第七章 与LED应用有关的技术问题12-15

第七章与LED应用有关的技术问题主要内容

LED驱动技术

LED的散热设计

LED的光学设计

LED的防静电控制合理选用LED器件12345

LED的驱动技术1

LED与传统的白炽灯或荧光灯相比，驱动电压和电流都非常低，而且具有单向电流和瞬间开启的特点。1.LED的基本特性1）像普通二极管一样，是一个含有PN结的半导体器件，具有单向导电性。2）有一个门限电压，只有加在LED两端的电压高压这个门限电压时，LED才会导通。3）LED具有非线性的I-V特性曲线，通过LED的电流与加在两端的电压不成正比关系。4）LED的光通量输出随流过LED电流的增大而增加，但不成正比。5）LED是一种对温度比较敏感的器件，当其结温升高时，光输出将减少，正向电压也会降低。6）即使是同一型号甚至是同一批次生产的LED器件，其参数的离散性也比较大。2.LED的基本工作条件

LED是一种电流驱动的低压单向导电器件，为保证LED正常工作，须满足以下几个方面的基本要求：1）输入直流电压必须不低于LED的正向电压降，否则，LED不会导通而发光。2）采用直流电流或单向脉冲电流驱动，当驱动并联的LED或LED串时，要求恒流而不是恒压供电；当LED被用作闪光灯时，也可采用正向脉冲来驱动LED。3）为防止LED损坏，应对流过LED的电流加以限制。目前实现LED电流限制的方法主要有：电阻器、有源线性控制、开关稳压器控制这3种方法。4）由于LED电流与光通量之间的非线性关系，LED应在光效比较高的电流值下工作。5）大功率LED最好加设散热器，以防器件过热而损坏。3.LED供电系统原始电源1）常用的LED供电电池：镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池与聚合物锂离子电池等几种。2）交流市电电源供电3）太阳能光伏电源直流电源的必要性？直流电源的电路方式

(1)交流－直流转化电路（见下表3.4）

4.电源电路

(2)转换电源AC-DC转换器/DC-DC转换器：AC-DC转换器是将交流电转换成直流电的转换电源，而DC-DC转换器是将干电池、蓄电池等直流电压转换成所需直流电的转换电源。恒压电源/恒流电源：为了高效驱动LED，最好使用恒流电路。一次二次绝缘型/非绝缘型：所谓一次二次绝缘型就是一次与二次电源被变压器绝缘的转换电源。非绝缘型是一次与二次电源两边直接相连的转换电源。一般市售的转换电源中，AC-DC转换器几乎都是绝缘型的。5.LED在应用中的配置形式及特点1）常见的连接形式整体串联形式：简单串联形式、带并联齐纳二极管的串联形式。整体并联形式：简单并联形式、独立匹配的并联形式。混联形式：先串后并的混联形式、先并后串的混联形式、交叉阵列形式。2）不同连接形式的比较连接形式优点缺点应用场合串联简单串联电路简单，连接方便；LED的电流相同，亮度一致可靠性不高，驱动器输出电压高，不利于其设计和制造LCD的背光光源、工频LED交流指示灯、应急灯照明带旁路串联电路较简单，可靠性较高；保证LED的电流相同，发光亮度一致元器件数量增加，体积加大。驱动器输出电压高，设计和制造困难并联简单并联电路简单，连接方便；驱动电压低可靠性较高，要考虑LED的均流问题手机等LCD显示屏的背光源、LED手电筒、低压应急照明灯独立匹配并联可靠性高，适用性强，驱动效果好；单个LED保护完善电路复杂，技术要求高，占用体积大，不适用于LED数量多的场合混联先并联后串联可靠性较高，驱动设计制造方便，总体效率较高，适用范围较广电路连接较为复杂，并联的单个LED或LED串之间需要解决均流问题LED平面照明、大面积LCD背光源、LED装饰照明灯、交通信号灯、汽车指示灯、局部照明先串联后并联交叉阵列可靠性高，总体的效率较高，应用范围较广驱动器设计制造较为复杂，每组并联的LED需要均流补充：LED驱动电路电流与电压2.驱动方式恒压串联型恒压并联型要求LED的伏安特性相同否则在工作一段时间后可能连续损坏3只LED压降约0.9VI增大，I>20mA，PN结温度升高，发光效率和寿命降低恒流并联型恒流串联型要求LED的伏安特性相同，否则在工作一段时间后可能连续损坏工作电流常在17~18mA，有利于延长LED使用寿命2.驱动方式2.驱动方式1)恒流式：

a、恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化,负载阻值小,输出电压就低,负载阻值越大,输出电压也就越高。

b、恒流电路不怕负载短路,但严禁负载完全开路.

