1、LED照明系統(tǒng)的研究與設計摘 要在當今全球 HYPERLINK :/ energy.hc360 / t _blank 能源緊缺的環(huán)境下，節(jié)約能源已成為大勢所趨。同時，國家也大力倡導節(jié)能減排，已結束的2021年北京奧運會和正在舉辦的2021年上海世博會都不約而同地以綠色節(jié)能為主題，這就給中國 HYPERLINK :/info.ec.hc360 /list/cpzl_led.shtml t _blank LED照明產業(yè)的開展帶來了巨大的歷史機遇。LED與傳統(tǒng)光源相比，具有節(jié)能、環(huán)保、響應時間短、效率高、體積小、壽命長、抗震性好等多項優(yōu)勢，因而受到人們的青睞,也成為當前各國半導體照明領域研究的熱點。

2、本文圍繞LED用于照明燈的散熱設計、電路設計、燈具設計、照明系統(tǒng)設計等關鍵技術進行研究,具體完成的工作歸納如下：1.研究了LED器件的光學特性、熱學特性、電學特性。分析了LED的工作原理，對各項性能的研究。2.分析了PN結溫度升高對LED性能的影響，討論了LED燈具散熱的重要性,研究了LED燈具的散熱途徑。分析了LED的熱阻及其模型，熱阻的測試和減小熱阻的方法。3.分析了LED照明系統(tǒng)的設計，研究了LED照明系統(tǒng)的電路設計、燈具設計，討論了驅動電路的工作原理和設計要求、燈具的設計功能和指標，通過燈具、光源、驅動器組成了一個照明系統(tǒng)。最后，對全文的工作進行了總結。關鍵詞：LED；照明系統(tǒng)；驅動電

3、路；散熱； The Research And DeviseOf LED Lighting SystemAbstractIn todays environment of global energy shortage, energy conservation has become a trend. The state advocate energy saving, has ended the 2021 Beijing Olympic Games and is being held in World Expo 2021 Shanghai Coincidentally, both the green

4、energy theme this to the development of Chinas LED lighting industry brought great historical opportunity . Compared with the traditional light source LED, energy saving, environmental protection, response time, high efficiency, small size, long life and good number of earthquake, and therefore, by

5、the people of all ages, has become the national semiconductor lighting in the field of research. This paper focuses on LED lighting for the thermal design, circuit design, lighting design, lighting design, key technology research, the specific work completed as follows: 1. Of the optical characteris

6、tics of LED devices, thermal properties, electrical properties. The working principle of the LED, on the various properties. 2. Analysis of the PN junction temperature on the LED performance, discussed the importance of LED heat lamps, heat lamps of the LED channels. Analysis and model the thermal r

7、esistance of LED, thermal resistance and reduce the thermal resistance test methods. 3. Analysis of the LED lighting system design, research the LED lighting system, circuit design, lighting design, to discuss the driver circuit operating principle and design, lighting design features and targets, t

8、hrough the lamp, light source, the drive to form a lighting system. Finally, the paper summarizes the work.Keywords: LED；Lighting System；Drive circuit；Cooling目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc291595013 Abstract PAGEREF _Toc291595013 h II HYPERLINK l _Toc291595014 前言 PAGEREF _Toc291595014 h 1 HYPER

9、LINK l _Toc291595015 1 LED的開展及其根本知識 PAGEREF _Toc291595015 h 2 HYPERLINK l _Toc291595016 1.1 LED的開展歷程 PAGEREF _Toc291595016 h 2 HYPERLINK l _Toc291595017 1.2 LED的工作原理、特性及其分類 PAGEREF _Toc291595017 h 3 HYPERLINK l _Toc291595018 1.2.1 LED發(fā)光原理 PAGEREF _Toc291595018 h 3 HYPERLINK l _Toc291595019 1.2.2 LED

10、的特性 PAGEREF _Toc291595019 h 4 HYPERLINK l _Toc291595020 1.2.3 LED的分類 PAGEREF _Toc291595020 h 6 HYPERLINK l _Toc291595021 2 LED照明系統(tǒng)的散熱性研究 PAGEREF _Toc291595021 h 8 HYPERLINK l _Toc291595022 2.1 LED的結溫 PAGEREF _Toc291595022 h 8 HYPERLINK l _Toc291595023 2.1.1 LED結溫的產生 PAGEREF _Toc291595023 h 8 HYPERLI

11、NK l _Toc291595024 2.1.2 結溫對LED的影響 PAGEREF _Toc291595024 h 9 HYPERLINK l _Toc291595025 2.2 LED的熱阻 PAGEREF _Toc291595025 h 12 HYPERLINK l _Toc291595026 LED器件的熱阻模型及其構成和特點 PAGEREF _Toc291595026 h 13 HYPERLINK l _Toc291595027 2.2.2 熱阻對LED芯片尺寸的影響 PAGEREF _Toc291595027 h 15 HYPERLINK l _Toc291595028 常用熱阻測

