LED节能照明系统的研究与应用大学本科方案设计书

1、封面作者：PanHon glia ng仅供个人学习2008 届本科毕业设计IED节能照明系统的研究与应用姓名：系别：专业：学号：指导教师：20年月日目录摘要与关键词 .n0 引言 . 11 LED 节能照明技术简况 . 11.1 传统照明技术简介 . 11.2 LED 照明发展简介. 11.3 LED 优点. 22 照明用 LED 主要技术特性 . 22.1 LED 的电学特性 . 22.2 LED 的光学特性 . 33 照明用白光 LED 技术. 43.1 白光 LED 技术原理. 43.2 照明用白光 LED 技术要求. 53.3 白光 LED 驱动电路技术. 63.3.1 白光 LED

2、驱动器的要求及分类 . 63.3.2 常见典型白光 LED 驱动电路. 63.4 高效率白光 LED 技术发展. 73.5 照明用白光 LED 封装和散热问题 . 83.5.1 白光 LED 的封装技术. 83.5.2 散热问题及解决. 104 LED 节能照明的应用 . 105 结语. 12参考文献 . 12致谢. 12LED节能照明系统的研究与应用摘要本文阐述 LED 节能照明的原理及应用。先分析照明技术简况，提出LED 照明的优点。然后重点论述用于照明的白色光 LED 技术。通过对白光 LED 芯片的发光材料的分析，介绍其发光机理， 并分析其典型驱动电路技术。同时对白光 LED 芯片封装

3、及散热的探讨，提出如何在散热和封装上 来提高 LED 芯片的发光效率。最后分析 LED 的应用前景。关键词照明；白光 LED ;原理；驱动电路；应用Energy-saving led lighting systems research and applicationAbstractThis article elaborates the LED energy conservation illumination principle and the application. Analyzes thelighting techniques survey first, Proposes the LED

4、illumination merit.Then the key elaboration uses in the whitelight LED technology which illuminates. Through dialog light LED chip luminescent material analysis, Introducesits illumination mechanism, And analyzes its model driving circuit technology. Simultaneously dialog light LEDchip seal and radi

5、ation discussion, Proposed how to be radiating and seal enhances the LED chip the luminousefficiency. Ultimate analysis LED application prospect.Key wordslighting 。 white LED 。 Driving circuit 。 applications 。 Principle从 LED 出现以来，人们一直在努力实现固体光源。随着LED 制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，发白色光的LED 固体光源性能不断完

6、善并进入实用阶段。白光 LED 的出现，使高亮度白光 LED 的应用领域跨足至高效率照明光 源市场成为可能，如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨 大的贡献。因此， LED 节能照明的技术的研究具有很大的现实意义。本文就对节能的 LED 在照明方面的技术上与应用上作以研究和分析。1 LED 节能照明技术简况随着人类文明的进步，照明技术也在迅速发展。早期人类用的是植物油产生光， 1976 年白炽灯问世，它以碳棒作为灯丝，是照明技术的巨大改进， 1938 年发明的日光灯可以减 少热的损失，节省能源的消耗，这又是一个大进步，后来紧凑型日光灯的开发使其应用更 为普遍，同时高压气

7、体放电灯如水银灯、金属卤素灯及钠灯等的发明可在室外实现照明， 满足了各方面的需要。目前有21%的电源用于照明，如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。1.1 传统照明技术简介在 19 世纪爱迪生发明电灯之前，人类实现照明的方式非常简单，那就是直接借助各种 火源的直射光，例如蜡烛、油灯等等。这些发光设备虽然在人类的历史长河中点燃了漫漫 岁月，却因为极低的发光效率和发光质量，只能尘封在历史的博物馆中，进入 20 世纪后， 随着人类新工业革命的爆发，以爱迪生发明的新式白炽灯为代表的照明设备，正式成为人 类生产生活中的主流发光设备。人类社会的电力照明设备大致有这几个重要

