LED使用资料大全汇总(一续).txt你出生的时候，你哭着，周围的人笑着；你逝去的时候，你笑着，而周围的人在哭！喜欢某些人需要一小时,爱上某些人只需要一天,而忘记一个人得用一生 本文由leiyoung69贡献
pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 LED 使用资料大全汇总(一续) (资料来自互联网,如有版权请通知,将及时卸载) LED 驱动电路概述 LED 驱动电路概述 1.概述?? LED 是一种固体光源, 当它两端加上正向电压, 半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合, 放出的过剩 能 量将引起光子发射.采用不同的材料,可制成不同颜色有发光二极管.作为一种新的光源,近年来各大公司 和研究机构对 LED 的研究方兴未艾,使其光效得以大 大提高,Lumiled 公司目前已研发并生产出光效达到 90Lm/W 的白色 LED, 已达到白炽灯的水平.和白炽灯的相比较, LED 在性能上具有很多优点, 见下表: 表1 白 炽灯与白色 LED 的性能比较
随着对 LED 研究的进一步深入,其光效将进一步得到提高,而其成本将一步下降,在不久的将来 LED 取代白 炽灯甚至荧光灯而发展成21世纪的一种主要的照明光源将成为一种趋势.?? 新的光源呼唤新的大功率 LED 驱动器,天下明科技已于近几年开始了 LED 驱动电路的研究,拥有自主知识产 权,在此研发领域已占据了世界领先的地位.??2.LED 驱动电路概述?? 与荧光灯的电子镇流器不同,LED 驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源,并同时完成与 LED 的 电压和电流的匹配.?? LED 的正向伏安特性如图1所示: 所以,LED 伏安特性的数字模型可用下式表示??VF=Vturn-on+RsIF+(ΔVF/ΔT) (T-25℃) (1)?? 其中,Vturn-on 是 LED 的启动电压??Rs 表示伏安曲线的斜率??T 环境温度??ΔVF/ΔT 是 LED 正向电压的温 度系数,对于多数 LED 而言典型值为-2V/℃.?? 从 LED 的伏安曲线及数字模型看,LED 在正向导通后其正向电压的细小变动将引起 LED 电流的很大变 化,并 且,环境温度,LED 老化时间等因素也将改变影响 LED 的电气性能.而 LED 的光输出直接与 LED 电流相关, 所以 LED 驱动电路在输入电压和环境温 度等因素发生变动的情况下最好能控制 LED 电流的大小.否则,LED 的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化,并且,若 LED 电流失控,LED 长期工 作在大电流下将影响 LED 的可靠性和寿命,并有可能失效.??3.各种 LED 驱动电路拓扑结构的简要分析?? 天下明科技近年来致力于 LED 驱动电路的开发,已研发出多种 LED 驱动电路拓扑结构以适合各方面客户的需 求,产品已广泛地运用于照明,汽车电子,显示背光等领域.?? 天下明科技推出 G220C300W01S01一种简单的 LED 驱动模块.? 这种 LED 驱动电路主要由电源隔离模块,主要是控制 LED 电流,恒流300mA,这样才能克服 LED 电流随输入 电压和环境温度等因素而产生的变化,但是从效率角度,却不应取得太大.?? 在实际运用中,负载常采用通过串并联形成的 LED 阵列,这会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发 生的变化更加显着,并且阵列形式或 LED 个数变化,限流电阻也应相应变化,所以采用这种简单结构的 LED 驱动电路一般只适合于驱动阵列形式固定的,并且灯 个数较少的 LED 陈列.?? 天下明科技正在开发的另外一个高档次的 LED 驱动电路系列的产品中,引入了电压或电流反馈控制环节.用 户可以根据需要改变负载 LED 阵列形式和 LED 个数,得到不同的输出功率.同时该驱动电路也克服了因输入 电压,环境温度等因素而 LED 灯光的颜色易变动等 弊端,功率因数达到0.9以上,THD 可做到20%以下,寿命 可达到50000小时以上,同时还可完成从100%到1%的调光功能,并且此系列产品还具备 过压和过流保护功 能.?? LED 驱动电路主体结构采用 flyback 拓扑结构, Mosfet 的通断由控制 IC 控制.这种结构在完成向负载提供直 流电压的同时,既实现了功率因数的校正,又完成了负载与电源的隔离.LED 驱动电路的另一个任务是使 LED 的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上.电 路将一个基准电压或电流信号 Sref 与 LED 负载电压或电流信号 Sload 送入信号控制模块中进行比较, 误差信 号经处理后送回初级控制 IC 中进行处理, 当负载电流因各种因素而产生变化时, 初级控制 IC 可以通过控制 开关使负载电流回到初始设计值上.LED 与荧光粉知识 LED 用荧光粉尚待创新近年来,在照明领域最引人关注的事 件是半导体照明的兴起.20世纪90年代中期,日本日亚化学公司的 Nakamura 等人经过不懈努力,突破了制造蓝光发光二极管(LED)的关键技术,并 由此开发出以荧光材料覆盖 蓝光 LED 产生白光光源的技术.半导体照明具有绿色环保,寿命超长,高效节能,抗恶劣环境,结构简单, 体积小,重量轻,响应快, 工作电压低及安全性好的特点,因此被誉为继白炽灯,日光灯和节能灯之后的第 四代照明电光源,或称为21世纪绿色光源.美国,日本及欧洲均注入大量人力和财 力,设立专门的机构推动 半导体照明技术的发展.LED 实现白光有多种方式,而开发较早,已实现产业化的方式是在 LED 芯片上涂敷荧光粉而实现白光发射.LED 采用荧光粉实现白光主要有三种方法, 但它们并没有完全成熟, 由此严重地影响白光 LED 在照明领域的 应用.具体来说,第一种方法是在蓝色 LED 芯片 上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉,芯片发出的蓝光与荧光 粉发出的黄光互补形成白光.该技术被日本 Nichia 公司垄断,而且这种方案的一个原理性的缺点就 是该荧 光体中 Ce3+离子的发射光谱不具连续光谱特性,显色性较差,难以满足低色温照明的要求,同时发光效率还 不够高,需要通过开发新型的高效荧光粉来改 善.第二种实现方法是蓝色 LED 芯片上涂覆绿色和红色荧光粉, 通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光 复合得到白光,显色性较好.但是,这种方法所用荧光粉有效转换效率较低,尤其是红色荧光粉的效率需要
