普通LED和大功率LED技术和工艺

1、普通LED和大功率LED技术和工艺上有什么不同？大功率LED节能灯是LED节能灯的一种，相对于小功率LED节能灯来说，大功率LED节能灯单颗功率更高，亮度更亮，价格更高。小功率LED节能灯额定电流都是20mA，额定电流高过20mA的基本上都可以算作大功率。一般功率数有：0.25w、0.5w、1w、3w、5w、8w、10w等等。主要亮度单位为lm（流明），小功率的亮度单位一般为mcd。此两单位无法换算。目前做为一个新兴的绿色、环保、节能光源被广泛应用于汽车灯、手电筒、灯具等场所。 大功率LED节能灯之所以这样称呼,主要是针对小功率LED节能灯而言,目前分类的标准总结有三种: 其中第一种是根据功率

2、大小可分为0.5W,1W,3W,5W,10W.100W不等,根据封装后成型产品的总的功率而言不同而不同. 第二种可以根据其封装工艺不同分为:大尺寸环氧树脂封装、仿食人鱼式环氧树脂封装、铝基板（MCPCB）式封装、TO封装、功率型SMD封装、MCPCB集成化封装等等 第三种可以根据其光衰程度不同可分为低光衰大功率产品和非低光衰大功率产品。 当然，由于大功率LED节能灯本身的参数比较多，根据不同的参数会有不同的分类标准，在此不再类述。 大功率LED节能灯仍然属于LED封装产品里的一种，是让半导体照明走向普通照明领域里最重要的一环。 在使用大功率LED节能灯时，必须了解光强分布、色温分布、热阻及显色

3、性等问题 掌握W级大功率LED节能灯的光强分布图，是正确使用大功率LED节能灯所必需的。厂家一定要向客户提供LED器件的各种参数指标 大功率LED节能灯的色温分布是否均匀，将直接影响照明效果；而且色温与显色指数是互相关联的，色温的改变会引起显色指数的变化。 大功率LED节能灯的热阻直接影响LED器件的散热。热阻低，散热越好；热阻高则散热差，这样器件温升高，就会影响光的波长漂移。根据经验，温度升高一度，光波长要漂移0.20.3nm，这样会直接影响器件的发光质量。温升过高也直接影响W级大功率LED节能灯的使用寿命。 显色性是白光LED的重要指标，用于照明的白光LED的显色性必须在80以上LED节能

4、灯的工作原理及原理图LED我做了一年多，驱动方面不难，网上资料也很多，你可以看看。我觉得对LED本身的了解更为重要，只有摸清了它的脾气，才能设计出好的驱动来。前段时间去上海参加了国际LED技术展，颇有收获，把LED原理方面的最新资料整理如下，但是贴不上图，希望对你有所帮助：1、LED发光机理：PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理。2、LED发光效率：一般称为组件的

5、外部量子效率，其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积。所谓组件的内部量子效率，其实就是组件本身的电光转换效率，主要与组件本身的特性（如组件材料的能带、缺陷、杂质）、组件的垒晶组成及结构等相关。而组件的取出效率则指的是组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。因此，关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。而组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积，就是整个组件的发光效果，也就是组件的外部量子效率。早期组件发展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结

6、构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70%左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。在这样的状况下，光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件的总光量的，因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。目前的方法主要是：晶粒外型的改变TIP结构，表面粗化技术。3、LED电气特性：电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化（指数级别），反向漏电流很小，有反向击穿电压。在实际使用中，应选择 。LED正向电压随温度升高而变小，具有负温度系数。LED消耗功率 ，一部分转化为光能，这是我们需要的。剩

7、下的就转化为热能，使结温升高。散发的热量（功率）可表示为 。4、LED光学特性：LED提供的是半宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移，温度系数为+23A/ 。LED发光亮度L与正向电流 近似成比例： ，K为比例系数。电流增大，发光亮度也近似增大。另外发光亮度也与环境温度有关，环境温度高时，复合效率下降，发光强度减小。5、LED热学特性：小电流下，LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。所以散热设计很关键。6、L