12、試方法 PAGEREF _Toc291595028 h 15 HYPERLINK l _Toc291595029 減小LED的熱阻值方法 PAGEREF _Toc291595029 h 16 HYPERLINK l _Toc291595030 3 LED照明系統(tǒng)的電路設計 PAGEREF _Toc291595030 h 17 HYPERLINK l _Toc291595031 3.1 照明用LED主要技術特性 PAGEREF _Toc291595031 h 17 HYPERLINK l _Toc291595032 3.2 LED驅動電路技術 PAGEREF _Toc291595032 h 20

13、 HYPERLINK l _Toc291595033 3.2.1 LED驅動電路的根本原理 PAGEREF _Toc291595033 h 20 HYPERLINK l _Toc291595034 3.2.2 LED驅動電路的要求 PAGEREF _Toc291595034 h 22 HYPERLINK l _Toc291595035 3.2.3 LED驅動電路的設計 PAGEREF _Toc291595035 h 24 HYPERLINK l _Toc291595036 結束語 PAGEREF _Toc291595036 h 29 HYPERLINK l _Toc291595037 致 謝

14、PAGEREF _Toc291595037 h 30 HYPERLINK l _Toc291595038 參考文獻 PAGEREF _Toc291595038 h 31前言LED被認為是21 世紀的照明光源。LED發(fā)光器件是冷光源，光效高，工作電壓低，而且能耗低，同樣亮度下，LED能耗為白熾燈的10%，熒光燈的50%。LED壽命可達10萬小時，是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍。用LED 替代白熾燈或熒光燈，環(huán)保無污染。使用平安可靠，便于維護。我國照明用電占總發(fā)電量的12%。目前，公共建筑的照明燈具控制大多采用手動開關，經常出現(xiàn)沒有及時開關的現(xiàn)象，從而造成大量的能源浪費和使用上的不便。另外，不

15、必要的使用，也會縮短燈具的使用壽命。1 LED的開展及其根本知識 1.1 LED的開展歷程1907年Henry Joseph Round 第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象。由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實際應用；研究被摒棄了。二十年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard 在德國使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光。再一次因發(fā)光暗淡而停止。1936年,George Destiau出版了一個關于硫化鋅粉末發(fā)射光的報告。隨著電流的應用和廣泛的認識，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光這個術語。 LED光源的正式問世是在上世紀60年代，當時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光p=650nm，

16、在驅動電流為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流明/瓦。 70年代中期，引入元素In和N，使LED產生綠光p=555nm、黃光p=590nm和橙色光p=610nm，光效也提高到1流明/瓦。 80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效到達10流明/瓦。 90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的發(fā)光效率得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)p=615nm的光效到達100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域p=530nm的發(fā)光效率可以到達50流明/瓦。 LED以其固有的特點，

17、如省電、壽命長、耐震動，響應速度快、冷光源等特點，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、 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，無法作為通用光源推廣應用。 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。曾經有人指出，高亮度LED將是人類繼愛

18、迪生創(chuàng)造白熾燈泡后，最偉大的創(chuàng)造之一。 目前在美國，戶外照明所消耗的電量約占其總發(fā)電量的4.4%。正是基于這一情況，美國眾議院最近提出了一份新議案，要求逐步淘汰能效低下的舊技術(如白熾燈和鹵素燈)，為能效更高、更具本錢效益的新照明技術(如高亮度LED)的開展鋪平道路。1.2 LED的工作原理、特性及其分類 LED發(fā)光原理 發(fā)光二極管是由-族化合物，如GaAs砷化鎵、GaP磷化鎵、GaAsP磷砷化鎵等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方

19、區(qū)域的少數(shù)載流子少子一局部與多數(shù)載流子多子復合而發(fā)光，如圖1-1所示。圖1-1 LED發(fā)光原理假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心這個中心介于導帶、介帶中間附近捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結面數(shù)m以內產生。 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g有關，即1240/Egmm 式中Eg的單位為電子伏特eV。假設能產生可見光波長

20、在380nm紫光780nm紅光，半導體材料的Eg應在3.261.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管，但其中藍光二極管本錢、價格很高，使用不普遍。 LED的特性 1極限參數(shù)的意義 1允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。 2最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。 3最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。4工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大

21、降低。 2電參數(shù)的意義 1光譜分布和峰值波長：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖2所示。 圖1-2 LED光譜分布和峰值波長 由圖1-2可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長0的光強最大，該波長為峰值波長。 2發(fā)光強度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線對圓柱形發(fā)光管是指其軸線方向上的發(fā)光強度。假設在該方向上輻射強度為1/683W/sr時，那么發(fā)光1坎德拉符號為cd。由于一般LED的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉(mcd)作單位。 4半值角1/2和視角：1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向法向的夾角。 5正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流