8、的发展成果：白炽灯，主要以钨丝作灯 丝因为钨有高熔点及低蒸发率。白炽灯的大部分辐射光是红外线，所以120V 白炽灯的照明效率在 2400K 时约为 8lm/W，般 100W 白炽灯只有 7%的电功率转变为可见光。钨 丝卤素灯，为减少钨丝蒸发率以增加其寿命及工作温度，在灯泡中添加卤素气体作成的钨 丝卤素灯也较为流行。一般钨丝卤素灯均在高温工作，灯泡也较小，用的是比较坚硬的玻 璃壳，其寿命比钨丝白炽灯要高两倍。日光灯，一般日光灯用低压放电可以产生11000-13000K 的高温，目前日光灯可以用的材料有汞即水银和钠，汞灯释放紫外线故多用于一般 日光灯，灯管涂上荧光分以产生白光。低压钠灯，用钠代替汞

9、可以得到含有589nm 及589.6nm 的黄光但是钠熔点比汞熔点高，也比汞活泼，要用抗钠玻璃。大部分应用在街道 级公路上。高压汞灯，高压汞灯的一般功率变成热，所以效率不高，但是温度稳定性极 佳，大部分应用在街道照明及商用建筑的照明。高压钠灯，可以产生50-1000W 功率，演色性差不适合用于室内照明。金属卤化物灯，是在高压汞灯中加入了其它金属，这样 可以改进发光效率及演色性。1.2 LED 照明发展简介LED 即 Light Emitting Diode （发光二极管）的缩写。即：光线激发二极管，属于一种 半导体元器件。发光二极管的核心部分是由p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 p

10、型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称为 p-n 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入 的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接 转换为光能。 PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发 光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。现在照明光源已逐渐由白炽灯发展为日光灯，而以后的希望，就将是白光 LED。 LED 技术可以应用在普通照明、背光照明、道路交 通、招牌和显示屏、农业、渔业、医学以及通信等领域1。应用半导体 PN 结发光源原理制成 LED 问世于 20 世纪 60 年代初，1964 年首先出现红 色发光二极管

11、，之后出现黄色LED。直到 1994 年蓝色、绿色 LED 才研制成功。1996 年成功开发出白色 LED。 LED 以其固有的特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照 明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾 灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源大面积 推广。近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED 制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED 取得了突破性进展，其发光效率提高了近 1000 倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重 要的是超高亮度

12、白光 LED 的出现，使 LED 应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可 能。高亮度 LED 将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。LED 照明的变革将扩展人们的照明观念，更加体现节能化、健康化、艺术化和人性化的发展趋势2。1.3 LED 优点（1）发光效率高。 LED 经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。目 前，世界各国均加紧提高 LED 光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提 高。（ 2）耗电量少， LED 单管功率 0.03-0.06 瓦，采用直流驱动，单管驱动电压 1.5-3.5 伏，电流 15-18 毫安，反应速度快，可在高频操作。（3）使用寿命长

13、，采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED 灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10 万小时。（ 4）安全可靠性强，发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光 色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。（5）有利于环保，LED 为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意 组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。2 照明用 LED 主要技术特性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、 光

14、学特性。2.1 LED 的电学特性I-V 特性：表征 LED 芯片 PN 结性能主要参数。 LED 的伏安特性具有非线性和单向导 电性，即外加正向偏压表现为低电阻，反之为高电阻。如图1 所示。图 1 伏安特性曲线（1）正向死区（图 1 中的 oa 段或 o段）。a 点电压 Va 点对于 o 点电压 Vo 为开启电 压，当 VVF的正向工作区，IF随 VF的增大呈指数规律上升：（2）正向电流 IF是指 LED 正常发光时的正向电流值，在实际使用时应该根据需要选择IF的值的大小，在 0.6lFm（ IFm为正向工作电流最大值）以下。正向工作电压VF是在给定正向电流下得到的，一般在时测得的。 LED