较大幅度的提高.第 三种实现方法是在紫光或紫外光 LED 芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉,利用该芯片发射的长波紫 外光(370nm-380nm)或紫光(380nm -410nm)来激发荧光粉而实现白光发射,该方法显色性更好,但同样存在和 第二种方法相似的问题, 且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体 系, 这类荧光粉发光稳定性 差,光衰较大,因此开发高效的,低光衰的白光 LED 用荧光粉已成为一项迫在眉睫的工作.我们是国内率先进行 LED 用高效低光衰荧光粉研究的研究机构.最近, 通过与我国台湾合作伙伴的联合攻关, 多种采用荧光粉的彩色 LED 被开发出来了.采用荧光粉来制作彩色 LED 有以下优点: 首 先,虽然不使用荧光粉,就能制备出红,黄,绿,蓝,紫等不同颜色的彩色 LED,但由于这些不同颜色 LED 的发光效率相差很大, 采用荧光粉以后, 可以利 用某些波段 LED 发光效率高的优点来制备其它波段的 LED, 以提高该波段的发光效率.例如有些绿色波段的 LED 效率较低, 台湾厂商利用我们提供的荧光粉制 备出一种 效率较高,被其称为"苹果绿"的 LED 用于手机背光源,取得了较好的经济效益.其次,LED 的发光波长现在还很难精确控 制,因而会造成有些波长的 LED 得不到应用而出现浪费,例如需 要制备470nm 的 LED 时, 可能制备出来的是从455nm 到480nm 范围很宽的 LED, 发光波长在两端的 LED 只能以 较低廉的价格处理掉或者废弃, 而采用荧光粉可以将这些所谓的"废品"转化成我们所需要的颜色而得到利用.第 三,采用荧光粉以后,有些 LED 的光色会变得更加柔和或鲜艳,以适应不同的应用需要.当然,荧光粉 在 LED 上最广泛的应用还是在白光领域,但由于其特 殊的优点,在彩色 LED 中也能得到一定的应用,但荧光 粉在彩色 LED 上的应用还刚刚起步,需要进一步进行深入的研究和开发.白光 LED 简史 LED 是 Light Emitting Diode 发光二极管的简称.此种组件,无论是信息产品,通讯用品还是消费性家电制 品,广泛普遍用于各种电子回路中,通常用来做为"显示状态"的用途.使用红光,绿光或蓝光二极管的产品,市面上可以说四处可见.但是使用白光的发光二极管,却很少见,其 中是不是有什么技术瓶颈?答案是科技界最喜欢使用的反制招数.因为这是日亚化学工业(Nichia)的独门专 利.然而,随着该公司专利战略的不得不变更,白色光 LED 的市场面以及性能面,有机会演起一场大变格的 戏码.市场面的首要冲激变革,即是供给体制的变化.当有更多的竞争者,进入角逐之战场以后,我们可以 预期至少会发生几件事情.其一,自然是价格会滑落到一定的合理水平.其二,可以大量的交货,满足市场 的需求.其三,品种的种类丰富化.如果以上的推断逻辑成立的话,那么,白色光 LED 的市场扩大延伸,必 然会呈现加速度的上升曲线.日亚中村秀二倒戈 掀起蓝光,白光 LED 专利权大战 说到白色光 LED,必须延伸说到蓝光 LED.而谈到蓝光 LED,这又与日亚化学工业的专利世纪大战,有密不可 分的影响关系.至于,白色光 LED 以及蓝光 LED,又是存在怎样的你浓我浓的依存关系,稍后再来说明.有意思的是,这场专利世纪大战的情节,直逼连续剧般地剧情变化,人事物地俱足,高潮迭起.情节的主轴 有二,其一,是专利权本身的战役.其二,是幕后的伟大发明家中村秀二(Shuji Nakamura)先生,琵琶别抱, 在劲敌日亚化学 Cree 公司从事兼职的研究工作,带领 Cree 开发不同于日亚的蓝光 LED 技术,向其老东家挑
战.说起日亚化学工业(Nichia)一向是以专利垄断之战略垄断蓝光 LED 市场.何以,来个战略的乾坤挪移呢?实 际上,日亚化学工业也是被目前的时势所逼,而不得不重新检讨策略上的运用.日亚化学工业在1993年时成 功地开发出蓝光 LED,据称,其所拥有之相关专利就超过100件以上,而该公司为了达完全垄断蓝光 LED 市场 的企图霸心,即运用了坚守专利的策略,悍然拒绝将该专利授权给其它任何的厂商 ,设下进入市场的专利障 碍.日亚挟其在化学工业领域长期研发的优势与专利保护策略,初期很顺利走向垄断蓝光 LED 市场之路.如 同风云中的雄霸一般,野心想独吞天下,成也风云,败也风云.举个实际的发生例子而言,当1998年竞争对手丰田合成(Toyoda Gosei)的氮化物(Nitride)高亮度 LED 产品在 市场上一推出时,日亚就向东京地方法院提起诉讼,指控丰田合成侵害其蓝光 LED 专利.后来,此案做出裁 决,东京地方法院判决专利侵权的案件成立,命令丰田合成公司停止制造与销售其 LED 产品,并赔偿1亿日元 给日亚化学.而对此一判决,丰田合成已经提起上诉.第二个实际的案例,发生在1999年,日亚再转移目标对准美国的知名蓝光 LED 大厂 Cree,向东京地方法院指 控 Cree 在日本当地经销商住友商事侵害其产品专利.一场横跨美,日两地的蓝光 LED 世纪专利大战,就从上 一个世纪末延续打到了新世纪,而日亚的蓝光 LED 垄断之路,越走越崎岖,终究初尝败绩.这项判决实在具 有重大的实质意义,一来因为这表示其它的竞争者有机会可以进入蓝光 LED 的市场,而不至于侵害日亚化学 的专利 二来,以专利伞独霸的招式,证明不是万灵丹.从这几个案例,大家也可以不用付出任何高昂学费, 学到一些宝贵的教训, 他人是如何踢到铁板,又是如 何利用招式来面对不利的局势.此事证明了任何坚固如盘石一般的专利布局战略,其它厂商也不是完全没有 机会,可以绕过专利地雷自行开创新的局面.这就需要仰赖智能与技术的结晶.白色光 LED 2003年出货可达12亿颗 若是从性能层面来思考,要去专注的重点 ,不外乎"发光效率"以及"辉度量度"的特性问题.依据推断, "白光"LED 要直逼日光灯的发光效率,可能要到2004年,或提前或延后,这都不是问题,重点是照明器具 业者,信息业者,通讯业者,大概已经留意到白色光 LED 的潜力,过去被视为"罕见的零件"将洗心革面变 成普通的泛用组件."光效率"的提升,所带来多品种的"白光"LED,恰巧可以迎合携带电话机,PDA,以及照明器材的庞大市 场.尤其是携带电话机与照明器材,会因为其巨大的成长,带来"白光"LED 无限的商机.2001年的使用量, 约有2亿个,2002年估计有62亿个的使用量.预估2003年可能有机会急速扩大到12亿个,单价的滑落,当可预 期.我们用量化的数据,来看"白光"LED 的究竟.白热灯泡的发光效率,约落在16lm/W 左右,而最常用的日光 灯, 其发光效率则是从60lm/W(20瓦的直立式灯管)到100lm/W(40瓦的直立式灯管).办公室或是在学校的场合, 大多是100lm/W 的日光灯,而在家庭室内的场合 ,60lm/W 程度的发光效率,该是可以接受的范围.而目前的"白光"LED 的发光效率,可以看到30lm/W 的产品.由此可见,白光 LED 的发光效率,还有一段路 要走.如果观察日亚化学以及丰田合成的技术规划蓝图,所采用的手段,会从外部发光效率一路延伸到内部 发光效率的两个层面,并双管齐下,到了2004年或2005年,应该可以达成50～60lm/W 程度的理想范围 .其 中,在施予外部发光效率的手法上,可能会是未来的技术主流.依据丰田合成的说词,未来开发的课题,着 力点放在"萤光体的改良"以及"萤光体的涂敷方式的最佳化".萤光体的涂敷方式,还是有他的 Know-how 存在,Citizen 电子利用混合环氧树脂(Epoxy) 涂敷在萤光体,据称,此种外部发光效率的手法,可以提高
