近年來(lái)，LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開(kāi)發(fā)和應用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度 方面已實(shí)現了可見(jiàn)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，使LED應用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場(chǎng)成為可能。

 

通過(guò)十多年對LED設計的潛心研究和學(xué)習。本人收集了LED應用設計中一些經(jīng)典性的基礎問(wèn)題分享給大家。其中涉及到內容有單個(gè)LED的流明效率與用LED 作光 源構成的燈具的流明效率異同分析，LED的結溫原理及結溫升高會(huì )對LED產(chǎn)生的影響問(wèn)題，靜電破壞的原理以及列舉一些類(lèi)型的LED容易受靜電破壞導致失 效，探討LED路燈防雷能用一個(gè)壓敏電阻的問(wèn)題，解讀設計高品質(zhì)LED驅動(dòng)電路的方法和選擇和設計LED驅動(dòng)電源時(shí)要考慮哪些因素等問(wèn)題。

 

 

　　單個(gè)LED的流明效率與用LED作光源構成的燈具的流明效率有什么異同？

 

　　什么是LED的結溫？結溫升高會(huì )對LED造成什么影響？

 

　　什么是靜電破壞？哪些類(lèi)型的LED容易受靜電破壞導致失效？

 

　　LED路燈防雷能用一個(gè)壓敏電阻嗎？

 

　　LED被靜電擊穿的原理和過(guò)程是怎么樣的？會(huì )有何影響？

 

　　如何設計高品質(zhì)LED驅動(dòng)電路？

 

　　選擇和設計LED驅動(dòng)電源時(shí)要考慮哪些因素？

 

 

 

答：針對某一個(gè)特定的LED，加上規定的正向偏置，如加上IF＝20mA正向電流后（對應的VF≈3.4V），測得的輻射光通量Φ＝1.2lm，則這個(gè) LED的流明效率為η＝1.2lm×1000/3.4V×20mA＝1200/68≈17.6lm/W。顯然，對單個(gè)LED，如施加的電功率 Pe＝VF×IF，那么在這個(gè)功率下測得的輻射光通量折算為每瓦的流明值即為單個(gè)LED的流明效率。

 

但是，作為一個(gè)燈具，不論LED PN結上實(shí)際加上的功率VF×IF是多少，燈具的電功率總是燈具輸入端口送入的電功率，它包括電源部分（如穩壓器、穩流源、交流整流成直流電源部分等）所消耗的功率。燈具中，驅動(dòng)電路的存在使它的流明效率比測試單個(gè)LED的流明效率要下降。電路損耗越大，流明效率越低，因此，尋找一種高效率的LED驅動(dòng)電 路就顯得極為重要。

 

 

答：LED基本結構是一個(gè)半導體的PN結。當電流流過(guò)LED器件時(shí)，PN結的溫度將上升，嚴格意義上說(shuō)，就把PN結區的溫度定義為L(cháng)ED的結溫。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溫。

 

當PN結的溫度（例如環(huán)境溫度）升高時(shí)，PN結內部的雜質(zhì)電離加快，本征激發(fā)加速。當本征激發(fā)產(chǎn)生的復合載流子的濃度遠遠超過(guò)雜質(zhì)濃度時(shí)，本征載流子的數量增大的影響較之遷移率減小的半導體電阻率變化的影響更為嚴重，導致內量子效率下降，溫度升高又導致電阻率下降，使同樣IF下，VF降低。如果不用恒流源 驅動(dòng)LED，則VF降將促使IF指數式增加，這個(gè)過(guò)程將使LED PN結上溫升更加快，最終溫升超過(guò)最大結溫，導致LED PN結失效，這是一個(gè)正反饋的惡性過(guò)程。

 

PN結上溫度升高，使半導體PN結中處于激發(fā)態(tài)的電子/空穴復合時(shí)從高能級向低能級躍遷時(shí)發(fā)射出光子的過(guò)程發(fā)生退化。這是由于PN結上溫度升高時(shí)，半導體 晶格的振幅增大，使振動(dòng)的能量也發(fā)生增加，當它超過(guò)一定值時(shí)，電子/空穴從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)會(huì )與晶格原子（或離子）交換能量，于是成為無(wú)光子輻射的躍 遷，LED的光學(xué)性能退化。

 

另外，PN結上溫度升高還會(huì )引起雜質(zhì)半導體中電離雜質(zhì)離子所形成的晶格場(chǎng)使離子能級裂變，能級分裂受PN結溫度的影響，這就意味著(zhù)由于溫度影響晶格振動(dòng)， 使其晶格場(chǎng)的對稱(chēng)性發(fā)生變化，從而引起能級分裂，導致電子躍遷時(shí)產(chǎn)生的光譜發(fā)生變化，這就是LED發(fā)光波長(cháng)隨PN 結溫升而變化的原因。