15、 的正向工作电压 VF为 1.4-3V 。在环境温度升高 时，正向工作电压 VF将下降。（ 3）反向死区， V0 时， PN 结加反响偏压。 （ 4）反向击 穿区，V-VR,VR为反向击穿电压。与 VR对应的电流 IR为反向漏电流。当反向偏压一直增 加到使 V-VR时，IR将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。允许功耗 P:假设流过 LED 的电流为 IF管压降为 VF则 LED 的功率消耗为。当 LED 工作时，若外加偏压、偏流一定，则会促使 PN 结内的一部分载流子复合发光，还有一部 分变为热能，使节温升高。若节温为Tj外部环境温度为

16、 Ta，则时，LED 内部的热量借助管座向外释放，散发的热量可以表示为。响应时间: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。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。2.2 LED 的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。半导体的光学特性4及其材料性能可以用于发光照明。 LED 光学特 性：发光法向光强及其角分布Ie：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

17、正法向不同e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Ie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）。发光峰值波长及其光谱分布：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。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）

18、 。 发光效率和视 觉灵敏度：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。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。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 （尼特）。寿命：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。3 照明用白光 LED 技术从 LED 出现以来，人们一直在努力实现固体光源。随着LED 制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，发白色光

19、的LED 固体光源性能不断完善并进入实用阶段。能量效率更高、功能更强的新型LED 固态发光（SSL）产品的发展很快，被认为是照明市场上的主要革命性进步3。白光 LED 的出现，使高亮度白光 LED 的 应用领域跨足至高效率照明光源市场。发光二极管主要由 PN 结芯片、电极和光学系统组成。其发光体晶片的面积为10.12mil （1mil=0.0254 平方毫 M ），目前国际上出现大晶片LED，晶片面积达 40mil。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶 片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空 穴区域并与之复合，

20、电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越 大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围 内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料 具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。目前，已商品化的白光LED 多是二波长，即以蓝光单晶片加上 YAG 黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光LED ，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、 紧凑型节能荧光灯泡及 LED 背光源等市场。LED 照明光源的主流将是高亮度白光 LED 。3.1 白光 LED 技术原理所谓白光是由多

21、种颜色混合而成的光。人类眼睛所能见到的白光形式至少需两种光混 合如二波长（蓝光+黄光）或三波长（蓝光 +绿光+红光）。目前是二波长蓝光单芯片加上 YAG 黄色荧光粉，在未来较看好的是三波长光，以无机紫外光芯片加R、G、B 三基色荧光粉。未来三波长LED 的应用将取代荧光灯、节能灯，白光LED 的市场将是巨大的，LED 节能照明也将得到更加广泛、深入的应用。白光 LED 的特性：在白光 LED 设计中，通常在发射蓝光的InGaN 的基料上覆盖转换材料于是得到混合的白光。白光是不同波长的光的混合，所以，白光LED 不可能有一个特定的波长，可用色坐标定义白光LED。在白光 LED 数据中，色坐标随正

22、向电流增大而变化。正向电流的变化可以改变白光的质量。当正向电流高至101mA 时，正向电压的变化很大，变化量的范围大约在800mV （部分白光 LED 的变化会更大）。白光 LED 工作电压的变化改变其发光色彩，是因为工作电压的变化改变了正向电流。对于不同的白光LED，其电流、电压特性也呈现出很大的差异。白光LED 的发光效率和演色评鉴指数：光源的发光效率（K）,能量效率是指输入功率W 转换成光量子的百分比；发光效率用K （Im/W）表示。波长为时单一波长的发光效率可由式表示为。演色评鉴指数Ra，演色评鉴方法依照CIE 的规定执行。一般照明用白炽灯可分为日光灯（色温为6500K ）与灯泡（色温

23、为2850K）两种。这两种不同色温的白炽灯的色温值都落在CIE 所制定的条例轨迹上，即使是荧光灯的色度值也需要按照CIE 的规定。一般是高效率白光LED 的基本条件，室内装潢照明和阅览书籍时的 Ra 则需要大于 95。表 1 白光 LED 的种类及发光原理芯片数激发源发光材料发光原理1蓝光LEDIn GaN/Y AGInGaN 的蓝光与 YAG 的黄光混合成白光蓝光LEDInGaN/荧光 粉InGaN 的蓝光激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发光蓝光LEDZNse由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混合成白 光紫外LEDInGaN/荧光 粉InGaN 的紫外光激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发光2蓝