大约20%～30%的发光效率.至于以上所说的"lm/W",其实就是代表每瓦多少流明的意思.白光 LED 将取代钨丝灯泡 成为新世代照明用具 白光 LED 是很多产业分析师或 LED 产业心目中相当被看好的新兴零件产品.当然,所持的理由是,在全球能 源的资源相当有限的的忧虑背景下,白光 LED 在照明市场的前景备受全球瞩目.欧,美及日本等先进国家也 投注许多人力财力,设立专门的机构推动白光 LED 研究与开发的工作.为什么白光 LED 会被视为未来的明星 零件产品,这当然与他的特殊优势或说是优点,有相当大的关系.拿白光 LED 与传统的白炽钨丝灯泡以及日光灯相互比较,马上见出分晓.LED 发光二极管的体积小,可以依 据应用对象,允许多颗组合 ,发热量其低无比,耗电量又小,寿命又长,而且从环保的面向来观察的话,白 光 LED 可以回收不会变成环境污染的废弃物等, 用来传接传统照明器具作为下一个世代的照明器材, 白光 LED 真是不做第二人想.其中,发热量低,耗电量小,都是来自于它"低电压","低电流"动作的特点.日亚,丰田合成白光 LED 技术各领风骚而刚才已经谈过一个观念.要阐述白色光 LED 的技术,就必须先涉及 蓝色光 LED,这是因为目前白色光 LED 的技术,与蓝色光 LED 的技术息息相关的.所谓的"白光",其实, 是由多种颜色经过混合之后而成的光.混合的方式,就构筑成多种多样化的白色光 LED.好比说二波长光(蓝 色光+YAG 系黄色萤光粉)或三波长光(蓝色光+绿色光+红色光).三波长光, 通常是以无机紫外光芯片加 R.G.B 三颜色萤光体.在发光的技术方面,白光 LED 的发光结构方式是新加入战场竞争者,在产品上加以区隔的重心之一.目前的 主力大致有几种.一个是日亚化学(Nichia)以460nm 波长的蓝光晶粒涂上一层 YAG 萤光物质,利用蓝光 LED 照射此一萤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 可得出所需的白光.其次,是日本住友电工开发出以 ZnSe 为材料的白光 LED,不过发光效率较差.丰田合成(Toyoda Gosei)与东芝所共同开发的白光 LED,是采用紫外光 LED 与萤光体组合的方式,与一般蓝 光 LED 与萤光体组合的方式做区隔.因为,蓝光 LED 与萤光体的组合方式 ,当照在红色物体的时候,其红色 的色泽效果比较不理想.紫外光 LED 与萤光体组合可以弥补这个缺点,但是,其发光效率却仍低于蓝光 LED 与萤光体组合的方式.至于价格与产品寿命,两者差距不大.简单的来说,用四个面向来比较白光 LED 的差 异,不失为一个标性的方法.这四个面向,分别就是"色泽表现能力" ,"发光的效率","产品的成本与 售价","产品的使用寿命期间".专利解除 大开 LED 普及应用之门 白光 LED 的最庞大市场商机,即在于照明器材的市场.其中的关键,笔者推断可能与机器中平均所使用的白 光 LED 数量有密不可分的关系.先从大哥大手机来说起,即使携带电话机的市场规模可以达4亿台,但其白光 LED 的使用数量,每一支手机却仅有个位数的少数几颗 .以 PDA 个人数字助理来说,每一台使用白光 LED 的 数量也可能低于十颗,即使成熟又成长快速的笔记型计算机以及液晶显示银幕,每一台所采用白光 LED 的数 量,也不会超过100粒.然而,照明机器所使用的白光 LED 的数量,却庞大许多许多.而且,照明器材的市场 规模,本来就超越信息产业.因此,白光 LED 的制造数量与生产能力的拉升,看来是箭在弦上.目前白光 LED 的关键技术是 LED 技术,专利权过去掌握在日亚化等少数厂商手中,日亚化学(Nichia)的专利 独家垄断,让白光 LED 的价格与供应完全由他支配,导致精于量产的业者切入困难.诚如前面所说过,但技 术的演进一旦突破日亚化的专利网,目前白光 LED 所受制的推广困境,应当能够显着改善,并赋予高度的期 待. 姑且如此说,算是本文的小小结语吧!白光 LED 的时代,大门即将开启.白光 LED 的贡献者,中村秀二,被 媲美爱迪生发明电灯泡的二十世纪末的伟大发明家.然由于横跨两个世纪的专利战,终于让这个门为众生渐 渐开启,意思是说,竞争者会陆续加入,价格滑落之快 ,可以预期.毕竟白光 LED 的优点(包含环保) ,用 于照明器材,几乎是 Perfect.由于众厂家集中火力"发光效率"以及"辉度量度"的提升,因此,一堆人 视为省电照明器材的救世主 .关于发光二极管和半导体照明的探讨 摘 要:针对近年来国内外非常重视照明用发光二极管(LED)的研制与开发,简要介绍了发光二极管的发展现 状及其特点, 并讨论了研发照明用 LED 所需要解决的一些技术关键问题, 指出这类照明系统将获得广泛应用.关键词:发光二极管;半导体照明;讨论 发光二极管发展现状 发光二极管通常也叫光发射二极管(LightEmitting Diode,简写为 LED)是一种可将电能转变为光能的半导体 发光器件,属于固态光源.LED 在20世纪60年代初期问世,当时的 LED 以红色为主,发光效率很低,光通量 很小,只能作指示灯和仪表显示器使用.随着管芯材料,结构和封装技术的不断进步,LED 颜色品种增多, 光效大幅度提高,目前的红色 LED 光效已可以到100lm/W,绿色 LED 也可达到 50lm/W,单个 LED 的光通量可 达到几十流明.尤其是近年来高光效,高亮度的白光 LED 的开发成功,使得 LED 在照明领域的应用成为可能.自爱迪生发明白炽灯以来的100多年中, 电光源照明经历了三个重要发展阶段, 这三个阶段中的代表性光源分 别为白炽灯, 荧光灯和高强度气体放电灯.现在人们普遍认为 LED 将可望发展成第四代光源, 即半导体照明.1 半导体发光二极管的特点 LED 是半导体器件通过 PN 结实现电光转换.其特点为: 1.1 节能,不引起环境污染 LED 的能耗较小,随着技术的进步,将成为一种新型的节能照明光源.目前白光 LED 的光效已经达到25lm/W, 超过了普通白炽灯的水平,且有人按现在 LED 的技术发展速度预测,到2005年,白光 LED 的光效可以达到 50lm/W,而到2010—2015年,白光 LED 的光效有可能达到 150～200lm/W,远远超过了现在所有照明光源的光 效.此外,现在广泛使用的荧光灯,汞灯等光源中含有危害人体健康的汞,这些光源的生产过程和废弃的灯 管都会造成对环境的污染.LED 则没有这些问题,是一种"清洁"的光源.1.2 寿命长 一般来讲,普通白炽灯的寿命约为1000h,荧光灯,金属卤化物灯的寿命也不超过1万 h,而 LED 的使用寿命 可长达数万 h.1.3 结构牢固 LED 是用环氧树脂封装的固态光源,其结构中没有玻璃泡,灯丝等易损坏的部件,是一种全固体结构,因此 能够经受得住震动,冲击而不致引起损坏.除此之外,LED 作为照明用光源还有一些难能可贵的优点,例如:发光体接近点光源,便于灯具设计;发光 响应时间短;易于做成薄型灯具,节省安装空间等等. 综上所述,LED 是一种符合绿色照明要求的光源.所谓"绿色照明"的概念就是指通过科学的照明设计,采 用效率高,寿命长,安全和性能稳定的照明电器产品 (电光源,灯用电器附件,灯具,配线材料,以及调光 控制设备和控光器件),改善提高人们工作,学习,生活的条件和质量,从而创造一个高效,舒适,安全,经 济,有益的环境并充分体现现代文明的照明.2 研发照明用 LED 的技术关键 LED 照明目前还只能用于一些特殊场合.广泛使用的照明光源应该是白光 LED, 而目前国内外已研制成的白光 LED 光效还不够高,功率也不够大,价格较贵.如果要求全面取代目前普遍使用的白炽灯或荧光灯,尚有一 些技术上的难题需研究解决.(1)首先是发光效率问题.提高 LED 的发光效率最主要的方法是改进半导体发光材料与 LED 芯片的结构和制造 工艺.由于这部分工作需要扎实的理论研究基础和先进的半导体工艺设备,开展这方面研究工作不太容易.(2)高功率问题.作为照明,单个 LED 输出的光通量必须足够大,欲加大 LED 的光通量,首先必须注入足够的 电功率.但 LED 芯片的温升不能过高,否则各项性能特别是使用寿命会受到很大的影响.显然,设计较大输 入功率的 LED 器件和灯具,除需用面积较大的芯片外,还必须有良好的散热结构.现在国外一些著名公司已 设计研制了一些特殊的 LED 器件结构,并已获得了较好的效果.(3)由于通常的 LED 发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内, 一般灯具中的反射器就不再是必要的光学 组件,而往往用透镜作为准直光学组件.