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LED遥控灯光源驱动电路设计学 院：信息科学与工程学院专 业 班 级：0911班学 号：2009337学 生 姓 名：宋中正指 导 教 师：揣荣岩 （教授） 2011年 8月I 研究生方向课报告1课题研究的目的及意义半导体技术已经改变了世界，半导体照明技术将再一次改变我们的世界。作为一种全新的照明技术，LED是利用半导体芯片作为发光材料、直接将电能转换为光能的发光器件。自20世纪60年代世界第一个半导体发光二极管诞生以来，LED照明由于具有寿命长、节能、色彩丰富、安全、环保的特性，被誉为人类照明的第三次革命。节能是LED最大的特点，在我国具有非常重要的现实意义。中国照明用电约占总电量的12，保守估计2010年我国总发电量将达到30000亿度，照明用电将达到约3600亿度，如能节约一半的照明用电就是1800亿度，相当于两个三峡电站的年发电量。照明节能产生了两方面益处：能源消耗的节约和二氧化碳气体排放的减少。LED照明技术正处于一个迅速发展的阶段，发光效率不断改善，根据海兹定律，每18到24个月单个LED封装器件输出的光通量将翻一倍。现在白光LED的发光效率已达到白炽灯2倍以上，到2010年将超过荧光灯，到2020年将达到荧光灯的2倍，届时LED将成为全球照明的主要光源。2国内外发展现状2011年将是北半球国家LED应用市场的元年。具备产业优势的国家将大举抢占自己的国内市场以及产业、进行先封锁再开放的布局；没有产业优势的国家将纷纷向中国靠拢、甚至于求救。我所在的全国高科技企业LED专业委员会已经接到两个友好邻国政府的请求，他们希望亲自来北京洽谈LED节能照明的合作事项； 世界LED市场在2011年将全面快速开放，中国将成为全球最大的制造供应地，但依然面临着自主品牌和技术支持的生存性问题。 2010年随着多数地区对传统白炽灯的强力停止使用后，对于节能类的灯具无疑是打了一剂高剂量的肾上腺素，LED产业在这些地区的市场活动逐渐活跃。但是面对消费者，LED的问题也被逐渐放大，所以如何教育消费者和如何改善品质是同等重要的。欧盟在更进一步地探讨是否要求“无汞”照明，这将是决定LED灯进入家用照明市场时间表的下一个重要指标，预计将在2011年出现决定性的结论，这值得我们共同关注。面对这样的变化和资讯，我们自己在品牌和规模这两项工作上有些落后，全球目前还没有垄断型的LED灯大品牌，对我国LED企业来说是机遇，但是对我国LED产业缺乏核心自主产权和恐惧创立品牌的习性来说也是一大危机。2011年全球LED照明市场的开放度可能会远远超过国内市场的动态和规模，这一点非常值得关注。 除照明外，LED还有背光和显示两大区块也将会在2011年出现变化。背光市场随着显示屏的面积加大，封装和背光模组的需求相对快速增加，这意味着，封装厂不可避免地将会进入规模成本和客制技术竞争白热化。国内现有的封装企业能否有机会获胜、或结合同行业强者共同生存，将是前所未有的考验。另外，随着国外芯片厂大规模投资，国内的中上游竞争开始，我国LED产业扁平化的问题将更明显。 全球对LED产业和其节能优势的认识正在逐步提高，LED节能效率、商品稳定性和成本控制将在2011年上半年成为LED产业最大的挑战。 目前，国内企业在上游端的自主技术尚不完善，LED芯片封装及电源等元件又将面临国际相关大厂高调“入侵”的挑战，技术门槛瞬间提高带来的冲击，是否会给国内企业竞争力和竞争模式带来结构性的改变，是一个非常值得关注的问题。目前国内LED相关企业对于知识产权一般都不重视或存在侥幸和观望的心态，这一现象不仅令人对产业正向发展产生疑虑，也因为这个心态让企业无法痛下决心投资发展自有技术。如何善用国内高等研究院校的技术力量、并将其转化为产业能力；企业如何能够在与动辄拥有数以千篇封锁性专利优势的国际大厂竞争的情况下持续发展，这将是国内企业面临的严峻考验。相比几家国际大厂积极在国内建立大型研发中心而言，国内企业经营者必须把研发战略和研发管理提升为2011年的主要工作，这将比目前许多企业忙着圈地圈资金投资来得更为重要。 自电子产业发展以来，全球产业龙头一直是由技术先进的欧美国家掌控着。龙头企业除了在中国投产加代工外，与中国并不存在关键技术合作发展的关系。 可以说，LED产业发展给了中国一个新的契机，但也带来严峻的竞争压力。2011年，国际LED几个龙头都将会大力布局中国投资和市场战略，中国区“大战”即将打响，科瑞2009年底在惠州落户、台湾晶电在常州设厂等只是大厂在国内布局体现出来的冰山一角，日亚化和台湾亿光这些台面上的龙头大厂无不积极地在中国布局，而且这些投资将都是在已经拥有下一阶段市场掌控下高执行力、高效率完成的。