24、光LED黄绿LEDIn GaN GaP将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白光LED3蓝光LED绿光LED红光LEDIn GaNAlI nGaP将发三原色的三种小片封装在一起，构成白光LED多个多种光色LEDIn GaNGaP AlI nGaP将遍布可见光区的多种光芯片圭寸装在一起，构成白光LED目前白光 LED 产品发光原理如表1。其中主要以两种方式发光。以460nm波长的InGaN 蓝光晶粒涂上一层 YAG 荧光物质，利用蓝光 LED 照射次荧光物质以产生与蓝光互 补的 555nm 波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可以得出肉眼所 需的白光。照明用白光LED 的开发

25、基础在于蓝光技术。蓝光 LED 基片安装在碗形发射腔中，覆盖以混有 YAG 的树脂薄层 200-500nm。蓝光 LED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄色光混合，可以得到白色光。对于In GaN-YAG 白光LED 改变 YAG 的化学成分和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K 的各色白光。结构如图 2 所示。1: LED 芯片发蓝光2： LED 荧光粉发黄光 图 2 LED 封装结构图3.2 照明用白光 LED 技术要求（1） 要有高的发光效率。照明用白光LED 不同于传统的 LED 产品，在技术性能指标上有一些特殊要求。光通量：照明的白光功率

26、LED 希望达到 1Klm。不过光通量为 O.IKIm和 O.OIKIm 的功率的功率 LED 也能满足要求不高的照明需要。由于白炽灯的效率较低，仅为 8Im/W，所以一个 15W 白炽灯的光通量与 5W（25Im/W ）的白光功率 LED 器件相当。 发光效率：目前产业化产品已从15Im/W 提高到 25Im/W，研究水平为 32Im/W，最高已达到 44.3lm/W。色温：为 2500-6000K，最好在 2500-3500K。显色指数 Ra，最好达到 100 至 少应该大于 80。稳定性：用于照明的白光LED 的波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照场合的要求而定。（2）光的分配

27、必需均匀，并能有效的控制，可以开关或改变强度而不影响其寿命。（3） 相关色温或简称色温，一般白炽灯的色温在2850K，使人感觉轻松与舒适，适用与卧室等处；办公室所用所用光源色温在4000-5000K，是柔和的白光；白天的光色温约6500K，适合与工厂，所以一般色温都应该在这些范围内。（4）品质因数 FOM。用品质因数 FOM 值可以比较不同官员的实际价值。（3） 其中，是观点转换效率；K 是发光效率；是斯托克斯位移效率，也就是当光由另一波长转换的效率，当光波长405nm 转换为 540nm 时，。表 2 中列出用不同波长产生白光时的FOM 以及与 470nm 相对的 FOM 值。表 2 在不同

28、波长 LED 上添加荧光粉所产生白光的特性芯片主波长/nm470405380相对于 470nm 晶片的1.01.51.0电光转换效率发光效率/（nm/W）330330300斯托克斯频移0.800.750.70品质因数264369210相对于 470m 波长时的0%+40%-20%品质因数变化3.3 白光 LED 驱动电路技术白光 LED 是照明领域的主流， 其驱动电路技术至关重要。驱动器相当于白光LED 供电的特殊电源，可以驱动正向压降为3.0-4.3V 的白光LED，并根据需要驱动串联、并联或串并联的多个白光 LED，满足驱动电流的要求。3.3.1 白光 LED 驱动器的要求及分类驱动器的主

29、要要求：驱动器应有升降压功能，以满足电池供电的要求；应该有高的功 率转换效率；在多个白光LED 串联时，要求白光 LED 的电流相匹配，是亮度均匀；功耗低，静态电流小，并具有关闭控制功能，在关闭状态时一般静态电流应该小于1;白光LED 的最大电流可以设定，使用过程中可以调节光的亮度；有完善的保护电路，如低压锁 存、过压保护、输出开路或短路保护；小尺寸封装，并要求外围组件少而且小，所占印制 板面积小；对其它电路的干扰影响小；使用方便，加为低。从供电电压，一般将驱动器分三类，由电池供电，电压一般低于 5V ，主要用于便携式 电子产品，驱动小功率及中功率的白光 LED ，它主要采用升压式 DC/DC