8、ED寿命：LED的长时间工作会光衰引起老化，尤其对大功率LED来说，光衰问题更加严重。在衡量LED的寿命时，仅仅以灯的损坏来作为LED寿命的终点是远远不够的，应该以LED的光衰减百分比来规定LED的寿命，比如35%，这样更有意义。7、大功率LED封装：主要考虑散热和出光。散热方面，用铜基热衬，再连接到铝基散热器上，晶粒与热衬之间以锡片焊作为连接，这种散热方式效果较好，性价比较高。出光方面，采用芯片倒装技术，并在底面和侧面增加反射面反射出浪费的光能，这样可以获得更多的有消出光。8、白光LED：类自然光谱白光LED主要有三种：第一种是比较成熟且已商业化的蓝光芯片+黄色荧光粉来获得白光，这种白光成本

9、最低，但是蓝光晶粒发光波长的偏移、强度的变化及荧光粉涂布厚度的改变均会影响白光的均匀度，而且光谱呈带状较窄，色彩不全，色温偏高，显色性偏低，灯光对眼睛不柔和不协调。人眼经过进化最适应的是太阳光，白炽灯的连续光谱是最好的，色温为2500K，显色指数为100。所以这种白光还需要改进，比如加多发光过程来改善光谱，使之连续且足够宽。第二种是紫外光或紫光芯片+红、蓝、绿三基色荧光粉来获得白光，发光原理类似于日光灯，该方法显色性更好，而且UV-LED不参与白光的配色，所以UV-LED波长与强度的波动对于配出的白光而言不会特别地敏感，并可由各色荧光粉的选择和配比，调制出可接受色温及演色性的白光。但同样存在所

10、用荧光粉有效转化效率低，尤其是红色荧光粉的效率需要大幅度提高的问题。这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大、配合荧光粉紫外光波长的选择、UV-LED制作的难度及抗UV封装材料的开发也是需要克服的困难。第三种是利用三基色原理将RGB三种超高亮度LED混合成白光，该方法的优点是不需经过荧光粉的转换而直接配出白光，除了可避免荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外，更可以分开控制红、绿、蓝光LED的发光强度，达成全彩的变色效果（可变色温），并可由LED波长及强度的选择得到较佳的演色性。但这种办法的问题是绿光的转换效率低，混光困难，驱动电路设计复杂。另外，由于这三种光色都是热源，散热问题更是其它封装形式的3倍

11、，增加了使用上的困难。 偏振LED和三波长全彩化的白光LED将是未来的发展方向。LED照明设计需要注意的技术细节LED照明灯具在近期得到飞跃的发展，LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED光源使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低，因而在家庭照明都将得到海量的应用，欧司朗光学半导体公司2008年调查统计，全球每年家庭照明灯座出货量约为500亿个。LED光源的技术日趋成熟，每瓦发光流明迅速增长，促使其逐年递减降价。以1W LED光源为例，2008年春的价格已是2006年春的价格三分之一，2009年春将降至2006年的四分之一。LED绿色灯具的海量市场和持续稳定数年增长需求将是集

12、成电路行业继VCD、DVD、手机、MP3之后的消费电子市场的超级海啸！LED灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。LED高节能：直流驱动，超低功耗(单管0.03瓦-1 瓦)电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。LED长寿命：LED光源被称为长寿灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点，使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。LED利环保：LED是一种绿色光源，环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线，热量低和无频闪，无辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，

13、属于典型的绿色照明光源。LED光源工作特点：照明用LED光源的VF电压都很低，一般VF =2.75-3.8V，IF在15-1400mA；因此LED驱动IC的输出电压是VF X N或VF X 1, IF恒流在15-1400mA。LED灯具使用的LED光源有小功率(IF=15-20mA)和大功率(IF>200mA)二种，小功率LED多用来做LED日光灯、装饰灯、格栅灯；大功率LED用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工作灯等。功率LED光源是低电压、大电流驱动的器件，其发光的强度由流过LED的电流大小决定，电流过强会引起LED光的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因

