串聯(lián)的LED;與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時(shí)采用升壓結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 驅(qū)動(dòng) 6 顆串聯(lián)的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)可以采用降壓-升壓或SEPIC 結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅(qū)動(dòng) 4 顆串聯(lián)的LED,但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。
擴(kuò)展學(xué)習(xí)，可閱讀下面材料：
照明用LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80002718
LED照明驅(qū)動(dòng)選擇與設(shè)計(jì)技巧大揭秘
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80009319
三、LED散熱處理方案及基礎(chǔ)
在LED燈具設(shè)計(jì)中，如果僅僅依靠LED封裝并不能制作出好的照明燈具。本環(huán)節(jié)主要從熱分析方面對(duì)如何運(yùn)用LED特性的設(shè)計(jì)進(jìn)行解說(shuō)。雖然白熾燈和熒光燈的能量損失大，但是大部分能量都是通過(guò)紅外線直接放射出去，光源的發(fā)熱少；而LED，除了作為可視光消耗的能量，其它能量都轉(zhuǎn)換成了熱。另外，由于LED封裝面積小，通過(guò)對(duì)流和輻射的散熱少，從而積累了大量的熱。
熱解決方案簡(jiǎn)單的說(shuō)就是解決因?yàn)闊岙a(chǎn)生的各種問(wèn)題。主要有：
1.因?yàn)闊崤蛎泴?dǎo)致彎曲和龜裂
電子設(shè)備由多個(gè)零件構(gòu)成，每個(gè)零件的材質(zhì)都不一樣，熱脹冷縮的尺度也不一樣。因此，當(dāng)各種材質(zhì)組合在一起的時(shí)候就有可能使材質(zhì)發(fā)生彎曲，膨脹時(shí)，產(chǎn)品在連接處因?yàn)閼?yīng)力過(guò)多就會(huì)產(chǎn)生龜裂。
2.電子電路的運(yùn)行障礙
一般來(lái)說(shuō)，作為熱源的半導(dǎo)體元件，有這樣一個(gè)特性，即當(dāng)電子設(shè)備中的半導(dǎo)體元件溫度上升，電的阻抗就會(huì)變小。這樣就容易陷入“溫度上升－阻抗下降－電流增加－熱增加－溫度上升”的惡性循環(huán)，進(jìn)而容易發(fā)生燒斷的現(xiàn)象。
3.材料品質(zhì)的惡化
一般說(shuō)來(lái)，電子設(shè)備中使用的材料容易氧化，溫度越高氧化越快，如果讓這些材料反復(fù)經(jīng)過(guò)高溫氧化，就會(huì)縮短其壽命。同時(shí)，反復(fù)加熱，材料多次膨脹，多次冷縮，會(huì)降低材料的強(qiáng)度，從而破壞了材料。
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LED的熱解決方案
要避免電子設(shè)備的發(fā)熱有多種方法。比如，加散熱器，在熱源周?chē)仓媚芴峁├錃獾娘L(fēng)扇。前者是通過(guò)增加散熱面積，來(lái)增加散熱的通道，后者是使熱不在熱源周?chē)奂５?，正如圖1 LED燈的概括圖所示，LED封裝時(shí)不能直接連接散熱器，也沒(méi)有安裝風(fēng)扇的位置。而且內(nèi)部電源電路板也會(huì)產(chǎn)生熱量，因此LED燈的散熱問(wèn)題可以說(shuō)是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。這樣，如何有效使用LED安裝材質(zhì)和散熱器就變得很重要。
圖8 LED燈概括圖
那么如何有效利用LED安裝材質(zhì)和散熱器呢？首先必須把握產(chǎn)生熱的傳熱路徑。
LED元件產(chǎn)生的熱通過(guò)封裝的導(dǎo)線向電路板移動(dòng)，然后再通過(guò)散熱器放熱。電源電路板產(chǎn)生的熱也是如此，通過(guò)電路板周?chē)目諝夂吞畛洳馁|(zhì)，透過(guò)散熱器向外部散熱。
熱解決方案中重要的是排除傳熱路徑中阻礙傳熱的因素，比如可以考慮在傳熱路徑中使用導(dǎo)熱性能好的材質(zhì)、擴(kuò)大路徑的斷面面積（例如，粗的銅線比細(xì)的銅線更容易導(dǎo)熱）、涂導(dǎo)熱潤(rùn)滑劑使產(chǎn)品的連接部位不留空隙。
另外，即使通過(guò)這些提高了導(dǎo)熱特性，但如果散熱器不向外部散熱，內(nèi)部還是會(huì)聚集很多熱。因此也必須提高散熱器表面的放熱特性。典型的方法就是在表面多安裝幾個(gè)散熱片，擴(kuò)大散熱器的放熱面積。
擴(kuò)展閱讀：
LED散熱途徑分析及散熱基板發(fā)展趨勢(shì)
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LED應(yīng)用
LED具有發(fā)光效率高、 壽命長(zhǎng)、輕便、不含有害物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。高發(fā)光效率可以增加電池的使用壽命，對(duì)于隨身攜帶的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)很適合。LED的使用壽命是一般白熾燈的2～3倍 (有些資料顯示是40倍)， 因?yàn)閴勖L(zhǎng)而使用LED的一個(gè)典型例子就是交通信號(hào)燈。另外，由于LED燈的反應(yīng)速度非?？?，所以也適合用于汽車(chē)的剎車(chē)燈。LED燈具的設(shè)計(jì)自由度非常高，不僅能調(diào)節(jié)亮度，還能調(diào)節(jié)色度。
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