- 探討LED發光原理及主要參數
- 了解LED驅動器分類及設計方案
- 掌握LED散熱處理方案基礎
【class2】：名家講解最新LED調光技術方案
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【class3】:無電解電容驅動方案技術大揭秘
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【class4】:隔離式LED驅動電源方案的新探索
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近年來，LED照明逐漸地得到了社會各界的推廣和應用。LED家庭能夠消費的 LED燈都是由各大照明制造商銷售的燈泡型LED燈，很多公司也都陸續研發出了熒光燈型的LED燈，LED燈與白熾燈、熒光燈等傳統光源有著不同的特性。要做好LED燈，僅僅依靠LED封裝并不能制作出良好的照明燈具。為了設計出更好的LED照明燈具，必須對LED進行區別于傳統光源的正確的電路設計。
本文就圍繞LED照明燈具的設計進行介紹，具體包括是從LED發光原理及主要參數、驅動電路、散熱分析等方面進行講解。
一．LED發光原理及主要參數
1．LED發光原理
LED是電子二極管的一種，主要構造是PN結。如圖1，當向LED的兩端施加電壓，電子就會吸收能量并向價電子帶轉移，然后再將吸收的能量釋放出來。這個被釋放出的能量就是光。放出的光的波長和顏色是由半導體的電勢差決定的。
圖1 LED運作原理
LED具有一般硅二極管的類似特性，在正負極之間施加電壓。當外加電壓達到一個臨界值，LED中產生電流，開始發光。當電壓超過這個臨界值時，電流急劇增加。白色LED的臨界電壓值約3.5V。紅色、綠色、藍色的LED臨界電壓值如表1所示。
表1 LED燈概括圖
我們用電路仿真來說明LED的電子特性以及驅動電路。電路仿真是對LED和電阻等的電子設計進行建模并在計算機上模擬計算電路運行的一種簡易方法。這里使用的是Cadence公司的電路仿真PSpice A/D。同時使用了飛利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。
首先運用圖2的電路來驗證LED的電子特性。要得到電壓－電流特性，需要進行直流解析。
圖2 驗證電壓－電流特性電路
解析結果如圖3所示
圖3 根據 PSpice A/D所得到的解析結果：電壓－電流特性
驗證LXM3-PM71電壓－電流特性的結果顯示：在3.0V情況下電流約354mA。
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2．LED的主要參數與特性
一般而言，用于照明的LED大多是白色。LED照明很大程度上依賴藍光LED芯片的發明和發光效率的提高。
實現白光LED主要有兩種方式。一種是使用LED芯片和熒光粉，另外一種是使用RGB 3色LED芯片。目前主要是采取第一種方式。
使用熒光粉一般都是在藍色LED芯片上涂覆黃色熒光粉。從LED芯片中發出的藍色光遇到熒光粉時，部分光轉換為黃色光。這部分轉換的黃色光和藍色光參雜在一起，就變成了白色光。通過調整熒光粉的量可以控制白光LED的色溫，因此發光顏色在制作時就已經決定，后期不能調整。
同時，混合藍色光和黃色光的話，由于紅色和綠色的成分不足，造成顯色性不佳。這樣，可以通過在藍色LED芯片中參雜紅色和綠色熒光粉或者是在紫外LED芯片中參雜RGB熒光粉，來提高其顯色性。
使用RGB 3色LED芯片的優勢在于RGB可以調整各種色度，所以不僅能夠產生白光，還能產生其他各種顏色的光。但是，LED芯片使用量增大，成本也就會上升。
LED的三大特性：
（1）熱的特性
雖然LED發熱很少，但是由于LED照明中，需要使用多顆數瓦級的LED，所以就會產生很高的熱量。雖然LED效率比較高，但是高效率僅支持在微小電流中的運行。大電流、高溫狀態下，效率較低。
另外，熒光粉型的LED，在轉換波長的時候會損失能量，從而產生熱量。持續高溫就會導致LED芯片、熒光粉、封裝樹脂壽命降低。因此，為了使LED的“高效率”、“長壽命”的優勢保持下去，就必須控制LED的結溫。
（2）電的特性
LED電源與白熾燈、熒光燈有很大的區別。白熾燈可以直接連接到220V的交流電上。熒光燈雖然有鎮流器和轉換開關，但也使用220V的交流電。而LED 的電源則需要直流的恒定電流，所以需要將220V的交流轉換為直流。電源的效率不高將直接影響到整個照明燈具的效率，因此提高電源效率對于提高LED照明 效率來說顯得尤為重要。
調節LED光的方法主要有兩種。一種是改變恒定電流，一種是改變脈沖調制。LED是電子與空穴再結合時發光，光束依賴于電流。電流小的情況下，光束和電流基本是成正比的，但當LED電流增大，熱量隨之增大，導致發光效率變低，光束和電流就不成正比了。