14、此，LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。在LED照明领域，要体现出节能和长寿命的特点，选择好LED驱动IC至关重要，没有好的驱动IC的匹配，LED照明的优势无法体现。LED灯具对低压驱动芯片的要求：1. 驱动芯片的标称输入电压范围应当满足DC8-40V，以覆盖应用面的需要，耐压如能大于45V更好；AC 12V或24 V输入时简单的桥式整流器输出电压会随电网电压波动，特别是电压偏高时输出直流电压也会偏高，驱动IC如不能适应宽电压范围，往往在电网电压升高时会被击穿，LED光源也因此被烧毁。2. 驱动芯片的标称输出电流要求大于1.2-1.5A，作为照

15、明用的LED光源，1W功率的LED光源其标称工作电流为350mA，3W功率的LED光源其标称工作电流为700mA，功率大的需要更大的电流，因此LED照明灯具选用的驱动IC必需有足够的电流输出，设计产品时必需使驱动IC工作在满负输出的 70-90%的最佳工作区域。使用满负输出电流的驱动IC在灯具狭小空间散热不畅，容易疲劳和早期失效。3. 驱动芯片的输出电流必需长久恒定，LED光源才能稳定发光，亮度不会闪烁；同一批驱动芯片在同等条件下使用，其输出电流大小要尽可能一致，也就是离散性要小，这样在大批量自动化生产线上生产才能有效和有序；对于输出电流有一定离散性的驱动芯片必选在出厂或投入生产线前分档，调整

16、PCB板上电流设定电阻 (Rs)的阻值大小，使之生产的LED灯具恒流驱动板对同类LED光源的发光亮度一致，保持最终产品的一致性。4. 驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热，如将管芯(Die)直接绑定在铜板上，并有一Pin直接延伸到封装外，便于直接焊接在PCB板的铜箔上迅速导热(图1)。如在一个类似4X4mm的硅片管芯上，要长时间通过300-1000mA的电流，必然有功耗，必然会发热，芯片本身的物理散热结构也是至关重要的。5. 驱动芯片本身的抗EMI、噪音、耐高压的能力也关系到整个LED灯具产品能否顺利通过CE、UL等认证，因此驱动芯片本身在设计伊始就要选用优秀的拓朴结构和高压的生产工艺

17、。6. 驱动芯片自身功耗要求小于0.5W，开关工作频率要求大于120Hz，以免工频干扰而产生可见闪烁。LED绿色照明促使驱动芯片向创新设计发展，LED灯具照明是离不开驱动芯片的，因此需要多种功能的LED光源驱动IC。LED灯具选用36V以下的交流电源可以考虑非隔离供电，如选用220V和100V的交流电源应考虑隔离供电。直接使用AC100-220V的驱动芯片，因应用体积苛求，在技术上还有更高的要求、更大的难度，目前各国都在努力开发中。LED灯具的海量需求市场给所有集成电路设计公司再次成功的机会，快速转型、早出产品，赢的机会多多。 责任编辑：电源网左然 LED-乐观但别盲目从2006年3月,大功率

18、LED露出头角,LED的战火被点燃,国内最初的预计,2008年LED会替代大部分家庭照明.2010年达到大量普及.现在反过来看,国内预计并没有实现.相比之下,国外的进度就比较严谨一些,设计规划比较长线.纵观现在做LED的厂商,做得大的都将主力集中在光源和芯片部分,对整灯的涉及都不痛不痒.由此可以了解,LED的整灯结构还处于一个耘酿期.想快速普及是不可能的.不仅是价位问题,散热如何处理,外形能否达到散热效果,达到散热的目的后外能能否被大众所接受,总结一下有如下几点需要确认 1.现市场龙蛇混杂,每家都夸下海口,说自己的产品如何好,如何长寿,更有甚者,拿80W的LED路灯和250W钠灯的来比节能效果