例如,用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束.然后,用枕形透镜, 楔形棱镜等使光束重新扩散,偏折产生满足各种照明灯标准要求的光分布.这就要求对 LED 照明灯的灯具进 行独特的二次光学系统设计.(4)由于 LED 照明需由多个 LED 管组成,其参数离散性也是一个技术问题.除了通过预选,分类,尽量保证一 致性以外,还必须设计合理的灯具结构(包括 LED 的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路,防止偶尔产生 的能量集中而烧毁部分 LED.(5)此外,由于多个 LED 组成一只照明灯具时,免不了对 LED 进行并联,串联.而在使用过程中只要有一个 LED 短路或开路,都将会导致整小片或整条 LED 熄灭,影响照明效果.为此,必须研究简单而廉价的保护电 路,使这种不良影响降至最低限度.(6)鉴于 LED 对散热条件的要求较高,如果管芯结温超过标准限定值,将导致不可恢复性光强衰减.因此,除 使用时要有足够的散热措施外,还必须有合理的电路设计和电路布局,尽量使 LED 保持良好的工作状态,充 分发挥它的长寿命优点.3 结束语 尽管发展发光二极管照明系统目前尚存在一系列技术关键问题需要解决,但随着发光二极管管芯光效的迅速 提高,发光二极管的封装与灯具制造工艺的进一步改进,一些经济上和技术的障碍将逐步消除.相信在不久 的将来,这类照明系统能在很多领域获得广泛应用.白光 LED 车用照明技术发展现状 目前 LED 在车外的主要应用在于制动灯,前方转向灯,后方转向灯,左右两侧转向灯,后方雾灯和倒车灯方 面,而在头灯还处在研究开发阶段,虽然已有部分先进厂商已有展出样品头灯,但还没有达到商业化批量生 产的程度,其主要原因,包括:单个白光 LED 组件的亮度不足,而头灯所使用的 LED 尚有易衰减,价格过高 等问题存在. 细数当前国际汽车厂商,例如 BMW,Benz,Audi,Lexus 等一级车厂,相继推出各类型新款汽车,藉以吸引消 费者.其中最富变化性,最引人注目的便是眩光夺目的白光 LED 车灯款式.过去, 曾经有人将 LED 称为第4代汽车照明光源, 这是因为 LED 头灯除了一次性投入较高之外, 在寿命, 亮度, 耗电方面,都有传统白炽灯,卤素灯等照明设备无法相比拟的竞争优势.汽车头灯必须要兴起 才能带动车用 LED 产业 过去10年中,高亮度的 LED 陆续被应用在汽车,卡车及大型游览车的内外车灯等领域.根据 Eyesply Japan 市场调查,在2004年大约有30%的新车款以 LED 作为车尾灯或高位刹车灯,大部份新出厂汽车及大型交通工 具已开始使用 LED 作方向指示灯及第三煞车辨识灯.在此趋势发展下,车用 LED 在2003年的市场规模超过2 亿美元,2004年市场规模约为2.36亿美元,2005年市场规模则超过了3亿美元.随着采用 LED 的新车款逐年扩张,许多专家一致认为往后数年中,仍可望维持二位数的成长率,预估2008年 时市场规模将突破4.5亿美元.倘若白光 LED 汽车头灯能开发出新的产品及技术, 汽车用 LED 市场规模将持续 扩大,各方预测也将提早发生.汽车头灯属于车外使用的 LED 种类,其技术特性指针跟手持式等消费设备所 使用的白光 LED 类似,不过,对 LED 发光角度,色差,亮度,阀值电压,电流等光学,电学性能的一致性和 可靠性要求更高.目前 LED 在车外的主要应用在制动灯,前方转向灯,后方转向灯,左右两侧转向灯,后方雾灯和倒车灯方面, 而头灯还处在研究开发阶段, 虽然有部分先进厂商已有展出样品头灯,但还没有达到商业化批量生产的程度, 其主要原因包括单个白光 LED 组件的亮度不足,而头灯所使用的 LED 尚有易衰减,价格过高等问题. 白光 LED 如何因应车上特殊要求 长期以来, 车上所使用的头灯是以白炽灯,卤素头灯或氙气头灯 (HID)作为主发光源,并参照汽车灯的光学, 电学及形状为主要标准, 这些标准也在这2年经由 LED 厂, 汽车厂商及汽车协会大力推广下逐步而缓慢地改变.曾有汽车厂商电气专家表示,汽车厂其实很乐见"以白光 LED 光源来代替白炽灯的 LED 汽车头灯",不过, 在设计上必须要参照传统头灯的发光源标准来设计, LED 光源的特点属于数组式, 但 因此白光 LED 头灯而言, 则是一项全新的思路.其技术路线必须要应用白光 LED 光源的单色性,不加滤色片直接选用不同波长的多个 高效 LED 组件设计成分,才能满足汽车头灯具设计及加工的特殊性.LED 组件主要有3项要求:LED 必须具有高效,大功率,高可靠性(-40℃～125℃) ;符合电学,光学参数稳定 性,一致性的高要求,譬如,在同一批组件的阀值电压不一致性必须要小于0.1V;LED 组件在点亮后,其使 用寿命必须超过1,000小时,发光强度衰减值要小于20%.▲反射型与投射型 LED 发光源3D 图 白光 LED 须突破瓶颈 汽车头灯才有前景 未来汽车头灯在开发演进过程中,LED 光源必须符合先进汽车照明设计,造型,体积与效率为当前 LED 头灯 设计的当务之急,如何将此目标做最佳化的设计,将会是未来 LED 车灯设计上寻求突破的主要工作.虽然目 前距离白光 LED 头灯商品化仍有距离,可是国外车灯大厂仍不断推出新型的 LED 头灯雏型,因此,诸多传统 的车灯厂商莫不加紧脚步,开发白光 LED 头灯,配合高亮度 LED,才能在最快的时间内掌握 LED 头灯产品的 开发时机.不过,相较于目前汽车厂所使用的 HID 或卤素灯,在成本上白光 LED 价格还是高出许多,而要达 到规范上所要求的亮度,必须使用多组的白光 LED 才能达到亮度需求. LED 与传统灯具结合改变设计路径 传统的汽车头前灯的设计方式,是以平滑抛物面所构成的反射效果,再搭配上花纹透明灯壳,将光源集中置 于抛物面的焦距,以便形成平行光束,再经过小凸透镜而形成雕塑光源.以目前两大主要汽车头灯应用分为 多重反射镜面车灯(Multi-Reflector;MR)与投射式汽车头灯(Projection System) .虽然两种款式的设计 方式,都能符合 LED 的发光原理及设计,不过,LED 是以面光源形式来产生光源,其发光立体角只是传统光 源,不到钨丝灯泡的50%的发光效率,因此,光学设计必须再经过重新改良.这当中最关键便是在于"汽车头灯设计概念"的改变.光束聚焦的工作不再靠透镜,而是由白光 LED 的周围 反射面来负责,其反射面是轻质塑料表面涂装了非常光亮的铝层,曲面形状光学设计非常复杂,其表面可能 是光滑面,或是格状,多面状的组合.这也将会是白光 LED 汽车头灯在设计技术及照明艺术上的重大改变; 此后,汽车的近光灯,远光灯,方向灯将可整合成一体的灯组,从汽车头灯到汽车尾灯的造型便能真正成为 汽车造型的一部份,可以与车头,车尾的造型平滑无接缝地整合于一身.▲传统头灯及 LED 头灯水平发光作用示意图