30、 变换器或升压式 （升降压式）电荷泵变换器，少数采用 LDO 电路的驱动器；大于 5V 供电，有稳压电源或 蓄电池供电，它主要用于降压式或升降压式 DC/DC 变换器；直接由市电 110V 或 220V 或 相应的高压直流 40-400V 供电，主要用于驱动大功率白光 LED ，采用升压式 DC/DC 变换 器驱动电路。电荷泵式驱动器可数去的电流已从几百毫安升到 1.2A ，并且两者在转换效率 上也不相上下。对于采用 LDO 电路的驱动器，不用外围期间和价格低，为优点，但是转换 效率略低，并且电池常不能用到终止放电电压就要充电。这种驱动器主要由于 1 节锂离子 电池的场合，并且学要用正向电压低

31、的白光LED 。可以用白光 LED 驱动电源的集成器件品种较多，大致分为恒流源、电荷泵和开关电源三种类型9。3.3.2 常见典型白光 LED 驱动电路白光 LED 驱动电路的特点是：白光 LED 的正向电压 VF非常高， VF本身具有一定的波 动范围，全开工作时会使白光 LED 的耗电量增加，电源电压变化会影响白光 LED 的亮 度。为了使白光 LED 能稳定工作，且不受电压 VF波动及电源电压波动影响，所以必须使 用专门为驱动白光 LED 而设计的 DC/DC 变换器。 DC/DC变换器有电感是 DC/DC 变换器 及电荷泵式 DC/DC 变换器两大类10。最近几年行动电话、 PDA 等可携

32、式电子产品的液晶显示器逐渐从黑白银幕更换成彩色 银幕，由于液晶本身不会发光所以液晶显示必需利用背光照明单元显示银幕的信息。可携 式电子产品的背光照明单元基于耗电性等考虑，因此白光 LED 正当快速取代传统灯泡，成 为背光照明单元主要发光组件。为了使白光 LED 点灯必需使用高顺向电压 VF与顺向电流 IF，尤其是背光照明单元的电流控制，对可携式电子产品的电池动作时间具有绝对性影 响，因此探讨白光 LED 背光照明单元的驱动原理与驱动电路的设计技巧。如图 3 所示传统背光照明单元的白光 LED 是并联驱动，由于白光 LED 的亮度取决于 电阻的阻抗值。然而白光 LED 的电压 VF本身具有不同的

33、波动范围，因此相同的电阻会使 白光 LED 的亮度产生分布不均现象。图 3 传统背光照明单元的白光 LED 并联驱动方式因电压波动引起白光 LED 亮度不相同时，背光照明单元的光线就会有照明不均匀的问 题。虽然使用电器特性相同的白光 LED 可以改善亮度不均匀问题，但实际上无法获得电气 特性相同的白光 LED 。应根据个白光 LED 的电气特性，逐一调整负载电阻。但是，实际 上这种方式不是解决问题的方式。为使白光 LED 的电流相同，可以用串联方式如图4 所示的方式。由于电流 I 相同，亮度几乎一致。图 4 传统背光照明单元的白光 LED 串联驱动方式当多个白光 LED 串联时，必须等比例提高

34、电压。如图 5 所示，利用开关变压器NJM2360 的白光 LED 驱动电路。电路的基准电压 VREF为 1.25V，加在 VIN端子。此方式中 电阻 RL的阻止决定了影响白光 LED 亮度的个 LED 的电源 ILED，ILED 可以有公式 3-3 得 到：（6）假设个 LED 的电流 ILED为 15mA , RL约为 830Q,三只 3.6V 的白光 LED 串联联接 时， LED 整体的驱动电压 VLED为：式中：N 为串联连接的白光 LED 数。图 5 驱动白光 LED 电路半导体照明是本世纪最具发展前景的高技术领域之一，白光 LED 将成为 21 世纪的新一代光源，可以替代白炽灯、