22、值。在實際使用中應根據(jù)需要選擇IF在0.6IFm以下。 6正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.43V。在外界溫度升高時，VF將下降。 7V-I特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關系可用圖2-6表示。圖1-3 LED V-I特性 在正向電壓正小于某一值叫閾值時，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR10A以下。 LED的分類 1按發(fā)光管發(fā)光顏色分 按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠

23、色又細分黃綠、標準綠和純綠、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。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。 2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、側向管、外表安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為2mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。國外通常把3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把5mm的記作T-13/4；把的記作T-11/4。 由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類： 1高指向性。一般為

24、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520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。 2標準型。通常作指示燈用，其半值角為2045。 3散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為4590或更大，散射劑的量較大。 3按發(fā)光二極管的結構分 按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。 4按發(fā)光強度和工作電流分 按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED發(fā)光強度100mcd；把發(fā)光強度在10100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。 一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以

25、下亮度與普通發(fā)光管相同。 除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。2 LED照明系統(tǒng)的散熱性研究LED在工作時會大量發(fā)熱，散熱不良將導致芯片結溫迅速上升，環(huán)氧樹脂炭化變黃，LED加速光衰，降低了LED的壽命，因而要解決散熱問題。常用鋁質基來給LED散熱，這就牽涉到絕緣問題，如果絕緣不好會導致大量LED不通或者損毀。另外，用于隧道、偏遠地區(qū)等潮濕、灰塵大的場合還要考慮放水、防塵等工藝。LED器件的散熱途徑主要是熱傳導和熱對流。2.1 LED的結溫LED是個光電器件，其工作過程中只有15%25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱

26、是個大問題。例如，1個10W白光LED假設其光電轉換效率為20%，那么有8W的電能轉換成熱能，假設不加散熱措施，那么大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結溫TJ上升超過最大允許溫度時一般是150，大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。2 LED結溫的產生LED的根本結構是一個半導體的P-N結。實驗指出，當電流流過LED器件時，P-N結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把P-N結區(qū)的溫度視之為結溫。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結盟。在LED工作時，可存在以下四種情況促使結溫不同程度的上升：1、器件不良的電極

27、結構，窗口層襯底或結區(qū)的材料以及導電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構成LED器伯的串聯(lián)電阻。當電流流過P-N結時，同時也會流過這些電阻，從而產生焦耳熱，引致芯片溫度或結溫的升高。2、由于P-N結不可能極端完美，器件的注入效率不會到達100%，也即是說，在LED工作時除P區(qū)向N區(qū)注入電荷空穴外，N區(qū)也會向P區(qū)注入電荷電子，一般情況下，后一類的電荷注入不會產生光電效應，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使有用的那局部注入電荷，也不會全部變成光，有一局部與結區(qū)的雜質或缺陷相結合，最終也會變成熱。3、實踐證明，出光效率的限制是導致LED結溫升高的主要原因。目前，先進的材料生長與器件制造工藝已能使

28、LED極大多數(shù)輸入電能轉換成光輻射能，然而由于LED芯片材料與周圍介質相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯片內部產生的極大局部光子90%無法順利地溢出界面，而在芯片與介質面產生全反射，返回芯片內部并通過屢次內部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動的形式變成熱，促使結溫升高。4、顯然，LED器件的熱散失能力是決定結溫上下的又一個關鍵條件。散熱能力強時，結溫下降，反之，散熱能力差時結溫將上升。由于環(huán)氧膠是低熱導材料，因此P-N結處產生的熱量很難通過透明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大局部熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層，PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關材料的導熱能力將直接影響器件的熱散失效率。一

29、個普通型的LED，從P-N結區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在300-600/w之間，對于一個具有良好結構的功率型LED器件，其總熱阻約為15-30/w。巨大的熱阻差異說明普通型器件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦級甚至更高。2.1.2 結溫對LED的影響1對LED光輸出的影響實驗指出，LED的光輸出均明顯依賴于器件的結晶。當LED的結溫升高時，器件的輸出光強度將逐漸減小，而光結溫下降時，光輸出強度將增大。表2-1列出了相對于25而言100結溫時不同波長響應的InGaAlP與InGaN LED的光輸出通量的相對變化值。這種變化的數(shù)字表達式如式1-1所示 v(T2