适路性照明与白光 LED 头灯未来发展趋势 适路性汽车头灯照明系统(Adaptive Front-lighting System)已成为未来智能型白光 LED 车灯照明发展趋 势,目前各国车灯制造厂商也对此照明系统大力投入研究开发.在20世纪90年代初期,由于以下两大领域的新科技运用,使得车辆前方照明系统得以朝提升驾驶视野,及改 进其视觉舒适及安全两方面进一步发展.其中,以新的白光 LED 作为主要发光材料,以先进传感器及车用电 子相结合的照明光源与计算机辅助工具,可使白光 LED 头灯设计更为贴近汽车产业应用,并提供汽车头灯特 殊照明.因此,适路性头灯照明系统在发展一段时间后,欧洲法规方面对适路性前方照明系统也订定出了一 些规则,提出适路前方照系统包含三大元素,位于车辆两侧的照明组件,系统控制与供应及操作装置.▲AFS 信号传输基本架构图 目前雏型白光 LED 灯包含了三项功能,可视不同路况,包括:一般路面,都市路面,高速路面,湿路路面进 行光线调整,失效模式(回复原始设定)与远光灯,其中的光线变化则是利用白光 LED 光形叠加的概念,点 亮不同的 LED 单元模块,以达到不同光线的设置,而不是利用传统车灯以驱动马达原理来达到适路性照明的 功能.在进行数组式白光 LED 头灯设计前,只具单一功能的白光 LED 模块设计必须先行纳入考虑,主要是因为白光 LED 头灯功能要求符合 AFS 可变光形的分布情况,因此必须由数个不同反射镜模块来加以组合,才能达到此 项设计要求.另一方面,在头灯的反射镜设计基础上,采用三种光形的反射镜来达成 LED 头灯的近光灯基本 光形设计,另外再加上远光光形的反射镜,使光形分布可依照头灯模块不同需求,再由反射镜加上遮片后排 列组合而成.在分析设计完成最佳化 LED 投射式单元后,开始进行智能型 LED 头灯雏型的系统功能设计,依照 AFS 规范要 求,在雏型设计时,必须以四种不同光形的近光灯光形及一个远光灯光形来达成适路性的光线需求.根据汽车制造业的习惯来看,传统的车灯设计是利用几何光学的光路追迹法设计而成,并不会将物理光学理
论中的干涉衍射及色散对光能量的影响纳入考虑,因此头灯白光 LED 的强度与通过该点的光线数目成正比, 且不受光程影响.另外,线光源能量也要达到分布均匀,功率密度也必须与总功率与长度成正比.业界实际应用案例 目前,绝大部分汽车头灯具的厂家,一般只在近光灯上搭配白光 LED 模块,而远光灯则使用 HID 灯.此外, 与丰田,本田汽车合作的白光 LED 厂家也展出了汽车白光 LED 头灯光源,给人留下了白光 LED 模块正在走向 大功率化的印象.在此,撷取 Stanley,OSRAM,Koito 等厂商所发表的白光 LED 头灯目前的设计与产品发展 状况.在2008年后,白光 LED 发光效率将超过 HID-斯坦利电气(Stanley)推出的汽车头灯是与德国 Hella 联合开 发的.该头灯样品是将4个大型 LED 芯片封装成一个大功率白光 LED 模块,在近光灯上配备五个这种模块,远 光灯上配备两个.近光灯点亮时的光束总计为700lm,据该公司公布数据表示,在未来必须确保白光 LED 能达 到 HID 刚上市时的亮度,每个白光 LED 模块发出140lm 左右的光束.在实验后的样品消耗的电力与同等亮度 的 HID 灯相比,初步评估为 HID 的1.4至1.6倍.Stanley 内部人员更大胆预言,到了2008年前后,白光 LED 头灯将会与 HID 灯的发光效率并驾齐驱.适路性白光 LED 设计——日本小系(Koito)制作所推出的汽车头灯配备有11个白光 LED 模块,包括,近光灯 6个,远光灯时则另加5个.据该厂商表示,在近光灯点亮时的光束可达到800lm 至1000lm;另外,也可根据 行驶状态,对近光灯用的白光 LED 模块点亮进行控制.白光 LED 光源系统的能量转换效率为 65%-欧司朗 (Osram) 也推出名为"OSTAR"的白光 LED 汽车头灯模块, 其架构是将 4 个 1mm 大型 LED 芯片,将其整合封装后,使每个模块的光束高达 300lm.另外,OSRAM 也使用 OSTAR 研发出驱动白光 LED 模块的电源 IC 在内的光源系统, 只要经由该系统通上电后, 便具有 65%的光能转 换效率,而在散热方面,在 LED 的光源背面搭配上散热片,藉以提高光源冷却效率.高亮度 LED 的结构特点和应用 虽然 LED 是电流器件——高亮度 LED 也不例外,但汽车尾灯,刹车,转向信号照明等应用场合仍能受益于 电压驱动器结构.当效率更高的 LED 可供使用时, 零售店和住宅的 LED 室内照明将可能很快出现.LED 制造商们只是刚刚开始 解决高色温光源问题.由于高亮度 LED 制造工艺,器件设计,组装技术三方面的进展, LED 发光器的性能一直在提高,其成本一 直在降低, 性能提高和成本降低的速度都令人难忘.结设计, PN 再辐射磷光体和透镜结构都有助于提高效率, 因此也有助于提高可获得的光输出(附文《实验室中的 LED》.就高输出白光 LED 而言,宽光谱性能的提高 ) 使人对普通照明用的低维护高能效光源抱有希望.虽然实现可与标准荧光灯媲美的 LED 效率还需要一段时间,但正如半导体照明行业协会 (Semiconductor Lighting Industry Aociation) 主席 Yung S Liu 所说:"LED 灯也是比较环保的产品,因为它与荧光灯 不一样,不使用水银." 固态照明在成分和工作效率方面的环保优势目前并不是主要的市场推动因素,但确实使这种技术及其供应商 有了良好的形象.与此同时, 在各种领域工作的 OEM 设计师和推销人员一直在扩大固态照明的实际应用范围, 并一直密切注视 着市场的接受程度.然而,最终用户在固体照明设备寿命内的成本利益体验各不相同,这与传统照明设备大
相径庭.这个事实使市场的价值观变复杂化.与钨丝灯泡和荧光灯泡相比,高亮度 LED 的使用成本和维护成 本低得多,这就可以抵消 LED 较高的初始成本.尽管以上论述也许是很吸引人的,但却令其在"价格第一, 其它第二"思想倾向支配的消费市场上造成很大的推销难度.灯夹具制造商历来在各自设计中不考虑灯泡的热管理,只是提供足够对流来确保钨丝灯的高工作温度不会带 来周围材料失火危险或夹具操作者灼伤危险.这一事实使高输出固态照明设备的大批量生产复杂化.然而, 如果最终的设计是要使 LED 的光输出和工作寿命最佳,则高亮度 LED 的夹具就需要一定的热设计.因此, 虽然不会很快看到高亮度 LED 把传统钨丝灯或荧光灯从五金店和家庭中心货架上挤出去, 但这些器件 正在打入汽车,交通控制,外部标志等市场段,因为在所有这些领域,灯的高效率和长寿命会增加显而易见 的价值.高亮度 LED 斩露头角 实际上,很少听到有人在同一句话中使用"早期采用者"和"汽车市场段"两个短语.一些人也许会断言, 这种并置会在矛盾修饰法中大行其道.然而,高亮度 LED 给汽车制造商带来了几个引人注目的特性,而且, 虽然这种应用比较新, 但它们的基本特性多数来源于制造 LED 指示器——比它们老得多并且已得到了很好证 明的类似产品——的相同原理和类似工艺.LED 汽车尾灯,转向信号灯,工作灯,刹车灯可克服钨丝白炽灯固有的几大缺点.汽车常常受到的中等程度 冲击和震动会缩短灯丝寿命.同样,由灯丝电阻正温度系数引起的瞬间浪涌电流会加速灯泡的毁坏.热循环 ——刹车灯工作的一个重要特性,往往会缩短白炽灯寿命.白炽灯泡的瞬间浪涌电流也使电路保护和故障检测的任务变复杂化.汽车制造商必须把保险丝额定值和故障 检测阈值设定到足够大的电流值,才能适应浪涌电流幅值和持续时间,而不会发生保险丝烧断故障或不会检 测到假故障.相比之下,在汽车遭受典型振幅和频率范围内的冲击和震动的情况下,LED 结构比灯丝更牢固耐用.LGD 结 构的重量轻和尺寸小,从而可减少冲击和震动产生的机械力矩.LED 尺寸小,还使汽车设计师能够把照明灯 设计得体积较小,并将其设计成更符合汽车总体设计的要求.例如,一些汽车不是把 CHMSL(中间高位刹车 灯)模块安装在后盖板上,而是利用 LED 所需体积小这一点,把该功能包含在后备箱盖中(图 1) .汽车尾灯照明与控制系统提出了几个有趣的问题,这些问题也会出现在控制器件和被控制器件彼此相距很远 的其它系统中.LED 本质上是电流器件.电子空穴对在场致发光化合物内复合,并且在复合时发射光子.电 流的增大会相应提高复合速度和光通量输出.这一过程的效率不是 100%(几乎达不到100%) ,因此电流的增 大还会通过 1-h 功耗增加器件的自热.除非工作条件恶劣,否则 LED 一般不会像钨丝灯那样发生灾难性故 障,但却往往会因老化而变暗.很多器件设计师把 LED 的寿命终止定义为光输出降至初始值 50% 的时间.过流和过热条件会加快 LED 寿命终止,因此多数器件制造商建议 OEM 仔细控制 LED 的能源.这些特性暗示,为了达到 LED 在汽车 CHMSL 或尾灯组件中的 11 年预期寿命,汽车车体控制模块应该以恒 定电流来操作各个器件.然而,正如 Analog Devices 公司汽车市场专家 Bill Reidel 所说,恒流设计使车 体控制模块和灯组件之间的布线复杂化,并驱使设计师把功率控制 IC 从车体控制模块中取出,把它放入灯 外壳中.恒压驱动能使控制 IC 保留在需要控制 IC 故障检测状态信息的控制模块内, 而且能在同一设计中减 少外部组件(即保险丝)的数量以及控制模块和灯外壳之间的布线数量.Texas Instruments 公司汽车应用工程师 Keith Wolford 赞同地说:"LED 控制 IC 的功能之一就是保险丝