35、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源，白光 LED 孕育着巨大的商机11它将成为一种理想的环保照明系统。传统的白炽灯采用的是热发光技术，90% 的电能以热辐射形式散发出来，不仅浪费能源，而且会使室内外温度升高，增加空调等设施 的用电量，在一定程度上增加了地球的温室效应。因此， LED 照明将越来越占据重要地 位。3.4 高效率白光 LED 技术发展使用荧光体与光触媒所构成的紫外线LED 的开发，尤其波长为382nm 外部量子效率为 24%的 Gal nN LED 是在已作过凸凹加工的蓝宝石上使用选择性长晶GaN 基板，因此可以降低结晶的转位密度并提高内部量子效率，如果在加上覆芯片化结构，则更加突显

36、取光效 率。在咼温环境才下施加压力将波长几乎与LED 致的透明状 GaP 粘贴上去，便可将光取出效率提高两倍。如图 6 中外形呈梯状结构的 LED 是对光取出效率所作的改善。图 6AlGalnP 系 TlP-LED 结构为获得完美的咼演色性（），基本上白光 LED 可分为单芯片型和多芯片型两种方式：一种是同时点亮红、绿、蓝三色 LED 产生白光；另一种是利用蓝光或紫外光LED 作为级法源，激发荧光体获得白光。此外，单芯片型的技术方向，是改变活性层的性质，利用单 纯的半导体产生红、绿、蓝三色光，进而获得白光。多芯片型方式碍于各颜色LED 的驱动电压、发光效率、配光特性的差异，以及色温的特性、组件

37、的寿命等，激励实用化还存在 许多问题有待解决。单芯片性因为组件种类单纯，具有驱动电路设计容易等有点。（1）单芯片型如 lnGaN LED （蓝） /YAG 荧光粉， lnGaN LED （蓝） /YAG 荧光粉 +绿荧光粉， InGaN （紫外）/（红+绿+蓝）荧光粉 Cree（ 2）双芯片型，可以由蓝光 LED+黄光 LED、蓝 光 LED+ 黄绿光 LED 以及蓝绿光 LED+ 黄光 LED 制成。这种器件较为便宜，但是由两种颜 色形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不咼的场合使用。（3）三芯片（红 +绿+蓝） LED ，采用波补偿和光通量反馈方法可使色移降低到可以接受的程度。（4）四

38、芯片（红+绿+蓝+黄）LED，采用 465nm、535nm、590nm、625nm 的 LED 芯片可以制成 Ra 大 于 90 的白光LED。（ 5）组件的配列，照明用的LED 需要将多个 LED 做系统的最佳组合。目前多芯片组合封装的咼亮度 LED 得到迅速发展53.5 照明用白光 LED 封装和散热问题LED 的密集排列组成白光照明系统，热量的耗散问题是功率型LED 应用的先决条件8。 LED 封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特 殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完 成电气互连。而 LED 封装则是完成输出电信

39、号，保护管芯正常工作，输出可见光的功能， 既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。在应用大功率 LED 做为照明系统时，国外对其散热问题也做了大量的研究。3.5.1 白光 LED 的封装技术LED 的核心发光部分是由 P 型和 N 型半导体构成的 PN 结管芯，当注入 PN 结的少数 载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但PN 结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以 释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材 料，应用要求提高 LED 的内、外部

40、量子效率。常规5mm 型 LED 封装是将边长 0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线 与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的 环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和 材料性质 (掺或不掺散色剂 )，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空 气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被 取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导

41、致过多光损失，选用相 应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐 湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材 料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光 输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到 LED 的轴 线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。如 下图 7 所示为 1.3W 种的高功率 LED 封装图。图 71.3W 高功率 LED 封装不同颜色的 5mmLED 随着时间变化不会以同样的方衰减。在 20mA 的电流下