19、.拿40W的日光灯和20W的LED日光灯比节能和亮度.稍有光学常识的人都知道,两者没有可比性,以目前的LED光效,和钠灯和日光灯的发光效率都不是一个档次的.如果要讲发光角度,日光灯加个反光罩,让鼓吹LED节能的试试看. 当然技术在发展,LED进步大家有目共赏,我不是LED反对组,但也不是狂热组的人,换个角度,在谈LED都是和工厂有关联的技术人员或销售人员,作为工厂批量生产才有实际意义,能赚钱才是最终的目的,能不能批量,会不会赚钱,不是由那个人决定的,是由消费者决定,作为工程技术人员,严谨很重要,盲目把一个不成熟的产品大批量的推向生产,作为业务,不管事实,信口开河不正视事实,不管是对个人还是对社

20、会都是一种极不负责的态度. 2.LED是否能适用在所有的场合,光源不仅注重发光效率,还存在显色指数和色容差问题,按照LED照明狂热组的概念,LED是大小通吃.什么场合都能用,不管是室内还是户外,体育场,大型码头,更有人声称投影机上用LED灯泡做投射光.其姿态让人想K他.一个显色指数不到80的产品能拿去做投影灯泡! 任何一个产品都不可能是十全十美,使用在适合他的场所,才能最大的利用它的价值,LED理念上长寿命,抗振动性能很好,用在汽车上很好,LED低电压用在水底下很安全,LED节能,用在长期点灯但对照明显色指数要求不太高场合,可以胜任.不建议用在大型图书和教室,那种显色指数,炫光,对长期看书都影

21、响很大,担心会伤到学生的视力.LED可以用在照明要求不高的街道路灯上,但不适合用在高速路上(如果显色指数的发光效率提高并当别论).LED不能用在大型体育场. 列出这些只为说明一个现实.不要希望一个产品能取代所有的产品.用途不一样,所需的要求不一样.就象我们每天出行一样,有时需要坐车,有时自己开车,有时更愿意走路,但有时又要坐飞机.谁都知道飞机速度最快.但是不是20公里的路程也要坐飞机呢,谁都知道走路最经济又能健身,但如果谁想从广东步行到北京,算算成本,就会知道走路反而贵. 个人认为,解决好LED光衰,设计成长寿命的LED灯,适合用在长期点灯的场合,对照明要求不太高的场合,其实这些地方有很多,大

22、型仓库(有些是24小时点灯),政府大楼,公安大楼.收费站,加油站,大型超市等等.家庭照明对外形的要求较高,对显色指数的要求也不低,以目前来看,能用,但不是很好用. 3.性价比和能源及环境问题,现在散热大都是使用铝材.不但贵(以6W的LED为标准几乎占了整灯的一倍价格),虽然有所谓的高导热陶磁散热,但目前还未看到有实际的成品在市场上流动.大量使用铝材是不是对社会的不负责任,不但消耗能源,不合理的管控和回收,还会造成对环境的污染.铝是一种对人体有很大危害的元素.过多涉入人体会导致多种疾病. LED照明相比传统照明而言有它独特的优势,有发展前景,但目前LED不适用在所有的地方,对LED照明的定位应持

23、谨慎的态度,一味的狂热,只会带来负面影响.早期的LED阻容阻压灯杯,到前两年火热的草帽LED日光灯管,就是最好的证明.责任编辑：电源网左然 来源：电源网 第一讲LED主要参数与特性LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。本文将为你详细介绍。 1、LED电学特性1.1 I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。     &

24、#160;                                     如上图：（1） 正向死区：（图oa 或oa段）a点对于V0 为开启电压，当VVa，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电

25、压对于不同LED其值不同，GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。（2）正向工作区：电流IF 与外加电压呈指数关系IF = IS (e qVF/KT 1) -IS 为反向饱和电流。V0 时，VVF 的正向工作区IF 随VF 指数上升，                         IF = IS e qVF/K

26、T（3）反向死区 ：V0 时pn 结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP 为0V，GaN 为10uA。 （4）反向击穿区 V- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V- VR 时，则出现IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR 也不同。1.2 C-V特性鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300&

27、#215;300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）Cn+pf左右。C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。1.3 最大允许功耗PFm当流过LED的电流为IF、管压降为UF 则功率消耗为P=UF×IF. LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当TjTa 时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = KT（Tj Ta）。1.4 响应时间响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）约10-310-5