的功能.如果你把 LED 驱动器放置在灯外壳中, 你就必须把电传送到那个位置, 并给 LED 驱动器装保险丝…… 而如果你有一个中央照明模块, 则你必须做的仅仅是给连接该模块的电源馈线装保险丝.借助 LED 驱动器的 诊断功能,如果连接某个灯外壳的电线短路,你就能用电子设备来保护它,而不必为每条灯外壳连线装保险 丝." Analog Devices 公司的 AD8240 LED 驱动器/监视器是这种方法的具体体现.该器件工作电流是 300mA,供 电电压范围是 9V ~ 27V.PWM 输入控制着灯亮度,从而实现符合汽车规定的白天和夜晚不同最低亮度级.过流检测电路由一个外部高压侧分流电阻器和一个片上比较器组成.如果分流电阻器两端的电压降超过参考 电压(一般是 5V) ,过流检测电路就锁住输出驱动信号.锁存器在每个 PWM 周期之后会复位.分流电阻器和外部 PNP 传送组件限制最高负载电流.制造商建议的0.1Ω ~ 0.5Ω 分流电阻范围对应于 2A ~ 0.4A 的最大负载电流.控制模块的微控制器通过一条 ADC 输入通道来读取 IC 检测引脚的读值,就能监视 负载电流.售价为1.15 美元(1000 件批量)的 AD8240能 检测开路负载,短路和局部故障,如一串串联 LED 中的一个 LED 短路这种情形.这种驱动器/监视器 IC 采用 MSOP-8 封装.在需要低压侧控制器的设计中,设计师可以考虑使用 Melexis 公司的 MLX10801,因为 MLX 10801采用 SO-8 封装,能在没有外部传送器件的情况下吸收550 mA 绝对最大峰值电流和400 mA 绝对最大平均电流.一种带后 缀 A 的封装选件采用带热衬垫的 MLPD-8 封装,而所用裸芯片不变,从而把 RΘJA 从120K/W 降低至37K/W.这种封装改进可使绝对最大峰值电流和绝对最大平均值电流分别提高至1.2A 和750mA.一根诊断引脚使本机微控制器能通过一个 ADC 通道来监视负载电流.那些驱动器/监视器芯片多于 ADC 通道的 设计可以求出接地电流之和,并且借助一根模拟输入引脚来监视总接地电流(图2) .Melexis 公司的 MLX10801 的特点是一组瞬态脉冲, 40V 负载转储以及不正常引发的欠压条件,这些都是该 器件必须承受的预期非标准工作条件.一个可编程非易失数据锁存器使 OEM 能通过一个片上检测二极管或外 部检测二极管来进行温度测量.一根控制输入引脚可实现 PWM 调光,这是 LED 驱动器的一个常见特性.使 这一控制输入引脚保持低电平32毫秒以上,就会迫使驱动器进入睡眠模式,从而使其静态电流从2mA 减小至 105mA.使该控制输入引脚保持高电平8mS,就可启动一个只持续300mS 的唤醒序列.标准和白光 LED 的基础知识与驱动 摘要:很多年来,发光二极管(LED)广泛的应用于状态显示与点阵显示板.现在,不仅可以选择近期刚刚研发 出来的蓝光和白光产品(普遍用于便携设 备),而且也能在已有的绿光,红光和黄光产品中选择.例如,白光 LED 被认为是彩色显示器的理想背光源.但是,必须注意这些新型 LED 产品的固有特性,需 要为其设计适当 的供电电源.本文描述了新,旧类型 LED 的特性,以及对驱动电源的性能要求.标准红光,绿光和黄光 LED 使 LED 工作的最简单的方式是,用一个电压源通过串接一个电阻与 LED 相连.只要工作电压(VB)保持恒定, LED 就可以发出恒定强度的光(尽管随 着环境温度的升高光强会减小).通过改变串联电阻的阻值能够将光强 调节至所需要的强度.对于5mm 直径的标准 LED, 图1给出了其正向导通电压(VF)与 正向电流(IF)的函数曲线 注意 LED 的正向压降随着正向电流的增大而增加.假定工作于10mA 正向电流的绿光 LED 应该有5V 的恒定工作 电压,那么串接 电阻 RV 等于(5V-VF,10mA)/10mA=300Ω.如数据表中所给出的典型工作条件下的曲线图(图 2)所示,其正向导通电压为2V. 图1.标准红光,绿光和黄光 LED 具有1.4V 至2.6V 的正向导通电压范围.当正向电流低于10mA 时,正向导通 电压仅仅改变几百毫伏. 图2.串联电阻和稳压源提供了简单的 LED 驱动方式. 这类商用二极管采用 GaAsP(磷砷化镓)制成.易于控制,并且被绝大多数工程师所熟知,它们具有如下优点: 所产生的色彩(发射波长)在正向电流, 工作电压以及环境温度变化时保持相当的稳定性.标准绿光 LED 发射 大约565nm 的波长,容差仅有 25nm.由于色彩差异非常小,在同时并联驱动几个这样的 LED 时不会出现问题 (如图3所示).正向导通电压的正常变化会使光强产生微弱的差异,但这是次 要的.通常可以忽略同一厂商, 同一批次的 LED 之间的差异.正向电流高至大约10mA 时,正向电压变化很小.红光 LED 的变化量大约为200mV,其它色彩大约为400mV(如 图1所示).相比之下,对于低于10mA 的正向电流,蓝光和白光 LED 的正向电压变化更小.可以直接使用便宜的锂电池 或三节 NiMH 电池驱动. 图3.该图给出了同时并联驱动几个红光,黄光或者绿光 LED 的结构,具有很小的色彩差异或亮度差异.因此,驱动标准 LED 的电流消耗非常低.如果 LED 的驱动电压高于其最大的正向电压,则并不需要升压转换 器或者复杂昂贵的电流源.LED 甚至可以直接由锂电池或者3节 NiMH 电池来驱动,只要因电池放电而导致的亮度减弱可以满足该应用的 要求即可.蓝光 LED 在很长的一段时间内都无法提供发射蓝光的 LED.设计工程师仅能采用已有的色彩:红色,绿色和黄色.早 期的"蓝光"器件并不是真正的蓝光 LED,而 是包围有蓝色散射材料的白炽灯.几年前,使用纯净的碳化硅 (SiC)材料研制出了第一个"真正的蓝光"LED, 但是它们的发光效率非常低.下一代器件使用 了氮化镓基料, 其发光效率可以达到最初产品的数倍.当前制造蓝光 LED 的晶体外延材料是氮化铟镓(InGaN).发射波长的范 围为450nm 至 470nm,氮化铟镓 LED 可以产生五倍于氮化镓 LED 的光强.白光 LED 真正发射白光的 LED 是不存在的.这样的器件非常难以制造,因为 LED 的特点是只发射一个波长.白色并不 出现在色彩的光谱上;一种替代的方法是,利 用不同波长合成白色光.白光 LED 设计中采用了一个小窍门.在发射蓝光的 InGaN 基料上覆盖转换材料, 这种材料在受到蓝光激励时会发出黄光.于是得到了 蓝光和黄光 的混合物,在肉眼看来就是白色的(如图4所示). 图4.白光 LED 的发射波长(实线)包括蓝光和黄光区域的峰值,但是在肉眼看来就是白色.肉眼的相对光敏感