c、恒流驱动电路驱动LED是较为理想的,但相对而言价格较高.

d、应注意所使用最大承受电流及电压值,它限制了LED的使用数量.2)稳压式:

a、当稳压电路中的各项参数确定以后,输出的电压是固定的,而输出的电流却随着负载的增减而变化.

b、稳压电路不怕负载开路,但严禁负载完全短路.

c、以稳压驱动电路驱动LED,每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均.

d、亮度会受整流而来的电压变化影响.

2.电源电路2.电源电路直流电源的必要性：通常驱动LED时，必须通正向电流，直接通交流电时，在负的半周期（假定为耐反向电压的串联数）时LED灭灯，人眼就会感觉到闪动。此外，LED的VF在3～4V，若把LED的电流限制在额定值之内，就必须提高限流电阻R的阻值或增加LED的串数。若提高电阻值，就会增加损失，降低效率，而且若某一LED由于断路损坏，则串联连接的所有LED都会熄灭，此外，若使用者触摸到LED，便存在触电的危险。在使用市电点亮LED时，从安全、效率的角度考虑，使用直流电源。

LED的散热设计2

LED所消耗的电能中转化为可见光的仅占百分之几到百分之几十，其余的都以热的形式散发出去。因此，必须在灯具容积、散热构造方面有比传统照明灯具更多的考虑。

LED和其他半导体产品一样就有温度的依赖性，半导体的结点（junction）温度会对变化特性和可靠性产生影响。不仅LED的电气特性、光输出以及色差等对温度具有依赖性，更重要的是期待寿命也受LED工作温度（结温）的控制，因此可以通过结温来预测寿命。照明用白光LED的寿命一般定义为全光通量衰减到初期值的70%时所持续的时间[1]。灯具一般是在自然空气中冷却，因此环境温度一般以35摄氏度以下为基准。【1】白色LED照明器具性能要求事项，（社）日本照明器具工业会规格技术资料134-20051.由灯具构造看灯具内温度与LED环境温度的关系灯具内温度Tair为：

Tair=Tin+△Tair

(1)

式中，Tin(°C)为环境温度；△Tair

(°C)为灯具内温升。考虑灯具内容积等因素后，光源产热所导致的灯具内温升△Tair可表示为：

△Tair=Q/(A·K)(2)

式中K[kcal(m2·h·°C)]为灯体的传热系数；A(m2)为灯体的表面积；Q(kcal/h)为内部产热量。由内部产热量1W相当于0.86Kcal/(W·h)，可以得出：

Q=p(W)xn(个)x0.86[kcal/(W·h)](3)

LED的散热设计2其中p(W)为1个LED所消耗的功率；n为相同规格的LED个数。通过灯具外壳材料、容积以及结构将灯体内积聚的热量有效地向外散发，可以降低灯具内部温度Tair

，即LED的周边温度。

LED的散热设计22.由LED等产热量看灯具内温度与结温的关系结温Tj为：

Tj=Tair+△Tp

(4)

式中，△Tp

(°C)为由LED模组产热导致的灯具内温升。作为散热设计的参数，若各部件材料的温差用热阻表示，则灯具内温升可以通过热阻与消耗功率的乘积求出，即：

△Tp=RjaXP(5)

式中P(W)为LED模组消耗功率(=nxp)；Rja

(°C/W)为结点与灯具内温度间热阻。若上述结温可以通过LED模组消耗功率与部件材料热阻的乘积求出，则：Tj=Tair+RjaxP(6)

LED的散热设计23.散热方法以单颗LED为例进行介绍。在选择LED散热材料的过程中，若Tj取目标值，灯具内温度Tair取LED使用温度上限值，由(6)式得出：

Rja=(Tj-

Tair)/P

(7)