30、)= v(T1)e-kT (1-1)其中v(T2 )與v(T1)分別表示結溫T2與T1的光通量輸出，k為溫度系數(shù)，T= T2 - T1 。一般情況下，K值可由實驗測定，對于InGaAlP LED,K值約為110-2，隨發(fā)光波長的變短略有增加。式1-2指出了光輸出通量結溫變化的另一種表示形式T2=T1e-( T2- T1 /T0) (1-2) 表2-1 100結溫時相對于25結溫LED光通量的相對變化LED材料100/25InGaAlP590nm20%620nm30%640nm42%InGaN綠70%青80%藍或白90% 這里T0表一種特征溫度，T值與材料有關。實驗指出，對于紅色的InGaAlP

31、 LED，T0 =85，對于琥珀色InGaAlP LED，T0 55。而對于InGaN LED，T0 值約為840，說明InGaN器件的溫度系數(shù)遠小于發(fā)紅、黃光的InGaAlP器件，也即光通量隨溫度增加而減小的速率比InGaAlP小得多。 一般情況下，光輸出通量隨結溫的增加而減小的效應是可逆的，也即當溫度回復到初始溫度時，光輸出通量會有一個恢復性的增長。這種效應的發(fā)生機制顯然是由于材料的一些相關參數(shù)會隨溫度變化，從而導致器件參數(shù)的變化。如隨溫度的增加，電子與空穴的濃度會增加，禁帶寬度會變小，電子遷移率也將減小。這些參量的變化必定引致器件輸出光通量的改變。然而當溫度恢復至初態(tài)時，器件參數(shù)的變化也

32、將隨之消失，輸出光通量也會回復至初態(tài)值。2對發(fā)光波長和顏色的影響LED的發(fā)光波長一般可分成峰值波長與主波長二類，前者表示光強最大的波長，而主波長可由X、Y色度坐標決定，反映了人眼可感知的顏色。顯然，結溫所引致的LED發(fā)光波長的變化將直接造成人眼對LED發(fā)光顏色的不同感受。對于一個LED器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長或顏色。InGaAlP與InGaN材料屬III-V族化合物半導體，它們的性質與GaAs相仿，當溫度升高時，材料的禁帶寬度將減小，導致器件發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移。通?？蓪⒉ㄩL隨結溫的變化表示如下：T2=T1+TKnm/ 1-3 其中：T2 結溫T2時的波長 T

33、1 結溫T1時的波長 Kd，Kp 主波長與峰值波長隨溫度的變化系數(shù)表2-2 LED波長偏移系數(shù)器件顏色KdKp單位InGaAlP紅nm/琥珀nm/InGaN綠nm/青藍深藍表2-2指出了InGaAlP與InGaN器件主波長與峰值波長的K值，由表可知，對于InGaN與InGaAlPLED，峰值波長隨溫度的變化要大于主波長隨溫度的變化，其中InGaAlPLED尤甚。人眼對不同波長的顏色感知靈敏度是存在著很大差異的，在藍、綠、黃區(qū)域，很小的波長變化就將引致人眼感覺上的變化，從而對藍、綠、黃器件的溫升效應提出了更高的要求，一般來說，2-5nm的波長變化人眼就可以感覺到，而對紅光波長的變化，人眼的感覺就

34、要相對遲鈍一些，但也能感覺到15nm的波長差異。為定量地說明人眼對不同波長顏色的感知程度，有些公司的產品將顏色倉的波長間隔分得很細，僅為2-3nm，但對于紅色區(qū)域，其間隔擴大到15nm。這就是說，為什么對黃色交通信號燈的顏色標定與均勻度的要求較高，而紅色交通信號燈的顏色要求相對要低得多。3LED的正向電壓與結溫之間存在的關系3.5V之間。在小電流近似下，LED器件的正向壓降由式1-4表示： V1 =nkT/qInI1 /I0+RsIf (1-4)式中V1 為正向電壓、If為正向電流，I0 為反向飽和電流，q為電子電荷，K是玻爾茲曼常數(shù)，Rs是串聯(lián)電阻，n是表征P-N結完美性的一個參量，處在1-

35、2之間。分析式1-3的右邊發(fā)現(xiàn)，只是反向飽和電流I0與溫度密切相關，I0 值隨結溫的升高而增大，導致正向電壓 V1 值下降，實驗指出，在輸入電流恒定的情況下，對于一個確定的LED器件，二 正向壓降與溫度的關系可由式1-5表示： VfT =VfT0+KT-T0 (1-5)式中VfT與V fT0分別表示結溫為T與T0時的正向壓降，K是壓降隨溫度變化的系數(shù)。 表2-3 InGaAlP與InGaN LED的電壓溫度系數(shù)器件顏色K單位InGaAeP紅-2mv/琥珀InGaN綠-2mv/綠藍綠藍深藍白溫度的變化是可恢復的，但在高溫情況下，由于結區(qū)缺陷與雜質的大量增殖與集聚，也將造成額外復合電流的增加，而使