在改變脈沖占空比的方法中，由于Talbot-Plateau 效應（反復接受瞬間閃光后，人眼會感受到反復時間內的平均亮度），可以根據脈沖占空比改變亮度。
（3）光特性
與白熾燈和熒光燈相比，1顆LED發出的光比較少，所以需要使用多顆LED。同時，由于LED的發光面積小，亮度高，人眼直視的話很容易眩暈。為了降低亮度，需要使用擴散板。但是，使用擴散板的話，光向各個方向發散，降低了光的效率。
LED、白熾燈、熒光燈的配光分布各不相同。所謂配光分布是指光源的方向以及各方向的發光強度。即使是相同光束的光源，如果配光分布不同，照度分布也會不同。有時也會出現本來想要照射的地方照度減小，其余部分反而照度增加的情況。
要減少光的浪費，控制配光分布，需要使用透鏡和反光鏡。LED本身就具有發光面積小、光的放射范圍在半球內、配光分布旋轉對稱等優點，再加上透鏡和反光鏡，就能構成一個好的光源。
其他在光源屬性中，還有光譜。LED的發光光譜集中在特定波長的一個很窄的范圍，不放射紅外線。因此，在不想使照射物變熱的時候，使用LED較好。但是，LED自身會發熱，所以需要注意防止其導熱。另外還需要注意，熒光粉類型的LED，溫度變化，色溫也會隨之變化。
擴展閱讀，可參考《LED主要參數與特性》
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二、LED照明驅動電路基本設計
led 的排列方式及LED光源的規范決定著基本的驅動器 要求。LED 驅動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED 的電流， 而無論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅動器基本的工作電路示意圖如圖4所示，其中所謂的“隔離”表示交流線路電壓與LED（即輸入與輸出）之間沒有物理 上的電氣連接，最常用的是采用變壓器來電氣隔離，而“非隔離”則沒有采用高頻變壓器來電氣隔離。
值得一提的是，在LED 照明設計中，AC-DC 電源轉換與恒流驅動這兩部分電路可以采用不同配置：
（1）整體式（integral）配置，即兩者融合在一起，均位于照明燈具內，這種配置的優勢包括優化能效及簡化安裝等；
（2）分布式（distributed）配置，即兩者單獨存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。
圖4 LED驅動器的基本工作電路示意圖
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LED驅動器分類及設計
如今在市場上典型的LED驅動器包括兩類，即線性驅動器和開關驅動器；大概的適用范圍見圖5.如電流大于500mA的大電流應用采用開關穩壓器，因為線性驅動器限于自身結構原因，無法提供這樣大的電流；而在電流低于200mA的低 電流應用中，通常采用線性穩壓器或分離穩壓器；而在200至500mA的中等電流應 用中，既可以采用線性穩壓器，也可以采用開關穩壓器。
開關穩壓器的能效高，且提供極佳的亮度控制。線性穩壓器結構比較簡單，易于設計，提供穩流及過流保護，且沒有電磁兼容性（EMC）問題。
圖5 LED驅動器分類
在低電流LED應用中，電阻型驅動器盡管成本較低且結構簡單，但這種驅動器在低電壓條件下，正向電流較低，會導致LED亮度不足，且在負載突降等瞬態條件下，LED可能受損；并且電阻是耗能元件，整個方案的能效較低，見圖6。
圖6 電阻型與線性驅動器對比
例如在采用DC-DC電源的LED照明應用中，可以采用的LED驅動方式有電阻型、線性穩壓器及開關穩壓器等，基本的應用示意圖見圖7。
圖7 常見的DC—DC LED驅動方式
電阻型驅動方式中，調整與LED 串聯的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅動方式易于設計、成本低，且沒有電磁兼容（EMC）問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選（binning） LED,且能效較低。
線性穩壓器同樣易于設計且沒有EMC 問題，還支持電流穩流及過流保護（fold back），且提供外部電流設定點，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關穩壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關（FET）的開和關，進而控制電流的流動。