 

綜上所述，LEN PN結上的溫升會(huì )引起它的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能的變化，過(guò)高的溫升還會(huì )引起LED封裝材料（例如環(huán)氧、熒光粉等）物理性能的變化，嚴重時(shí)會(huì )導致LED失效，所以降低PN結溫升，是應用LED的重要關(guān)鍵所在。

 

 

答：靜電實(shí)際上是由電荷累積構成。人們在日常生活中，特別在干燥天氣環(huán)境中，當用手去觸摸門(mén)窗類(lèi)物品時(shí)會(huì )感覺(jué)“觸電”，這就是門(mén)窗類(lèi)物品靜電積累到一定程 度時(shí)對人體的“放電”。對于羊毛織品、尼龍化纖物品，靜電積累起來(lái)的電壓可高達一萬(wàn)多伏特，電壓十分高，但靜電功率不大，不會(huì )威脅生命，然而對于某些電子器件卻可以致命，造成器件失效。

 

LED中用GN基構成的器件，由于是寬禁帶半導體材料，它的電阻率較高，對于InGaN/AlGaN/GaN的雙異質(zhì)結藍色光LED，其InGaN的有源 層的厚度一般只有幾十納米，再由于這種LED的兩個(gè)正、負電極在芯片同一面上，之間距離很小，若兩端靜電電荷累積到一定值時(shí)，這一靜電電壓會(huì )將PN擊穿， 使其漏電增大，嚴重時(shí)PN結擊穿短路，LED失效。

 

正因為存在靜電威脅，對于上述結構的LED芯片和器件在加工過(guò)程中對加工廠(chǎng)地、機器、工具、儀器，包括員工服裝均要采取防靜電措施，確保不損傷LED。另外，在芯片和器件的包裝上也要采用防靜電材料。

 

 

答：關(guān)于路燈的防雷設計并非是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。首先要了解你的路燈系統方案全貌架構，如采用AC--》開(kāi)關(guān)電源--》恒流源 --》LED光源的方案，那么，你應該首先考慮開(kāi)關(guān)電源的防雷，雷擊的侵入往往是由AC電線(xiàn)導入的，先被侵害的主體應該是開(kāi)關(guān)電源，經(jīng)開(kāi)關(guān)電源輸出 的直流電壓理論上是一干凈的電源，至此雷擊對恒流源的影響已經(jīng)很小了。LED路燈一般是買(mǎi)現成的開(kāi)關(guān)電源來(lái)配套，因此你在選用時(shí)特別選購能防雷擊的開(kāi)關(guān)電 源，即在開(kāi)關(guān)電源的輸入端已設置防雷擊電路。

 

問(wèn)：隔離型與非隔離型驅動(dòng)方案各有何優(yōu)缺點(diǎn)？應用中如何選擇？

 

答：所謂隔離，是指輸入與輸出間沒(méi)有直接的電氣連接關(guān)系，從安全的要求講，一般要求輸入/輸出間耐壓在3KV以上。目前的隔離型方案多是以變壓器作為隔離元件的AC/DC的反激式（Flyback）電路方案，因此相對電路較復雜、成本較高。而非隔離型基本是采用功率電感的DC/DC的升壓（Boost）或 降壓（Buck）電路，相對電路較簡(jiǎn)單，因而成本也相對較低。

 

由于電路上差異較大，大多數的芯片都不具備同時(shí)實(shí)現兩種方案的可能。從恒流精度上看，隔離型可以做到±5%以?xún)?，而非隔離型則很難做到。

 

目前在以市電為輸入電源的LED燈具中（特別是驅動(dòng)與光源一體的燈具），本著(zhù)安全第一的原則，基本已不需再采用非隔離型方案。但也有例外，LED日光燈管 由于受到結構和空間的制約，仍還用非隔離型方案。在低壓供電的LED燈具中，以效率和成本優(yōu)先的原則，非隔離型方案是最佳的選擇。

 

 

答：LED屬于半導體類(lèi)元件，它的PN結是直接裸露在外頭的，很容易接觸靜電。當LED兩個(gè)電極上極性不同的電荷積累（產(chǎn)生電荷或者轉移過(guò)來(lái)的電荷）到一 定的程度，又得不到及時(shí)釋放，電荷能量一旦超過(guò)LED芯片最大承受值時(shí)，電荷將以極短的瞬間（納秒級別）在LED兩個(gè)電極層之間進(jìn)行放電，產(chǎn)生功率焦耳的熱量，在導電層之間局部（往往是電阻值最小、電極周邊的）會(huì )形成1400℃以上的高溫，高溫將會(huì )把導電層之間熔融成一些小孔，從而造成漏電、暗亮、死燈、電性飄移等現象。