36、正向電壓下降，甚至出現(xiàn)惡性循環(huán)。通常，恒流是LED工作的較好的模式，如在恒壓條件下，由于溫升效應使正向電壓下降與正向電增加，并形成惡性循環(huán)，最終導致器件損壞。2.2 LED的熱阻通常將二個節(jié)點間單位熱功率輸運所產生的溫度差定義為該二個節(jié)點間的熱阻。其數(shù)學表達式為： R0=T/PD 1-6其中R0為節(jié)點1與2之間的熱阻，T為節(jié)點1與2之間的溫差，PD為二點間的熱功率流，熱阻的單位為/W，即二點間流過單位熱功率流W所產生的溫度差。顯然，熱阻R0越大，散熱能力越差；反之，R0越小，散熱能力越強。當電功率W=VFIF施加到LED上后，在器件的P-N結處將會產生大量的熱，致使芯片溫度迅速升高。由于器件良

37、好的熱特性，大局部熱量將通過銀漿、管殼、散熱基板、PCB散發(fā)到周圍環(huán)境中去，從而抑制了器件芯片的升溫。類同于電學中的電阻特性，熱阻也存在著相同的運算法那么。當n個熱阻R01，R02R0n相串聯(lián)時，系統(tǒng)的總熱阻為所有熱阻值的相加，即 R0總= R01+ R02+ R03+R0n 1-7當n個熱阻R01、R02、R03R0n相并聯(lián)時，系統(tǒng)總熱阻的倒數(shù)等于各個熱阻的倒數(shù)之和。即 1/R0總= 1/R01+ 1/R02+ 1/R03+1/+R0n 1-8顯然，熱阻是熱學中的一個重要參量，實驗上，只要我們測得二節(jié)點間的熱功率流以及二個節(jié)點處的溫度，我們就可根據(jù)式1-6求得該二個節(jié)點間的熱阻。同樣，只要知

38、道某系統(tǒng)二個節(jié)點間的熱阻與熱功率流數(shù)值，我們就可以求得二點間的溫差，并且可以根據(jù)某點處的溫度，求得另一個節(jié)點的溫度值。2 LED器件的熱阻模型及其構成和特點 從LED器件的結構，可以建立它的熱阻構成的模型。圖2-1是一個典型的LED器件結構示意圖。由圖知，暫不計LED芯片有源層到襯底間的熱阻，那么芯片內部主要是襯底的熱阻，我們用RS來表示；第二，襯底與引線支架間由于存在粘結層，因此襯底到支架有一個粘結材料引人的熱阻，用Rx來表示；第三，安放芯片的支架到自由空間的熱阻Rf，這三個熱阻構成LED芯片PN結到空氣之間的總熱阻R，于是： R =RS+Rx+Rf 1-9 (1)襯底到支架的熱阻。假定芯片

39、襯底是一個200m的正方形，銀膠的厚度為100m,銀膠的導熱系數(shù)為20W/m*k,可求得芯片襯底到支架的熱阻為：Rx=h/銀膠*s=/20W/m*k*125/W(2)LED襯底的熱阻。 假設LED襯底是GaAs，那么GaAs18W/m*k,當厚度為時，襯底的熱阻：RS=/18W/m*k*0.2*0.2*10-8M2138/W(3)支架的熱阻。鐵支架到空氣的熱阻可求得為/W，這個LED的總熱阻R=RS+Rx+Rf=267/W。這個LED當使用環(huán)境溫度為65時，它最多能承受的電功率小于0.2W。上面討論中，還未計人芯片有源層本身的熱阻，只是這一層比擬薄，盡管也是GaAs材料，由于厚度公幾十微米，其

40、熱阻較襯底45倍，約在30/W左右?？梢钥闯?，普通封裝的LED其總熱阻在300/W左右，只適用于小功率使用。根據(jù)上述的熱阻模型，LED的熱阻的主要奉獻在于襯底和襯底到支架間的粘合材料引起的熱阻，對于功率LED要降低熱阻除加大襯底面積即芯片面積外，用高導熱系數(shù)材料作襯底，及用高導熱系數(shù)的合金材料作粘結料是降低LED熱阻的主要途徑。例如，用導熱系數(shù)為75W/M*K的硅材料作襯底，在芯片面積為1mm2,硅襯底厚度為時，襯底的熱阻RS為：RS=h/si*s=0.3*10-3/75*1*10-64/W這就比常規(guī)*面積的GaAs襯底熱阻低得多。假設再用純錫Sn作襯底與支架的焊料時，粘結層熱阻Rx就為：Rx