開關穩壓器具有更高的能效，與電壓無關，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復雜度也更高，且存在電磁干擾（EMI）問題。LED DC-DC 開關穩壓器常見的拓撲結構包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、降壓-升壓（Buck-Boost）或單端初級電感轉換器（SEPIC）等不同類型。
其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED 串最大電壓時采用降壓結構，如采用24 Vdc 驅動6 顆串聯的LED;與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時采用升壓結構，如采用12 Vdc 驅動 6 顆串聯的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC 結構，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅動 4 顆串聯的LED,但這種結構的成本及能效最不理想。
擴展學習，可閱讀下面材料：
照明用LED驅動電源設計基礎
http://m.shuilikongzhifa.com/art/artinfo/id/80002718
LED照明驅動選擇與設計技巧大揭秘
http://m.shuilikongzhifa.com/art/artinfo/id/80009319
三、LED散熱處理方案及基礎
在LED燈具設計中，如果僅僅依靠LED封裝并不能制作出好的照明燈具。本環節主要從熱分析方面對如何運用LED特性的設計進行解說。雖然白熾燈和熒光燈的能量損失大，但是大部分能量都是通過紅外線直接放射出去，光源的發熱少；而LED，除了作為可視光消耗的能量，其它能量都轉換成了熱。另外，由于LED封裝面積小，通過對流和輻射的散熱少，從而積累了大量的熱。
熱解決方案簡單的說就是解決因為熱產生的各種問題。主要有：
1.因為熱膨脹導致彎曲和龜裂
電子設備由多個零件構成，每個零件的材質都不一樣，熱脹冷縮的尺度也不一樣。因此，當各種材質組合在一起的時候就有可能使材質發生彎曲，膨脹時，產品在連接處因為應力過多就會產生龜裂。
2.電子電路的運行障礙
一般來說，作為熱源的半導體元件，有這樣一個特性，即當電子設備中的半導體元件溫度上升，電的阻抗就會變小。這樣就容易陷入“溫度上升－阻抗下降－電流增加－熱增加－溫度上升”的惡性循環，進而容易發生燒斷的現象。
3.材料品質的惡化
一般說來，電子設備中使用的材料容易氧化，溫度越高氧化越快，如果讓這些材料反復經過高溫氧化，就會縮短其壽命。同時，反復加熱，材料多次膨脹，多次冷縮，會降低材料的強度，從而破壞了材料。
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LED的熱解決方案
要避免電子設備的發熱有多種方法。比如，加散熱器，在熱源周圍安置能提供冷氣的風扇。前者是通過增加散熱面積，來增加散熱的通道，后者是使熱不在熱源周圍聚集。但是，正如圖1 LED燈的概括圖所示，LED封裝時不能直接連接散熱器，也沒有安裝風扇的位置。而且內部電源電路板也會產生熱量，因此LED燈的散熱問題可以說是一個非常棘手的問題。這樣，如何有效使用LED安裝材質和散熱器就變得很重要。
圖8 LED燈概括圖
那么如何有效利用LED安裝材質和散熱器呢？首先必須把握產生熱的傳熱路徑。
LED元件產生的熱通過封裝的導線向電路板移動，然后再通過散熱器放熱。電源電路板產生的熱也是如此，通過電路板周圍的空氣和填充材質，透過散熱器向外部散熱。
熱解決方案中重要的是排除傳熱路徑中阻礙傳熱的因素，比如可以考慮在傳熱路徑中使用導熱性能好的材質、擴大路徑的斷面面積（例如，粗的銅線比細的銅線更容易導熱）、涂導熱潤滑劑使產品的連接部位不留空隙。
另外，即使通過這些提高了導熱特性，但如果散熱器不向外部散熱，內部還是會聚集很多熱。因此也必須提高散熱器表面的放熱特性。典型的方法就是在表面多安裝幾個散熱片，擴大散熱器的放熱面積。
擴展閱讀：
LED散熱途徑分析及散熱基板發展趨勢
http://m.shuilikongzhifa.com/art/artinfo/id/80009077
LED應用
LED具有發光效率高、 壽命長、輕便、不含有害物質等優點。高發光效率可以增加電池的使用壽命，對于隨身攜帶的產品來說很適合。LED的使用壽命是一般白熾燈的2～3倍 (有些資料顯示是40倍)， 因為壽命長而使用LED的一個典型例子就是交通信號燈。另外，由于LED燈的反應速度非常快，所以也適合用于汽車的剎車燈。LED燈具的設計自由度非常高，不僅能調節亮度，還能調節色度。
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