28、S，CRT、PDP、LED 都达到10-610-7S（us 级）。1.响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图3中tr 、tf 。图中t0 值很小，可忽略。 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。LED 的点亮时间上升时间tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED 熄灭时间下降时间tf 是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。不同材料制得的LED 响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其响应时间10-9S，GaP 为10-7 S。因此它们可用在10100MHZ 高频系统。2

29、LED光学特性发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。2.1 发光法向光强及其角分布I 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。 发光强度的角分布I是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否） 为获得高指向性的角分布（如图4） LED 管芯位置离模粒头远些

30、； 使用圆锥状（子弹头）的模粒头； 封装的环氧树脂中勿加散射剂。采取上述措施可使LED 21/2 = 6°左右，大大提高了指向性。 当前几种常用封装的散射角(21/2 角)圆形LED：5°、10°、30°、45°。2.2 发光峰值波长及其光谱分布 LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。下图绘出几种由不同化合物半导

31、体及掺杂制得LED 光谱响应曲线。其中  是蓝色InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰p = 460465nm； 是绿色GaP:N 的LED，发光谱峰p = 550nm； 是红色GaP:Zn-O 的LED，发光谱峰p = 680700nm； 是红外LED 使用GaAs 材料，发光谱峰p = 910nm； 是Si 光电二极管，通常作光电接收用。由图可见，无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用p表示。只有单色光才有p波长。 谱线宽度：在LED 谱线的峰值两侧±处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，

32、此两点分别对应p-，p+ 之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄，即LED 单色性的参数，LED 半宽小于40 nm。 主波长：有的LED 发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED 色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED 发出主要单色光的波长。单色性越好，则p也就是主波长。如GaP 材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED 长期工作，结温升高而主波长偏向长波。2.3 光通量光通量F是表征LED 总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F为LED 向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接

33、有关。随着电流增加，LED 光通量随之增大。可见光LED 的光通量单位为流明（lm）。LED向外辐射的功率光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED 的光通量最大约1 lm，白光LED 的F1.51.8 lm（小芯片），对于1mm×1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18 lm。 2.4 发光效率和视觉灵敏度 LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参

34、量。人的视觉灵敏度在 = 555nm 处有一个最大值680 lm/w，若视觉灵敏度记为K，则发光能量P 与可见光通量F 之间关系为P=Pd ； F=KPd 发光效率量子效率=发射的光子数/pn 结载流子数=（e/hcI）Pd。若输入能量为W=UI，则发光能量效率P=P/W 若光子能量hc=ev，则P，则总光通F=（F/P）P=KPW 式中K= F/P。 流明效率：LED 的光通量F/外加耗电功率W=KP 它是评价具有外封装LED 特性，LED 的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。以下列出几种常见LED 流明效率（可见光发光效率）：品质优良的LED 要求向外

35、辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED 向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为=ice，式中i 向为p、n 结区少子注入效率，c 为在势垒区少子与多子复合效率，e 为外部出光（光取出效率）效率。由于LED 材料折射率很高i3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。为了进一步提高外部出光效率e 可采取以下措施： 用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55 并不理想）覆盖在芯片表面； 把芯片

36、晶体表面加工成半球形； 用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.42.6的低熔点玻璃成分As-S(Se)-Br(I)且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高46倍。2.5 发光亮度亮度是LED 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2 或Nit。             

37、;                               若光源表面是理想漫反射面，亮度BO 与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit（尼特），从地面看太阳表面亮度约为14×108Nit。LED 亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流密度）增加BO

38、也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，c（复合效率）下降，BO减小。当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。2.6 寿命老化：LED 发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为Bt=BO e-t/，Bt 为t 时间后的亮度，BO 为初始亮度。通常把亮度降到Bt=1/2BO 所经历的时间t 称为二极管的寿命。测定t 要花很长的时间，通常以推算求得寿命。            &#