而国内企业尚未解决自身技术和市场问题却到处圈地投资，这样做或许日后可以在土地保值的机制上有所收益，但是想要成就一个科技产业就应该要集中资源，包含资金、人才和时间，专注把自己做强，做不强就先想着做大，这对科技电子产业而言反倒是危机。如何在知名LED企业高度被信任的品牌优势下能抢占技术、市场、人才、知识产权等方面资源、以及获得政策倾斜，这些因素才是国内现有中小型LED企业必须切实关注的。然而在这些“大恐龙”开始在国内竞争的同时，国内的“小龙头”厂商能否有机会出线，我想除了政策扶持的美梦外，更应武装好自己、准备打一场公平竞争的硬战，这才是能否创造中国乃至华人LED自有品牌的正确思考模式。 2010年第四季度，已经不时传出有大型LED及相关电子企业以上亿美元为单位，对LED产业进行大规模投资的消息。 2011年这一现象将会更密集和紧凑地出现。目前国内LED企业多属中小型规模，这些企业是否可以形成合力对抗？还是将面临被挤压的命运？这是需要提早布局和规划的事情。过去，芯片和封装器件多数是由国外直接采购而来的，相对的价格和供应厂之间关系都比较透明。但是，随着这些大厂在国内落户后，供应链关系会形成更紧密的合作和更尖锐的对立竞争。到那时，国内的应用厂商除了像过去一样的买货之外，是否还会面临更多的关系；结盟、卫星集团、联合支持、联合对抗都是可能面对的。在缺乏经济规模型的横向产业结构的问题将随着2011年大规模投资进入市场得到解决的时刻，国内中小规模的LED厂、和缺乏技术根底转投资的集团，都将马上面临强大的压力。随着这些大型的、真正有量产实力厂商的投资，地方政策是会让市场更加开放？还是更形成保护，以确保自己区域的龙头大厂能做大做强？这是国内体质本来就较弱的企业应该有所警觉和提早规划以应对的1。 3 LED结构和发光原理LED主要由PN 结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正偏压之后，电子和空穴对分别注入P 区和N 区。当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转换为光能。LED 的基本结构是将一块电致发光的半导体材料置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯片的作用，所以LED的抗震性能好。其结构示意图如图： 图3-1 子弹头型LED结构图图3-2 大功率LED结构图图3-1是常见的子弹头形LED，这是LED的早期产品。其中两根引线较长一根为正极，应接电源正极。有的子弹头形LED 两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，则靠近小舌的是正极。LED 的发光体为图中的LED 芯片，它既是由AlGaAs、AlInGaP 等材料制成2。子弹头形LED 往往功率较小，通常不需要专门的散热措施来维持其工作。图3-2是大功率LED 的结构2。与子弹头形LED 相比的主要区别在于增加了很多散热措施。图中的硅基板，粘胶，绝缘层都具有较好的导热性，散热片通常使用的是铝基板，可以散出大量的热量。金导线导热导电性能都相当好，也能通过这它将部分热量传导到周围线路中散发掉。LED 芯片是由III-V 族化合物，如GaAs、GaP、GaAsP 等半导体制成的，其核心是PN结。因此，它具有一般PN结的伏安特性，即正向导通、反向截止、击穿特性。在正电压作用下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)的一部分与多数载流子(多子)复合而发光，如图3-3所示： 图3-3 LED发光原理示意图假设发光是在P区中产生的，那么注入的电子与价带直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、价带中间附近)捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光的复合量比例越大，光量子的效率越高。由于复合是在少子扩散区内发生的，所以光仅在靠近PN 结面几微米以内产生。理论和实践证明，发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙Eg，Eg 的单位为电子伏(eV)。 Eg = hv / q = hc /(q) (2-1) = hc /(qE ) =1240 / E (nm) (2-2)式中：v 为电子运动速度；h 为普朗克常数；q 为载流子所带电荷；c 为光速； 为发光波长。若能产生可见光(波长范围380780nm)，则半导体材料的Eg 应在1.633.26eV 之间。比红光波长长的光为红外光。现在有红外、红光、黄光、绿光及蓝光LED，其中蓝光LED 的成本很高，应用不普遍。PN结的端电压构成一定的势垒；当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N 区的多数载流子向对方扩散3。