41、=h/si*s=0.2*10-3/76W/m*k*1*10-6/W這樣，功率LED的總熱阻有望可以控制在46/W以內， 此時熱阻主要奉獻在于芯片材料本身。目前已有熱阻低于40/W的封裝，但這要求LED芯片在襯底材料和粘合材料上改良，前者用硅作襯底，后者用AuSn或鉛錫PbSn等合金材料用合金工藝來將芯片粘結在引線支架上，取代常規(guī)的銀膠。2 熱阻對LED芯片尺寸的影響 倒裝焊更有利于散熱，但凸焊點的熱阻還需減小。導熱銀膠的熱阻有待改善。封裝材料方面，傳統(tǒng)的環(huán)氧膠高溫性能不佳。2 常用熱阻測試方法根據(jù)LED的熱阻公式：R= T / W 1-10式中，T結=T T環(huán)境 ，W為輸入電功率，一般情況下，

42、W=V*I，其中V是外加電壓，I為正向電流。由于式1-10中，T 是可以測得的，W也可通過計算求得。因此我們只要測出PN結T，就可以求得LED的總熱阻值R，一個簡單而直接的方法是采用微型熱偶或紅外測溫顯微鏡，直接測得LED芯片外表的溫度，并將此溫度視為芯片結溫。然而，此方法顯然有些粗糙，并且對于一個現(xiàn)成的LED管難于直接測量芯片外表的溫度。通?？衫么_定電流下的正向偏壓與結溫之間正比變化的關系來判定LED的結溫。根據(jù)PN結的電流公式，LED的VF可以表示為： VF=KT/q*InIF/IF(0)=KT/q*C 1-11式中用C=In IF/IF(0)，當IF為常數(shù)即恒流情況下時C為常數(shù)。對1-

43、11式求溫度T的導數(shù)可以得： dVF / dT = k / q * C 1-12 對一個LED來講，1-12式是線性關系，大量測試證明LED的VF溫度系數(shù)：dVF/dT 1.8 mv/2mv范圍內的負溫度系數(shù)，根本上是一個可預知的數(shù)。一般可取dVF/DT=2mv/,作工程近似計算數(shù)值。我們在被測LED上施加缺乏以引起PN結溫升的恒定較小的電流例如IF=1MA，并將被測LED放置在溫度可調節(jié)的恒溫槽或箱內測出不同Tj下的VF值。可以發(fā)現(xiàn)它符合1-12式的規(guī)律，可做由圖1所示的VFT 曲線：假設被測LED在Tj = 100時，其VF=1.7V,在20時,其80*2mv/=1.86V。第二步可以對被

44、測LED在常溫下施加足夠大的電功率P0，使其溫生提高，當?shù)竭_溫度平衡時，此時快速切斷這一電功率，并轉換成IF在小電流狀態(tài)，迅速測出其VF，例如測得VF=1.70V，那么可以知道，在功率P0使然下，LED PN 結溫上升到達100，p0作用下溫度從常溫25上升到Tj=100。于是就可以計算出這個LED PN結到空氣間的熱阻總熱阻假設P0=1W時有： R=Tj/P4=10025/1W=75/W以上就是測量熱阻的一個更為常用的方法。2 減小LED的熱阻值方法對于一個LED管，設法降低PN結與應用環(huán)境的熱阻是提高器件散熱能力的根本途徑。由于環(huán)氧膠是低熱導材料，因此PN結處產生的熱量很難通過透明環(huán)氧向上

45、散熱到環(huán)境中去、大局部熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘結層、PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然、相關材料的導熱能力將直接影響器件的熱阻與散熱性能。表2-4 LED襯底材料的熱導系數(shù)：材料SiAl2O3GaAsSiC熱導系數(shù)w/mk75251849表2-5常用熱沉材料的熱導系數(shù)：材料碳銅黃銅鋁合金金銀錫鋅純銅純鋁純鐵熱導系數(shù)w/mk109162315427427121398236表2-4、表2-5指出了假設干常用的襯底與熱沉材料的導熱系數(shù)值。銀漿與環(huán)氧的數(shù)據(jù)未在表中列出，他們的導熱系數(shù)值分別為2030 w/mk與1525 w/mk。知道了材料的熱導系數(shù)，即可根據(jù)下式計算熱阻值： R=h/*s式中 為物體

46、的熱導系數(shù)，單位為w/mk瓦/米*度。S為物體截面積單位為平方米。H為導熱路徑上二個節(jié)點間的距離，單位為m米。顯然為減小LED的總熱阻，應設法減小芯片PN結到環(huán)境之間的距離，增大散熱通道面積及采用高熱導的材料，由于LED的襯底材料GaAs、藍寶石以及環(huán)氧、銀漿與粘結劑均是一些低熱導的材料，為減小熱阻，近年來相繼開發(fā)了去除GaAs襯底、采用倒裝結構以及改用金屬直接替代膠結等新技術。目前這些技術逐漸成熟，并大量投入生產。由表2-5可知，純銅與純鋁是二種具有極高熱導的適與制造LED支架與熱沉的材料。材料確定后，散熱通道的截面積與散熱片外表積的大小決定了器件的總熱阻。實驗指出，散熱面積越大，熱阻越低。