39、160;                                              测量方法：给LED 通以一定恒流源，点燃103 1

40、04小时后， 先后测得BO ，Bt=100010000，代入Bt=BO e-t/求出；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。长期以来总认为LED 寿命为106小时，这是指单个LED 在IF=20mA 下。随着功率型LED开发应用，国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED 的光衰减为原来35%，寿命6000h。3 热学特性LED的光学参数与pn 结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF10mA，或者1020 mA 长时间连续点亮LED 温升不明显。若环境温度较高，LED 的主波长或p 就会向长波长漂移，BO 也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED 的可靠性、稳定性影

41、响应专门设计散射通风装置。LED的主波长随温度关系可表示为：  由式可知，每当结温升高10，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED 长期工作。 第二讲 照明用LED驱动电源设计基础LED 的排列方式及LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED 驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED 的电流， 而无论输入及输出电压如何变化。最常用的是采用变压器来进行电气隔离。文中论述了LED 照明设计需要考虑的

42、因素一、LED驱动器通用要求驱动LED 面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供应商的LED 正向电压也会有差异；另外，LED 的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。 另外，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED 的排列方式问题。各种排列方式中， 首选驱动串联的单串LED， 因为这种方式不论正向电压如何变化、 输出电压(Vout)如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。当然，用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED 正向电压的应用，并获得其它优势。如在交叉连接中，如果其中某个LED 因故障

43、开路，电路中仅有1 个LED 的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。    LED 的排列方式及LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED 驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED 的电流， 而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器基本的工作电路示意图如图2 所示，其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接，最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离”则没有采用高频变压器来电气隔离。        值得

44、一提的是，在LED 照明设计中，AC-DC 电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置：1)整体式(integral)配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效及简化安装等；2)分布式(distributed)配置，即两者单独存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。 LED 驱动器根据不同的应用要求，可以采用恒定电压(CV)输出工作，即输出为一定电流范围下钳位的电压；也可以采用恒定电流(CC)输出工作，输出的设计能严格限定电流；也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作，即提供恒定输出功率，故作为负载的 LED 的正向电压确定其电流。 总的来看，LED 照明设计需

45、要考虑以下几方面的因素： 输出功率：涉及LED 正向电压范围、电流及LED 排列方式等 电源：AC-DC 电源、DC-DC 电源、直接采用AC 电源驱动Ø 功能要求：调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制其他要求：能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性等Ø 更多考虑因素：机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等Ø 二、LED 驱动电源的拓扑结构 采用AC-DC 电源的LED 照明应用中，电源转换的构建模块包括二极管、开关(FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能，而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。

46、电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC 电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构，参见图3，其中反激拓扑结构是功率小于30 W 的中低功率应用的标准选择，而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言，其尺寸的大小与开关频率有关，且多数隔离型 LED 驱动器基本上采用“电子”变压器。                        

47、60;                                     采用 DC-DC 电源的LED 照明应用中，可以采用的LED 驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等，基本的应用示意图参见图 4。电阻型驱动方式中，调整与L

48、ED 串联的电流检测电阻即可控制LED 的正向电流，这种驱动方式易于设计、成本低，且没有电磁兼容(EMC)问题，劣势是依赖于电压、需要筛选(binning) LED，且能效较低。线性稳压器同样易于设计且没有EMC 问题，还支持电流稳流及过流保护(fold back)，且提供外部电流设定点，不足在于功率耗散问题，及输入电压要始终高于正向电压，且能效不高。开关稳压器通过PWM 控制模块不断控制开关(FET)的开和关，进而控制电流的流动。             

49、0;               开关稳压器具有更高的能效，与电压无关，且能控制亮度，不足则是成本相对较高，复杂度也更高，且存在电磁干扰(EMI)问题。LED DC-DC 开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SEPIC)等不同类型。其中，所有工作条件下最低输入电压都大于LED 串最大电压时采用降压结构，如采用24 Vdc 驱动6 颗串联的LED；与之相反，所有工作条件下最