若将Rja再详细分类，热阻可以用与电路欧姆定律相同的串联电阻表示：

Rja=RjB+RBA==(Tj-

Tair)/P(8)

式中RjB为结点与基板间热阻；RBA为基板与灯具内温度间热阻。若RjB用同样方法细分，则：RjB=(Tj-

TB)/P

(9)其中，TB为基板温度。

LED的散热设计2此外，还可根据LED参数表的数据进一步细分。由(8)(9)式便可确定RBA目标在值：

RBA=(TB-

Tair)/P

(10)

其中，P=VFxIF；VF、IF分别为LED工作电压和工作电流。某些情况下，还需要考虑LED驱动电驴电阻等的损失。根据上述热阻RBA的数值便可以选择相应的散热材料。散热材料的热阻可以通过材料的导热系数λ算出，材料热阻公式：

R=L/(λ·A)(°C/W)(11)

其中，L(m)为长度；A(m2)截面积；λ(W/m°C)为导热系数。由(11)可以看出，导热系数越高热阻越小，散热性能就越好。

LED的散热设计2实际上，为了提高散热性能，可以通过合理选择基板（材质、板型、尺寸）、黏结用硅脂或封装材料、热沉等散热材料，以及合理的散热通道设计而实现。

LED的散热设计2将LED芯片封装成LED发光器件时所进行的光学设计，常被称之为一次光学设计。一次光学设计主要是决定发光器件的出光角度、光通量的大小、光强分布、色温范围及其分布等。在使用LED发光器件时，对整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况等所进行的光学设计，常被称之为二次光学设计。

一次光学设计是保证每个LED器件的出光质量，主要考虑怎样将LED芯片中发出的光尽量多的取出。二次光学设计是在其封装结构之外的光学系统设计，保证整个发光系统（或灯具）的出光质量，获得实际需求的空间光强分布；二次光学设计必须在LED发光器件一次光学设计的基础上进行。从某种意义上说，只有封装设计（一次光学设计）合理，才能保证系统的二次光学设计顺利完成，从而提高照明和显示的效果。

LED的光学设计3一次光学设计对于引脚式封装出光效率的高低、效果的好坏，关键是三大要素：芯片、支架、模粒三者的组合：

LED芯片是发光的主体，发光多少直接与芯片质量有关；支架承载着芯片，起着固定芯片作用。支架碗的形状大小与芯片的匹配，对出光效率起着重要作用。模粒灌满环氧树脂之后就成为透镜，出光角度和光斑的质量与模粒形成的透镜有关。一次光学设计可分为折射式、反射式和折反射式三种。（参见讲义36-39页）折射式反射式反射式折反射式LED封装中需考虑光线的折射与透射多种LED封装方式与特性一览

二次光学设计1.LED光学设计的基本光学元件（参见讲义125-129页）透镜非球面反射镜：抛物面、椭球面、双曲面遮光板：齿形、梯形、柱形或球形遮光板2.LED系统的光学设计（参见讲义129-130页）散射型聚光型散射和聚光混合型补充:灯具及其配光曲线的简介（1）定义：自身能发光的物体称为光源（2）分类：天然光源和人造光源

LED光源：LED是一种新型的固态冷光源，它具有结构简单、重量轻、体积小、响应速度快、抗震性能好、使用方便、寿命长、节能、环保等优点，被公认为是21世纪最具发展前景的一种电光源。光源与灯具光源及其分类

（1）定义：是一种产生、控制和分配光的照明器件附件。（2）基本功能：光源与灯具2.灯具合理配光，重新分配光通量；防止眩光；提高光源的利用率；保护光源和照明安全；装饰美化环境。配光曲线的定义：配光曲线表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的分布情况。它可以记录灯具的光通量、光源数量、功率、功率因数、灯具尺寸、灯具效率包括灯具制造商、型号的等信息。最关键的是记录了灯具在各个方向上的光强分布。