47、另外，通過風扇使環(huán)境氣氧產生了強制交換，也是減小阻的有效途徑。3 LED照明系統(tǒng)的電路設計LED是利用化合物材料制成PN結的光電器件。它具備PN結結型器件的電學特性、光學特性。3.1 照明用LED主要技術特性1、電學特性I-V特性：表征LED芯片PN結性能主要參數(shù)。LED的伏安特性具有非線性和單向導電性，即外加正向偏壓表現(xiàn)為低電阻，反之為高電阻。如圖1所示。圖3-1 伏安特性曲線1正向死區(qū)圖1中的oa段或oa段。a點電壓Va點對于o點電壓Vo為開啟電壓，當VVF的正向工作區(qū)，IF隨VF的增大呈指數(shù)規(guī)律上升： (1-14)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

48、IF的值的大小，在IFmIFm為正向工作電流最大值以下。正向工作電壓VF是在給定正向電流下得到的，一般在時測得的。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)，V0時，PN結加反響偏壓。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那么LED的功率消耗為。當LED工作時，假設外加偏壓、偏流一定，那么會促使PN結內的一局部載流子復合發(fā)光，還有

49、一局部變?yōu)闊崮?，使?jié)溫升高。假設節(jié)溫為Tj外部環(huán)境溫度為Ta，那么時，LED內部的熱量借助管座向外釋放，散發(fā)的熱量可以表示為。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、器件的結電容及電路阻抗。2、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I：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，故都具有很強指向性。位于法向方向光強最大，其與水平面交角為

50、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I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、性質及PN結結構外延層厚度、摻雜雜質等有關，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?？梢姽釲ED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

51、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)光體外表亮度等于發(fā)光體外表上單位投射面積在單位立體角內所輻射的光通量，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。3.2 LED驅動電路技術圖3-2 LED燈具驅開工作原理3 LED驅動電路的根本原理與熒光燈的 HYPERLINK javascript:; t _self 電子鎮(zhèn)流器不同，LED驅動電路的主要功能是將交流電壓轉換為直流電壓，并同

52、時完成與LED的電壓和電流的匹配。LED的正向伏安特性如圖3-3所示： 圖3-3 LED的正向伏安特性 照明工程師社區(qū)K0Dw KA所以，LED伏安特性的數(shù)字模型可用下式表示：VF=Vturn-on+RsIF+(VF/T)(T-25)其中，Vturn-on是LED的啟動電壓Rs表示伏安曲線的斜率T表示環(huán)境溫度VF/T是LED正向電壓的溫度系數(shù)，對于多數(shù)LED而言典型值為-2V/。從LED的伏安曲線及數(shù)字模型看，LED在正向導通后其正向電壓的細小變動將引起LED電流的很大變化，并且，環(huán)境溫度，LED老化時間等因素也將改變影響LED的電氣性能。而LED的光輸出直接與LED電流相關，所以LED驅動電

53、路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下最好能控制LED電流的大小。否那么，LED的光輸出將隨輸入電壓和溫度等因素變化而變化，并且，假設LED電流失控，LED長期工作在大電流下將影響LED的可靠性和壽命，并有可能失效。LED驅動電路拓撲結構已廣泛地運用于照明，汽車電子，路標，顯示背光等領域。在實際運用中，負載常采用通過串并聯(lián)形成的LED陣列，這會使輸出電流隨輸入電壓和環(huán)境溫度等因素而發(fā)生的變化更加顯著，并且陣列形式或LED個數(shù)變化，限流電阻也應相應變化，所以LED驅動電路中，引入了電壓或電流反應控制環(huán)節(jié)。用戶可以根據(jù)需要改變負載LED陣列形式和LED個數(shù)，得到不同的輸出功率。同時該驅動電路

54、也克服了因輸入電壓，環(huán)境溫度等因素而導致LED燈光的顏色易變動等弊端，功率因數(shù)可到達0.9以上，THD可做到20%以下，壽命可到達50000小時以上，同時還可完成從100%到1%的調光功能，并且還具備過壓和過流保護功能。下列圖3-4是一種比擬常用的拓撲結構。圖3-4LED驅動電路主體結構LED驅動電路主體結構采用Feedback拓撲結構，Mosfet的通斷由控制IC控制。這種結構在完成向負載提供直流電壓的同時，既實現(xiàn)了功率因數(shù)的校正，又完成了負載與 HYPERLINK javascript:; t _self 電源的隔離。LED驅動電路的另一個任務是使LED的負載電流能夠在各種因素的影響下都能