50、大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构，如采用12 Vdc 驱动 6 颗串联的LED；而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC 结构，如采用12 Vdc 或12 Vac 驱动 4 颗串联的LED，但这种结构的成本及能效最不理想。 采用交流电源直接驱动LED 的方式近年来也获得了一定的发展， 其应用示意图参见图5。这种结构中LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势，如避免AC-DC 转换所带来的功率损耗等。但是，这种结构中LED 在低频开关，故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外，在这种设计中还需要加入LED 保护措

51、施，使其免受线路浪涌或瞬态的影响。                 三、 功率因数校正 美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯，其中，住宅应用的LED 驱动器功率因数须大于0.7，而商业应用中则须大于0.9；但是，这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC61000-3-2 谐波含量标准中则规定

52、了功率大于25 W 的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真(THD)< 35%，而功率因数(PF)>0.94。虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入/维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常>0.95+)。                

53、0;          PFC 技术包括无源 PFC 及有源PFC 两种。无源PFC 方案的体积较大，需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8 或更高的功率因数。其中，在小于5 W 至40 W 的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7 的功率因数。有源 PFC(见图6)通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC 通常提供升压，交流100 至277 Vac的宽输入范围下，PFC 输出电压范围达直流450

54、 至480 Vdc。如果恰当地设计PFC 段，可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC 转换来提供电流稳流。 四、能效问题 LED 照明应用的能效需要结合功率输出来考虑。美国“能源之星”固态照明规范规定了照明器具级的能效，但并不涉及单独 LED 驱动器的能效要求。如前所述，采用AC-DC 电源的LED应用可以采用两段式分布拓扑结构， 故可能采用外部AC-DC适配器供电。而“能源之星”的确包含有关单输出外部电源的规范，其 2.0 版外部电源规范于2008 年11 月开始生效，要求标准工作模式下最低能效达87%，而低压工作模式下最低能效达86%；在此规范中，功率

55、大于100 W 时才要求PFC。                      而在采用AC-DC 电源的LED 应用中，要提供更高的AC-DC 转换能效，就涉及到成本、尺寸、性能规范及能效等因素之间的折衷问题。例如，若使用更高质量的元件、更低导通阻抗(RDSon)，就可降低损耗及改善能效；降低开关频率一般会改善能效，但却会增加系统尺寸。诸如谐振这样新的拓扑结构提供更高能效，却也增

56、加设计及元件的复杂度。如果我们将设计限定在较窄的功率及电压范围，则可以帮助优化能效。 五、驱动器标准 LED 驱动器本身也在不断演进， 着重于进一步提高能效、 增加功能及功率密度。 美国“能源之星”的固态照明规范提出的是照明器具级的能效限制，涉及包括功率因数在内的特定产品要求。而欧盟的IEC 61347-2-13 (5/2006)标准针对采用直流或交流供电的LED模块的要求包括： Ø Vdc) 不同故障条件下“恰当”/安全的工作Ø 故障时不冒烟或易燃Ø 此外，ANSI C82.xxx LED 驱动器规范仍在制定之中。而在安全性方面，需要遵从UL、CSA 等标准，如

57、UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012。此外，LED 照明设计还涉及到产品寿命周期及可靠性问题。1 2 3 4责任编辑：电源网左然 来源：电子元件技术网 如何让LED光源灯具符合EMC标准中心论题：分析转换器和EMI滤波器的设计原理选择将转换器和EMI滤波器都集成到标准灯壳的设计解决方案：使用体积更小的EMI滤波器采用了小型SO-8封装有利于应用到降压拓扑结构引言作为白炽灯的替换品，LED灯近年来才开始推出市场，但却面临着诸多难题。由于将LED功率驱动电路装入标准灯壳具有难度，因此早期的一些LED灯并没有内部滤波器，也就谈不上符合 EMC

58、 标准。而且，其中很多的LED灯都采用了低效能的电容降压式电源，而不是开关式镇流器。这种方法可造成AC市电电流不平衡，因而导致某些设备的电能质量问题。同时符合EMC法规和电能质量标准是非常重要的问题，必须引起重视。本文将介绍一种基于LinkSwitch-TN系列小型SO-8封装电源IC的电子镇流器，该方案符合标准灯壳空间限制要求以及EN55022A EMI标准。设计目标本设计用于为一串额定电流为300 mA的三个HB LED(相当于10W的标准白炽灯)供电。在正常工作情况下，输出电压被串联LED的正向压降箝位在约9.5 VDC，但该电路必须达到12 VDC，以便为二极管的性能变化留出余地。其拓