性(虚线)如图所示.白光 LED 的色彩由色彩坐标定义.X 和 Y 坐标的数值根据国际照明委员会(CIE)的15.2规范的要求计算得到.白光 LED 的数据资料通常会详细说明随着正向电流增加而引起的色彩坐标的变化(如图5所示). 图5.正向电流的变化改变了白光 LED(OSRAMOptoSemiconductors 的 LEQ983)的色彩坐标,并因此改变了白光 质量.不幸的是,采用 InGaN 技术的 LED 并不像标准绿光,红光和黄光那样容易控制.InGaNLED 的显示波长(色彩) 会随着正向电流而改变(如图6 所示).例如,白光 LED 所呈现的色彩变化产生于转换材料的不同浓度,以及 蓝光发光 InGaN 材料随着正向电压的变化而产生波长变化.从图5可以看到色彩 的变化,X 和 Y 坐标的移动 意味着色彩的改变(如前所述,白光 LED 没有明确的波长.) 图6.增加的正向电流通过改变其发射波长而改变了蓝光 LED 的色彩.当正向电流高至10mA 时,正向电压的变化很大.变化量的范围大约为800mV(有些二极管型号变化会更大一 些).电池放电引起的工作电压的变化因 此会改变色彩,因为工作电压的变化改变了正向电流.在10mA 正向 电流时,正向电压大约为3.4V(该数值会随供应商的不同而有所不同,范围从3.1V 至 4.0V).同样,不同 LED 之间的电流-电压特性也有较大差异.直接用电池驱动 LED 是很困难的, 因为绝大数电池会随着放电使电压低 于 LED 所需要的最 小正向导通电压.驱动并联白光 LED 许多便携式或采用电池供电的设备使用白光 LED 作为背光.特别是 PDA 彩色显示器需要白色背景光,以恢复 所希望的色彩,恢复色彩要与原物很接近.未 来的3G 手机支持图片和视频数据,这也需要白色背光.数码 照相机,MP3播放器和其它视频,音频设备也包括需要白色背光的显示器.在绝大多数应用中,单个 白光 LED 是不够的,需要同时驱动几个 LED.必须采用特定的操作,以确保它们的强度和色彩一致,即使是在电池放 电或其它条件变化时.图7给出了一组随机 挑选的白光 LED 的电流-电压曲线.在这些 LED 上加载3.3V 电压(上 端虚线)会产生2mA 至5mA 范围的正向电流,导致不同亮度的白光.该区域中(如 图5所示)Y 坐标变化很剧烈, 会导致显示色彩的不真实.同样,LED 也具有不同的光强,这会产生不均匀的亮度.另外一个问题是所需的 最小供电电压,LED 要求高于3V 的电压驱动,若低于该电压,几个 LED 可能会完全变暗. 图7.曲线显示了不同白光 LED 的电流-电压特性之间的相当大的差异,甚至是从同一产品批次中随机挑选的 LED.因此,用恒定的3.3V 驱动这样几个并联的 LED 会导致不同亮度的白光(上虚线).锂电池在完全充满电时可以提供4.2V 的输出电压,在很短的一段工作时间内会下降到标称的3.5V.由于电池 放电,其输出电压会进一步下降到 3.0V.如果白光 LED 直接由电池驱动,如图3所示,则会产生如下问题: 首先,当电池充满电时,所有的二极管都被点亮,但会具有不同的光强和色彩.当电 池电压下降至其标称电 压时,光强减弱,并且白光间的差异变得更大.因此,设计人员必须考虑电池电压和二极管正向电压的数值, 而需要计算串联电阻的阻值.(随着电池彻底放电,部分 LED 将会完全熄灭.) 带有电流控制的电荷泵 LED 供电电源的目标是提供一个足够高的输出电压,并且在并联连接的 LED 上加载同样的电流.注意(如图5 所示),如果并联配置的所有 LED 具有一 致的电流,那么所有的 LED 将会具有相同的色彩坐标.Maxim 提供 带有电流控制的电荷泵,以实现这一目标(MAX1912).图8所示的三个并联的 LED,电荷泵具有较大量程,可 以提高输入电压至1.5倍.早期的电荷泵只能简单的使输入电压倍压,而新的技术则提供了更好的效率.将输 入电压升高至恰好 可以驱动 LED 工作的电平.连接至 SET(10引脚)的电阻网络保证所有 LED 的电流一致.内 部电路保持 SET 电平在200mV,这样就可以计算出流经每 个 LED 的电流 ILED=200mV/10Ω=20mA.如果某些二 极管需要较低的电流,可以同时并联驱动3个以上的 LED,MAX1912的输出电流可 达60mA.进一步的应用和图 表可以参考 MAX1912数据资料. 图8.IC 内部包括电荷泵和电流控制,电荷泵为白光 LED 提供足够的驱动电压,而电流控制通过给每个 LED 加 载同样的电流来确保均匀的白光.简单电流控制 如果系统提供高于二极管正向导通电压的电平,白光 LED 可以很容易的被驱动.例如,数码照相机通常包括 一个+5V 供电电源.如果那样的话,就不需要 升压功能,因为供电电压足以驱动 LED.对于图8所示电路,应 该选择一个匹配的电流源.比如,MAX1916可以同时驱动3个并联的 LED(如图9所 示). 图9.单个外部电阻(RSET)设定流经每个 LED 的电流数值.IC 的使能引脚(EN)上加载脉宽调制信号可以实现 在 简单的亮度控制(调光功能).工作简单:电阻 RSET 设定加载至所连 LED 的电流.这种方法占用很少的 PCB 空间.除 IC(小巧的6引脚 SOT23 封装)和几个旁路电容之外,仅 需要一个外部电阻.IC 具有极好的电流匹配,不同 LED 之间差别0.3%.这种 结构提供了相同的色彩区域,因此每个 LED 具有一致的白光亮度.调光改变光强
某些便携式设备根据环境光线条件来调节其光输出亮度,有些设备在一段较短的空闲时间之后通过软件降低 其光强.这都要求 LED 具有可调光强,并且这样 的调节应该以同样的方式去影响每路正向电流,以避免可能 的色彩坐标偏移.利用小型数模转换器控制流经 RSET 电阻的电流可以得到均匀的亮度.6位分辨率的 转换器, 比如带有 IC 接口的 MAX5362或者带有 SPI接口的 MAX5365,能够提供32级亮度调节(如图10所示).由于正 向电流会影响色彩坐 标,因此 LED 白光会随着光强的变化而改变.但是这并不是问题,因为相同的正向电流 会使得这个组里的每个二极管都发出同样的光. 图10.数模转换器通过一致改变 LED 的正向电流来控制 LED 的调光.使色彩坐标不发生移动的调光方案叫做脉宽调制.它能够由绝大多数可以提供使能或者关断控制的电源器件 实现.例如,通过拉低 EN 电平禁止器件工作时, MAX1916可以将流经 LED 的泄漏电流限定在1A,使发射光 为零.拉高 EN 电平可以管理可控的 LED 正向电流.如果给 EN 引脚加脉宽调制信号,那么 亮度就与该信号的 占空比成正比.由于流经每个 LED 的正向电流持续保持一致,因而色彩坐标不会偏移.但是,肉眼会感觉到 占空比改变带来的光强变化.人眼无 法分辨超过25Hz 的频率, 因此200-300Hz 的开关频率是 PWM 调光的很好 选择.更高的频率会产生问题,用来切换 LED 开关的短暂时间间隔内色彩坐 标会发生变化.PWM 信号可以由 微处理器的 I/O 引脚或其外设提供.可提供的两度等级取决于所用的计数寄存器的字节长度.开关模式升压转换器,具有电流控制 除了前面所提到的电荷泵(MAX1912)之外,还可以实现带有电流控制的升压转换器.比如,开关模式电压转换 器 MAX1848,可以产生最高至 13V 的输出电压,足以驱动三个串联的 LED(如图11所示).这种方法也许是最 简洁的,因为所有串接的 LED 具有完全相同的电流.LED 电流由 RSENSE 与加载在 CTRL 输入上的电压共同决 定. 图11.开关模式升压转换器可以驱动几个串联的 LED.