55、控制在預先 HYPERLINK javascript:; t _self 設計的水平上。電路將一個基準電壓或電流信號與LED負載電壓或電流信號送入信號控制模塊中進行比擬，誤差信號經處理后送回初級控制IC中進行處理，當負載電流因各種因素而產生變化時，初級控制IC可以通過控制開關使負載電流回到初始設計值上。3 LED驅動電路的要求LED面臨著不少挑戰(zhàn)，如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化，而不同個體、不同批次、不同供給商的LED正向電壓也會有差異；另外，LED的“色點也會隨著電流及溫度的變化而漂移。另外，應用中通常會使用多顆LED，這就涉及到多顆LED的排列方式問題。各種排列方式中，首選驅動串聯(lián)

56、的單串LED，因為這種方式不管正向電壓如何變化、輸出電壓(Vout)如何“漂移，均提供極佳的電流匹配性能。當然，用戶也可以采用并聯(lián)、串聯(lián)-并聯(lián)組合及交叉連接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的LED正向電壓的應用，并獲得其它優(yōu)勢。如在交叉連接中，如果其中某個LED因故障開路，電路中僅有1個LED的驅動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。下列圖3-5為LED的排列方式：圖3-5 LED的排列方式LED的排列方式及LED光源的標準決定著根本的驅動器要求。LED驅動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED的電流，而無論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅動器根本的工作電路示意圖如下列圖

57、3-6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)之間沒有物理上的電氣連接，最常用的是采用變壓器來電氣隔離，而“非隔離那么沒有采用高頻變壓器來電氣隔離。圖3-6 LED驅動器根本的工作電路示意圖值得一提的是，在LED照明設計中，AC-DC電源轉換與恒流驅動這兩局部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，這種配置的優(yōu)勢包括優(yōu)化能效及簡化安裝等；2)分布式(distributed)配置，即兩者單獨存在，這種配置簡化平安考慮，并增加靈活性。 LED驅動器根據(jù)不同的應用要求，可以采用恒定電壓(CV)輸出工作，即輸出為一定電流范圍下

58、鉗位的電壓；也可以采用恒定電流(CC)輸出工作，輸出的設計能嚴格限定電流；也可能會采用恒流恒壓(CCCV)輸出工作，即提供恒定輸出功率，故作為負載的LED的正向電壓確定其電流，總的來看，LED照明設計需要考慮以下幾方面的因素： 使用降壓模式：DC-DC轉換器的LED驅動，輸出功率：涉及LED正向電壓范圍、電流及LED排列方式等 電源：AC-DC電源、DC-DC電源、直接采用AC電源驅動 功能要求：調光要求、調光方式(模擬、數(shù)字或多級)、照明控制 其他要求：能效、功率因數(shù)、尺寸、本錢、故障處理(保護特性)、要遵從的標準及可靠性等 更多考慮因素：機械連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等 。圖3

59、-7 LED驅動電路3 LED驅動電路的設計LED驅動簡單的來講就是給LED提供正常工作條件(包括電壓,電流等條件)的一種電路,也是LED能工作必不可少的條件,好的驅動電路還能隨時保護LED，防止LED被損壞。 1、LED驅動通常分為以下三種方式：鎮(zhèn)流電阻驅動：就是簡單的的在LED的回路中串接電阻,通過調節(jié)電阻的阻值,可以改變LED的驅動電流.。 LED的工作電流為：所以I與鎮(zhèn)流電阻R成反比；當電源電壓U上升時，R能限制I的過量增長，使I不超出LED 的允許范圍。此電路的優(yōu)點是簡單，本錢低；缺點是電流穩(wěn)定度不高；電阻發(fā)熱消耗功率，導致用電效率低，僅適用于小功率LED 范圍，所以不選這種方案。

60、(2) 恒壓驅動：就是保持LED兩端的電壓不變，因為每一種顏色的LED的電壓都不一樣,所以很少用恒壓的方式來驅動LED。 (3) 恒流驅動：顧名思異就是保持LED的電流一直不變,讓LED在恒定電流的條件下工作。 由于大功率LED是低電壓、大電流的驅動器件，當LED電壓變化很少時，電流變化很大。LED發(fā)光的強度由流過LED的電流決定，電流過強會引起LED的衰減，電流過弱會影響LED的發(fā)光強度，因此LED的驅動需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的平安性，同時到達理想的發(fā)光強度。如果采用恒壓方式驅動，LED正向電壓的任何變化都會導致LED電流的變化。由溫度或電壓變化引起的特定壓變，導致正向電流