（3）灯具配光曲线及其标准配光曲线表示方法极坐标表示法：室内灯、路灯等直角坐标法：投光灯等配光：指光源(灯具)在空间各个方向的光强分布，其表示方法有配光曲线、空间等照度曲线、平面相对等照度曲线、光强分布表格及数学函数表示等。极坐标表示法极坐标形式配光曲线直角坐标表示法直角坐标形式配光曲线配光曲线分类配光曲线从它的对称性质来说可以分为：轴向对称、对称和非对称3种。轴向对称：又被称为旋转对称，指各个方向上的配光曲线都是基本对称的，一般的筒灯、工矿灯都是这样的配光；对称：当灯具C0°和C180°剖面配光对称，同时C90°和C270°剖面配光对称时，这样的配光曲线称为对称配光；非对称：就是指C0°-180°和C90°-270°任意一个剖面配光不对称的情况。投光类灯具还可以根据其光束的宽窄分为：窄光束；宽光束；中等光束等。

窄光束：光束角<20°

中等光束：光束角：20°～40°

宽光束：光束角：>40°例1：管形荧光灯的配光曲线(两剖面形成的曲线)

T=C0°-180°水平面配光

A=C90°-270°水平面配光

C表示的是水平面的角度，0°-180°组成了一个剖面，T表示光在这个剖面上的分布情况。在支架中C0°-180°一般被定义为垂直与灯管方向。同理A表示光在C90°-270°剖面上的分布情况。配光曲线举例等照度曲线图极坐标配光曲线图国际照明学会推荐的分布光度C-γ坐标系统

V-H坐标系统适合投光灯的分布光度系统“0-180”这种表示方法不是指“0到180度”，而是“0度和180度组成的这个面”

白炽灯的配光剖面注意：极坐标图的原点（同心圆圆心处）为灯具发光面的中心；每个同心圆表示一个光强值，越靠外圈光强越大；图中的各个角度值就是这个剖面上的垂直角度了，向下方向被定义为0°。

等照度曲线图投光灯具的配光曲线图灯的位置C90平面

三平面配光曲线

C0平面

二平面配光曲线

目前，国际上比较流行的配光文件格式的标准有CIBSETM-14、EULUMDAT、CIE102、IESNALM一63等标准，应用最为广泛的是IESNALM-63和EULUMDAT标准。北美和欧洲已经分别选择IESLM-63和EULUMDAT标准，英国的照明制造商已经选择TMI4标准.（3）灯具配光曲线及其标准值得注意的几个问题灯具的光度数据一般是采用“角度式光度测试仪”测量，按照光学中心的一个点光源(一般是指光度测试仪的旋转中心)在不同的水平角度和垂直角度上的光强值，利用球状坐标系统描述而得出的光域网来表示。根据灯具使用功能和应用中的旋转角度情况，一般分A类、B类和C类三种不同类型的光域网。

A类灯具：主要用在汽车灯和信号灯中；B类灯具：主要应用在户外或体育场馆中，一般都需要调整角度，如泛光灯和投光灯；C类灯具：主要是用在室内或道路中，如室内筒灯、格栅灯、工矿灯、路灯、高杆灯等。灯具光域网及其分类：对于C类灯具，垂直角度必须从0度或90度开始，以90度或180度结束，水平角度总是以0度开始，根据灯具的对称情况，可以以0度、90度、180度、360度等四种角度结束，各结束角度的情况分别代表灯具全部对称、四象限对称、两象限对称和不对称；对于A和B类灯具，垂直角度必须以一90度或0度开始，以90度结束，当灯具配光是对称于垂直平面时，其水平角度可以以0度开始，以90度结束，当灯具不对称时，其水平角度必须以一90度开始，以90度结束。IES文件中的垂直角度与水平角度：发光面形状发光面尺寸：指的是灯具的发光部分的尺寸，不是指灯具的实际外形尺寸。

IESNALM-63规定了发光面的长宽高尺寸，这些尺寸最初是被假定为一个长方体盒子，2002年修订后的版本增加了点、长方形、圆形、椭圆形、球体、圆形体、椭圆柱体、各种方向的椭球体等形状。

EULUMDAT也定义了灯具发光面长宽尺寸，被称做发光区域(LuminousArea)，并以毫米为单位。不同的是，该标准还规定了发光区域的四个独立高度来表示垂直平面上的0、90、180、270度方向的高度。