这些 LED 都具有相同的正向电流,该电流(比如)由数模 转换器通过 CTRL 输入来控制.MAX1848可以根据前面所描述的任一方法来实现调光功能.通过 LED 的正向电流与加载在 CTRL 引脚的电压成 正比.由于当加载在 CTRL 上的电压低于100mV 时 MAX1848会进入关断模式,这样也可以实现 PWM 调光功能.概述 如果能够通过使 LED 正向电流相等而确保白光发射的均匀性,则可以并联驱动白光 LED.为驱动 LED,应该选 择可控的电流源或者带有电流控制的步进转换器.采用电荷泵或者开关升压转换器可以实现这样的与几个标 准产品的结合.LED 光电性能测试的主要方面 摘 要:半导体发光二极管(LED)是新型的发光体,电光效率高,体积小,寿命长,电压低,节能和环保, 是下一代理想的照明器件.LED 光电测试是检验 LED 光电性能的重要而且唯一的手段,相应的测试结果是评 价和反映当前我国 LED 产业发展水平的依据.制定 LED 光电测试方法的标准是统一衡量 LED 产品光电性能的 重要途径, 是使测试结果真实反映我国 LED 产业发展水平的前提.本文结合最新的 LED 测试方法的国家标准, 介绍了 LED 的光电性能测试的几个主要方面.关键词:半导体发光二极管 测试方法 国家标准 一,引言 半导体发光二极管(LED)已经被广泛应用于指示灯,信号灯,仪表显示,手机背光源,车载光源等场 合,尤其是白光 LED 技术的发展,LED 在照明领域的应用也越来越广泛.但是过去对于 LED 的测试没有较全 面的国家标准和行业标准,在生产实践中只能以相对参数为依据,不同的厂家,用户,研究机构对此争议很 大,导致国内 LED 产业的发展受到严重影响.因此,半导体发光二极管测试方法国家标准应运而生.二,LED 测试方法 基于 LED 各个应用领域的实际需求,LED 的测试需要包含多方面的内容,包括:电特性,光特性,开 关特性,颜色特性,热学特性,可靠性等.1,电特性
LED 是一个由半导体无机材料构成的单极性 PN 结二极管,它是半导体 PN 结二极管中的一种,其电压电流之间的关系称为伏安特性.由图1可知,LED 电特性参数包括正向电流,正向电压,反向电流和反向电压, LED 必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作.通过 LED 电特性的测试可以获得 LED 的最大允许正向电压, 正向电流及反向电压,电流,此外也可以测定 LED 的最佳工作电功率. 图1 LED 伏安特性曲线 LED 电特性的测试一般利用相应的恒流恒压源供电下利用电压电流表进行测试.2,光特性 类似于其它光源,LED 光特性的测试主要包括光通量和发光效率,辐射通量和辐射效率,光强和光强 分布特性和光谱参数等.(1)光通量和光效 有两种方法可以用于光通量的测试,积分球法和变角光度计法.变角光度计法是测试光通量的最精确 的方法,但是由于其耗时较长,所以一般采用积分球法测试光通量.如图2所示,现有的积分球法测 LED 光通 量 中 有 两 种 测 试 结 构 , 一 种 是 将 被 测 LED 放 置 在 球 心 , 另 外 一 种 是 放 在 球 壁 . 图2 积分球法测 LED 光通量 此外,由于积分球法测试光通量时光源对光的自吸收会对测试结果造成影响,因此,往往引入辅助灯, 如图3所示. 图3 辅助灯法消除自吸收影响 在测得光通量之后,配合电参数测试仪可以测得 LED 的发光效率.而辐射通量和辐射效率的测试方法 类似于光通量和发光效率的测试.(2)光强和光强分布特性
图4 LED 光强测试中的问题 如图4所示, 点光源光强在空间各方向均匀分布, 在不同距离处用不同接收孔径的探测器接收得到的测试结 果都不会改变, 但是 LED 由于其光强分布的不一致使得测试结果随测试距离和探测器孔径变化.因此, CIE-127 提出了两种推荐测试条件使得各个 LED 在同一条件下进行光强测试与评价,目前 CIE-127条件已经被各 LED 制造商和检测机构引用. 图5 CIE-127推荐 LED 光强测试条件 (3)光谱参数 LED 的光谱特性参数主要包括峰值发射波长,光谱辐射带宽和光谱功率分布等.单色 LED 的光谱为单 一波峰,特性以峰值波长和带宽表示,而白光 LED 的光谱由多种单色光谱合成.所有 LED 的光谱特性都可由 光谱功率分布表示,而由 LED 的光谱功率分布还可计算得到色度参数.光谱功率分布的测试需要通过分光进行,将各色光从混合的光中区分出来进行测定,一般可以采用棱 镜和光栅实现分光. 图6 白光 LED 光谱功率分布 3,开关特性 LED 开关特性是指 LED 通电和断电瞬间的光,电,色变化特性.通过 LED 开关特性的测试可以获得 LED 在通断电瞬间工作状态,物质属性等的变化规律,由此不仅可了解通断电对 LED 的损耗,也可用以指导 LED 驱动模块的设计等.4,颜色特性 LED 的颜色特性主要包括色品坐标,主波长,色纯度,色温及显色性等,LED 的颜色特性对白光 LED 尤为重要.现有的颜色特性测试方法有分光光度法和积分法.如图7所示:分光光度法是通过单色仪 分光测得 LED 光谱功率分布,之后利用色度加权函数积分获得对应色度参数;积分法是利用特定滤色片配合 光电探测器直接测得色度参数;分光光度法的准确性要大大高于积分法. 图7 LED 颜色特性测试方法 5,热学特性 LED 的热学特性主要指热阻和结温.热阻是指沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比.结温 是指 LED 的 PN 结温度.LED 的热阻和结温是影响 LED 光电性能的重要因素.现有的对 LED 结温的测试一般有两种方法:一种是采用红外测温显微镜或微型热偶测得 LED 芯片表面的温度 并视其为 LED 的结温,但是准确度不够;另外一种是利用确定电流下的正向偏压与结温之间反比变化的关系 来判定 LED 的结温.6,可靠性 LED 的可靠性包括静电敏感度特性,寿命,环境特性等.静电敏感度特性是指 LED 能承受的静电放电电压.某些 LED 由于电阻率较高,且正负电极距离很短, 若两端的静电电荷累积到一定值时,这一静电电压会击穿 PN 结,严重时可将 PN 结击穿导致 LED 失效,因此 必须对 LED 的静电敏感度特性进行测试,获得 LED 的静电放电故障临界电压.目前一般采用人体模式,机器 模式,器件充电模式来模拟现实生活中的静电放电现象.为了观察 LED 在长期连续使用情况下旋光性能的变化规律,需要对 LED 进行抽样试验,通过长期观察 和统计获得 LED 寿命参数. 对于 LED 环境特性的试验往往采用模拟 LED 在应用中遇到的各类自然侵袭, 一般有: 高低温冲击试验, 湿度循环试验,潮湿试验,盐雾试验,沙尘试验,辐照试验,振动和冲击试验,跌落试验,离心加速度试验 等.三,国家标准的制定 总结以上测试方法,半导体发光二极管测试方法国家标准对 LED 电特性,光学特性,热学特性,静电 特性及寿命测试都作了相应的规定.对于电特性测试,标准分别规定了 LED 正向电压,反向电压,反向电流的测试框图;对于光通量测试, 标准规定采用2π 立体角测试结构;对于光强测试,标准引用了 CIE-127的推荐条件;此外,对光谱测试,热 学特性测试,静电放电敏感度测试,寿命测试等都作了明确的规定.四,结论 国家标准的制定总结了现有 LED 的测试方法,将其中的科学适用的方法升级为标准测试方法,很好地 消除了各界在 LED 测试领域存在的分歧,也使测试结果更加真实地反映我国 LED 产业的整体水平.但是鉴于 LED 技术还在处于不断地发展之中,国家标准的制定并不是一劳永逸的,应当时刻将最新最合适的测试技术 引入标准之中. 1