42、， 5mm 封装 LED 的衰减如图 8 所示7。红光 LED 的光输出衰减速率较白光 LED 慢，而绿光和蓝 光 LED 则以中等的速率衰减。自光封装在一个与外界嗝离的灯具中，环境温度将影响白光 白的充输出衰减速率。图 85mm 封装 LED 的衰减情况随着大功率白光 LED 封装技术的发展，可以通过减小白光 LED 结点与插脚间的热 阻，把封装外壳做成扁平状、缩短节点与插脚间的距离来缩短传输的距离。同时引线的支 架的直径更大，引脚增大，并使用热传导性能较好的材料制作，能使热量更快的散发出 来。使用耐高温的环氧数值，解决了高温的散热问题，因此可以利用大芯片进行封装，致 使其工作电流可由一般的

43、 20mA 增大到 350mA、700mA 甚至 1000mA ，其功率可以达到 1W、3W 甚至 5W。这种封装的辐射视角很宽，因此该白光LED 的光效率很高，所以，信号灯中使用的白光 LED 只需要十几只，甚至几只，常见的 LED 台灯也是如此。常规白光 LED 与功率白光 LED在信号灯中的应用有些不同：如材料不同，一般白光 LED 用环氧树 脂作安装版，而功率白光 LED 需要使用铝基线路板( MPCB )；生产工艺不同，一般白光 LED 使用波峰焊接或手焊接均可，而功率白光 LED 需要使用贴片焊机；结构要求不同；配 光设计不同，使用寿命不一样等。3.5.2 散热问题及解决散热技术是

44、影响取光效率的重要要素。对于由PN 结组成的发光二极管，当正向电流从PN 结流过时，PN 结有发热损耗，这些热量经由粘结胶、灌封材料、热沉等，辐射到空气 中，在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗，也就是热阻，热阻是由器件的尺 寸、结构及材料所决定的固定值。设发光二极管的热阻为Rth(C/W)，热耗散功率为PD(W)，此时由于电流的热损耗而引起的PN 结温度上升为：(4)PN 结结温为：(5)其中TA为环境温度。由于结温的上升会使PN 结发光复合的几率下降，发光二极管的亮度就会下降。同时，由于热损耗引起的温升增高，发光二极管亮度将不再继续随着电流 成比例提高，即显示出热饱和现象。另外，随

45、着结温的上升，发光的峰值波长也将向长波 方向漂移，约 0.2-0.3nm/C,这对于通过由蓝光芯片涂覆 YAG 荧光粉混合得到的白色 LED 来说，蓝光波长的漂移，会引起与荧光粉激发波长的失配，从而降低白光LED 的整体发光 效率，并导致白光色温的改变。对于功率发光二极管来说，驱动电流一般都为几百毫安以上， PN 结的电流密度非常 大，所以 PN 结的温升非常明显。对于封装和应用来说，如何降低产品的热阻，使 PN 结产 生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的饱和电流，提高产品的发光效率，同时也 提高了产品的可靠性和寿命。LED 的密集排列组成白光照明系统，热量的耗散问题是功率型 LED 应

46、用的先决条件7为了降低产品的热阻，首先封装材料的选择显得尤为重要，包括热沉、粘结胶等，各材料 的热阻要低，即要求导热性能良好。其次结构设计要合理，各材料间的导热性能连续匹 配，材料之间的导热连接良好，避免在导热通道中产生散热瓶颈，确保热量从内到外层层 散发。同时，要从工艺上确保，热量按照预先设计的散热通道及时的散发出去。4 LED 节能照明的应用LED 节能照明的应用，是随着对 LED 发光技术的研发而进一步发展的。在对不同需求 电路要求中，其驱动电路也不尽相同。（一）前景及发展趋势目前，照明消耗约占整个电力消耗的 20% ，大大降低照明用电是节省能源的重要途 径，为实现这一目标业界已研究开发