CIBSET-14采用眩光形状代码来定义发光面尺寸，分长方体、球体、垂直圆柱体、水平圆柱体、或其他形状等。还规定了相关灯具的底面、侧面和灯具端面。

很多照明厂商都采用长方体模型，少数厂商也采用无量纲的点。如采用无量钢的点来定义发光面形状，在照明设计软件应用中会导致很多问题，照明设计师不得不采用写字板工具来编辑IESNALM-63格式的配光曲线，以确保其长宽尺寸不是零。灯具的光学中心在CIE121-1996中，把光学中心定义成“距离最大光强密度点最近的点”，但它并没有规定如何来量取这点。IESLM-41-98标准比较具体，规定光学中心按照灯具的安装方式(如嵌入式安装、吸顶式、悬挂式）和照明方式(如直接式、间接式、半直接式）规定光学中心，但是这些信息并没有在IESNALM-63-95标准格式中规定，只有修订后的IESNALM-63-2002标准中有详细规定。对于吊装型灯具，照明应用软件对光学中心的准确性要求不高，但对于嵌入式灯具和吸顶式灯具就不一样了，如果照明设计软件具有可视化渲染的功能时，就需要照明设计师给出灯具的物理模型，并把具体的发光面的安装位置和方向置于灯具中。为了避免天花板会挡住灯具发出来的光，必须保证发光面被置入天花板平面以下。如果光学中心和天花板平面刚好一致的话，将产生一个共面的问题，光线是否被天花板挡住就取决于浮点运算中的累计舍入误差，这就意味着在实际应用中，问题的出现是随机的。灯具的方向和位置一个非对称配光的灯具(如荧光灯洗墙灯具)，按照正确的方向把它置入CAD模型中是非常关键的。由于不同系列的IESNALM标准所规定的光域网相对于其灯具外形出现互相出现矛盾的现象。例如，IESNALM-63-95规范暗示了0-l80度光域网垂直平面是平行于线型光源的轴线，但IESNALM-41-98却推荐这种类型灯具的光域网的方向垂直于光源轴线，并且规定0度方向朝向光线投射方向。很多荧光灯具制造厂家忽略IESNALM-63-95标准，而按照IESNALM-41-98标准测试并出具配光曲线，因此，照明设计师在使用软件时必须手动检测IESNALM-63的文本文件，来确定是平行于还是垂直于光源的轴线。如果这信息没有标识在配光文件的文件头中，照明设计师就需要联系制造厂家以获取相关信息。由于在欧洲普遍采用EULUMDAT标准，但没有相关文件来确定灯具的光域网和灯具的几何尺寸之间的关系，所以多数灯具是按照CIE121-1996标准检测，对于在垂直平面90-270度方向的光强分布对称的灯具，其规定非常模糊。国标测试灯具光度数据遇到的问题我国配光检测有三个标准：

GB9467—1988室内灯具光度测试、GB—T207002—1986投光照明灯具光度测试、GB9468—1988道路照明灯具光度测试。这三个标准主要参照CIE相关标准编制，但由于CIE和IESNA标准之间的差异性，这给照明设计者、灯具厂商、软件开发商等人员带来一些问题。例如：GB规定的路灯检测时，定义顺着行车方向为c0平面，而IESNA规定为垂至于马路为c0平面，两个标准间存在90度的差异。因为照度计算软件一般都按照灯臂的方向(IESNA的CO-C180方向)调整路灯的倾斜角度，由于这90度差异，按照GB检测的路灯在软件中就无法准确调整倾斜角度。除非照度软件同时支持CIE和IESNA标准，照明设计师可以根据经验选择合适的标准计算。静电：由于电荷和电场的存在而产生的一种现象。

LED的防静电控制4静电现象：静电力学现象静电感应现象静电发电现象静电产生带电电位与体电阻率生产环境器件失效原因防静电措施本节内容参见讲义131-139页

合理选用LED器件5本节内容参见讲义139-140页汉译英发光二极管：Light-emittingdiodes，简称LED半导体照明：Solid-statelighting，简称SSL白炽灯：Incandescentlamps荧光灯：Fluorescentlamps紧凑型荧光灯/节能灯：Compactfluorescentlamp，简称：CFL卤钨灯：Halogentungstenlamp气体放电灯：Gasdischargelamp路灯：Streetlamp嵌入式天花板灯：Recessedceilinglight台灯：DeskLamp嵌入式筒灯：Recesseddownlight高压钠灯：Highpressuresodiumlamp金属卤化物灯：Metal-halidelamp高强度气体放电灯：High-intensitydischarge