59、扑结构为开关式恒流离线式降压稳压器，能够在整个85至265 VAC通用输入范围内和47至64 Hz的线电压频率下进行工作。其它设计目标包括高效能、低成本及符合EN55022A EMI要求。该设计可以集成到标准灯壳中(Edison螺口灯泡和卡口卤素灯均可)，非常便于替换现有的灯泡。而且，还可以利用设计工具和应用程序辅助完成该设计，以尽可能缩短新的HB LED灯的上市时间。EMI符合性考量由于空间和成本限制，市场上有很多LED灯其设计并不符合传导EMI规范。但本文中的设计利用了集成到PI的LinkSwitch-TN功率转换IC中的频率调制特性，因此可以使用体积更小的EMI滤波器。方案细节PI的Li

60、nkSwitch-TN LNK306DN集成功率转换IC中含有一个完全集成的700 V功率MOSFET，因而无需外部电源器件。离线式非隔离降压拓扑结构可以在连续导通模式下以66 KHz的最大频率进行工作。该频率采用4 kHz的峰峰值频率抖动进行调制，可以简化对EMI滤波器的设计要求。虽然本设计采用了降压拓扑结构，但这种IC还可以配置为降压-升压转换器。而非常关键的一点是，LinkSwitch-TN LNK306DN采用了小型SO-8封装，这对于此应用的结构设计而言是个很大的优势。转换器和EMI滤波器的设计原理如图1所示。根据电流检测电阻器R8和R10之间的压降，电流控制环路被设置为所需的恒定电

61、流值。虽然标准设计支持的是300 mA的电流，但仍可以轻易适应最高360 mA的输出电流。Q1和Q2可以放大检测到的压降，以便使用电阻较低的电流检测电阻器来最大程度地降低功率耗散。EMI滤波器采用pi拓扑结构，并含有一个可熔阻燃电阻RF1，以用于过载保护。图1 转换器与EMI滤波器电路设计转换器和EMI滤波器时只需要25个器件，完全不需要PCB和连接器件。在参考材料中可以找到有关该设计的完整元件列表。该应用的电气设计对于这款成熟的功率转换IC而言，显得相当陈旧。最大的挑战是结构设计，特别是将转换器和EMI滤波器都集成到标准灯壳的设计。然而，该设计正好能装入Edison螺口灯座(E27)和卤素灯

62、卡口灯座(GU 10)。早在设计之初，我们便清楚：如果圆形PCB大得能够容纳所有转换器和EMI滤波器元件的话，它就无法装入灯座中。因此我们决定将设计划分为两个圆形PCB，一个用于转换器电路，另一个用于EMI滤波器。转换器电路板的最终直径为19.66 mm，而EMI滤波器的最终直径则为16.91 mm。这些电路板然后进行叠加，并与离散布线互连完成装配。   图2 结构封装挑战虽然该设计具有功能性，但仍存在传导辐射问题。由于两个PCB比较接近，开关电流会从转换器电路板耦合到EMI滤波器电路板，从而降低EMI滤波器的性能。通过在这两个电路板之间放置“屏蔽”PCB，这一问题便得以解决。而第三个电路板只是一层铜，并无电路。它被电气连接到EMI滤波器负输出端与转换器负输入端的接合处。这样，总装便由三个叠加在一起的圆形电路板组成。增加第三个电路板既简单又节省成本，不但解决了耦合问题，还达到了EMI性能要求。性能本参考设计可满足各种设计目标。如果采用120 VAC的标称输入电压，电路效率将会超过62%。输入电压为220/240 VAC时，效率将超过56%。根据EN55022A限制，采用准峰值和平均读数在输入电压为115 VAC和230 VAC时表现出传导EMI特征。在最差条件下