47、出许多种节能照明器具，并达到了一定的成效。但 是，距离“绿色照明”的要求还不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源 势在必行。LED 以其固有的优越性正吸引着世界的目光。据 UBS投资研究机构做出的预 测， 2005 年到 2010 年高亮度 LED （发光二极管）市场的年复合增长率（CAGR ）有望达到 26%12。随着 LED 技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高， LED 的应用市场将更加 广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下， LED 在照明市场的前景更备受全球 瞩目，被业界认为在未来 10 年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨 丝灯和荧光灯的最大潜

48、力商品。（二）照明应用中存在的主要技术问题LED 的发光效率正在逐步提高，商品化的器件已达到白炽灯的水平，景观灯采用的白 色 LED 发光效率接近荧光灯的水平，并在稳步增长中。但是，在照明普及应用方面仍存在 一些技术性问题：一是光通量有待进一步提高。采用 LED 作为照明光源，必须可以发出更 多的光，必须具有更高的能量效率。二是 LED 发出的光与自然光仍有一定的差距。白炽灯 具有非常强的黄色光的成分，给人一种温暖的感觉。而白光 LED 发出的白光带有蓝色光的 成分，在这种光的照明下，人们的视觉不很自然。三是价格较高。这是影响 LED 照明普及 的主要原因。但是，近年来出于晶片技术的改良，制造

49、成本正在急剧下降，近三年来 LED 的价格下降了近 50% ，其正朝着高效率、低成本的方向发展，这为 LED 在照明领域的应 用提供了有利条件。此外，较好的性价比也可以弥补成本价格方面的不足。（三） LED 照明技术在灯光环境中的应用由于 LED 光源具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强，有利于环保 等特性，近几年来在城市灯光环境中得到了广泛的应用。目前已应用于数码幻彩、护栏照 明、广场照明、庭院照明、投光照明、水下照明系列。许多城市利用 LED 光源照明技术应 用于城市灯光环境建设中，产生了良好的效果，积累了丰富的的经验。如广州电力大厦、 广州鹤洞大桥、广州工商行大厦、珠海迎宾

50、南路灯光工程、东莞中心城区灯光工程、郑州 河南医科大立交桥、上海延安路灯光工程、湖南常德市丹阳天桥、南通市通讯塔灯光工程 等。随着全国城市化的进一步发展，灯光环境（包括路灯、景观灯、艺术灯等）建设领域 将不断扩大，LED 光源的应用也将不断发展。 LED 作为第四代新光源，在城市景观灯建设领域中已得到了有效的应用，但要在路灯建设和维护中取代大功率的高压钠灯、高压汞 灯、金卤灯等光源，还需进一步的研究和探讨，认真解决LED 光源在照明应用中存在的技术问题，还需 LED 光源生产厂家结合路灯行业的实际情况，生产符合路灯建设和维修所需 的新产品，使第四代新光源在城市照明建设中发挥更大的作用。5 结语

51、过去 10 年来，LED 在颜色种类、亮度和功率都发生了极大的变化。LED 以其令人惊叹而欣喜的应用在城市室内外照明中发挥着传统光源无可比拟的作用。LED 寿命长达 10万小时，意味着每天工作八小时，可以有35 年免维护的理论保障。低压运行，可达较高的光输出，调光时低到零输出，可以组合出成千上万种光色，而发光面积可以很小，能制作 成 1 平方毫 M 经过二次光学设计，照明灯具达到理想的光强分布。快速发展的LED 技术将为照明设计与应用带来崭新的可能性，这是许多传统光源所不可能实现的。白光LED 技术的发展，推动着节能照明系统的进步。参考文献1 大谷义彦(日 夏晨(译)中国照明电器.2007(6) ； 20-242 顾方嘉.日本 LED 照明技术的开发J.电子世界.2007, 48(4): 52-533 Lucio Di Jasio . LED 照明应该变得更加智能 J.今日电子.2007,52(5):50 -514 Michael E. Levinshtein(俄)，Sergey L.Rumyantsev (俄)，Michaeel S.Shur (美)杨树人，段景志(译).先进半导体材料性能与数据手册.北京：化学工业出版社.2003 : 235 周志敏，周纪海，纪爱华.LED 驱动电路设计与应用