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以出现大量电子向P 区扩散，构成P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理。4 LED的主要参数与特性LED的电学特性(1)Iv特性Iv特性是表征LED芯片PN结性能的主要参数。LED的I_v特性具有非线性和单向导电性，即外加正偏压表现为低电阻，反之为高电阻。如图2-4所示。 图2-4 I-V特性曲线正向死区(图ob或Ob段)a点对于vo为开启电压，当Vo时，VvF的正向工作区，IF随VF指数上升 反向死区：V0时PN结加反向偏压；V=-VR时，反向漏电流IR(V=5V)时，GaP为0V，GaN为10uA。反向击穿区：vVR，VR称为反向击穿电压。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一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也相同。（2）C-V特性LED 芯片有多种规格，而对应的PN 结面积也大小不一，而其结电容(零偏压)Cn+pF4。LED 的CV 特性呈二次函数关系，如图2-5所示(由1MHz 交流信号用CV 特性测试仪测得)。 图2-5 LED的C-V特性曲线(3) 响应时间LED 的响应时间是标志反映速度的一个重要参数，尤其是在脉冲驱动或电压调制时显得非常重要。响应时间是指输入正向电流后LED开始发光(上升)和熄灭(衰减)的时间。响应时间用于表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢LCD(液晶显示)的响应时间为10-310-5s，CRT、PDP、LED 的响应时间都达10-610-7s(s 级)。LED的上升时间随着电流的增大近似地按指数规律衰减。直接跃迁的材料(比如GaAs1-xPx)的响应时间仅为几纳秒，而间接跃迁材料(如GaP)的响应时间则仅仅是100ns。LED可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可高达几十兆赫。这种直接调制技术使LED在相位测距仪，能见度仪及短距离通信中得到应用。从使用角度看，响应时间就是LED 点亮与熄灭所延迟的时间，如图2-6中的tr、tf。中的t0 值很小，可忽略。LED 的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4。 图2-6 LED的响应时间示意图LED 的点亮时间(及上升时间)tr 是指从接通电源使发光亮度达到正常值的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED 的熄灭时间(即下降时间)tf 指的是从正常发光到发光亮度减弱至原来的10%所经历的时间。用不同的材料制得的LED 的响应时间各不相同，如GaAs、GaAsP、GaAlAs 的响应时间小于10-9s，GaP 为10-7s，因此它们可用于10100MHz 的高频系统。2.2.2 LED的光学特性LED 有红外光和可见光两个系列，非可见光系列LED可用辐射量来度量其光学特性。(1) 发光法向光强及其分布角 ILED 的光强用于表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED 在不同的空间角度上光强相差很多，随之而来人们研究了LED 的光强分布特性。此参数具有很大的意义，直接影响到LED 显示装置的最小观察角度【3】。发光强度(法向光强)表征发光器件发光强度的重要性能。有的LED 采用的是圆柱形、圆球形封装，由于凸透镜的作用，通常具有很强的指向性，而以法向方向上的光强最大，其与水平面的交角为90。当偏离正法向方向不同角度时，光强也随之变化。将发光强度按偏离法向方向的角度表示在图2-7中就可以得到光强分布图。 图2-7 某种LED发光强度角分布图发光强度的角分布用于描述LED 在空间各个方向上的光强分布，上图就是一种LED 的发光强度的角分布图18。它主要取决于封装的工艺(包括支架、模粒头以及环氧树脂中是否添加散射剂)。为获得高指向性的的角分布，可以使LED 的管芯位置离模粒头远一些，使用子弹头形的模粒头，且在LED 的环氧树脂中不添加散射剂。这样可以使LED 的散射角为6左右，大大提高了指向性。常用的圆形封装的LED 的散射角为5、10、30、45。 （2）光通量、发光效率与照度辐射能量频谱中只有可见光范围(380780nm)的电磁辐射才能起到照明作用。而人眼对于可见光范围内不同电磁波的响应是不同的，例如对于辐射强度相同的红光和绿光，人眼会明显感觉绿光较亮。所以瓦