 

這個(gè)擊穿LED的靜電能量它并非就是一個(gè)高壓，學(xué)術(shù)的講是一個(gè)能量，它取決于電荷的量和的時(shí)間長(cháng)短這兩個(gè)核心系數。放電剎那的時(shí)間越短威力越大，電荷越多威力也越大。靜電擊穿LED是個(gè)非常復雜的過(guò)程，因此，測試LED抗靜電時(shí)的模擬設計也是一項很復雜、很?chē)乐數臏y試。

 

被靜電擊損后的LED如果是比較嚴重的往往是死燈、漏電。輕微的靜電損傷，LED一般沒(méi)有什么異常，但此時(shí)，該LED已經(jīng)有一定的隱患，當它受到二次靜電損傷時(shí)，那就會(huì )出現暗亮、死燈、漏電增大啦。

 

 

答：LED光源是一種長(cháng)壽命光源，理論壽命可達50000小時(shí)，但應用電路設計不合理、電路元器件選用不當、LED光源散熱不好，都會(huì )影響它的使用壽命。 特別是在應用電路里，作為AC/DC整流橋的輸出濾波器的電解電容器，它的使用壽命在5000小時(shí)以下，這就成了制造長(cháng)壽命LED燈具技術(shù)的攔路虎，設計 生產(chǎn)可在應用電路里省去電解電容器的新一代LED驅動(dòng)IC是可行的解決方案。

 

此外，對新一代LED驅動(dòng)IC的設計必須打破傳統的DC/DC拓撲結構設計理念，如采用恒功率、不采用磁滯控制的降壓型而采用定頻定電流控制、解決使用鹵 素燈電子變壓器所產(chǎn)生的燈源閃爍和多燈并聯(lián)不亮問(wèn)題等等;還必須解決LED驅動(dòng)IC在多種應用電路中能過(guò)EMC、安規、CE、UL等認證;應用電路應力求 簡(jiǎn)潔、使用元器件少;隔離與非隔離的應用歷來(lái)是商家在安全與效率之爭焦點(diǎn);提高PWM控制器的占空比等等。

 

 

答：LED驅動(dòng)電源是把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動(dòng)LED發(fā)光的電壓轉換器，通常情況下：LED驅動(dòng)電源的輸入包括高壓工頻交流（即市電）、低壓 直流、高壓直流、低壓高頻交流（如電子變壓器的輸出）等。而LED驅動(dòng)電源的輸出則大多數為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。根據電網(wǎng)的用電規則和LED驅動(dòng)電源的特性要求，在選擇和設計LED驅動(dòng)電源時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)：

 

1．高可靠性：特別像LED路燈的驅動(dòng)電源，裝在高空，維修不方便，維修的花費也大。

 

2．高效率：LED是節能產(chǎn)品，驅動(dòng)電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內的結構尤為重要。因為L(cháng)ED的發(fā)光效率隨著(zhù)LED溫度的升高而下降，所以L(fǎng)ED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

 

3．高功率因素：功率因素是電網(wǎng)對負載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒(méi)有強制性指標。雖然功率小的單個(gè)用電器功率因素低一點(diǎn)對電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點(diǎn)燈，同類(lèi)負載太集中，會(huì )對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴重的污染。對于30瓦~40瓦的LED驅動(dòng)電源，據說(shuō)不久的將來(lái)，也許會(huì )對功率因素方面有一定的指標要求。

 

　4．驅動(dòng)方式：現在通行的有兩種：一種是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨給每路LED供電。此方式，組合很靈活，一路LED故障，不影響其他 LED的工作，但成本會(huì )略高一點(diǎn)。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn)，但是靈活性差，還要解決某個(gè)LED故障，不影響其他LED運行的問(wèn)題。這兩種形式，在一段時(shí)間內并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會(huì )較好。也許是以后的主流方向。

 

5．浪涌保護：LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶(hù)外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負載的啟 甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統會(huì )侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì )導致LED的損壞。因此LED驅動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。

 

6．保護功能 電源除了常規的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過(guò)高。

 

7．防護燈具外安裝型，電源結構要防水、防潮，外殼要耐曬。

 

8．驅動(dòng)電源的壽命要與LED的壽命相適配。

 

9．要符合安規和電磁兼容的要求。