（电路与系统专业论文）led照明灯具的寿命分析.pdf

摘要 随着社会的不断发展，近年来，能源问题日益被全世界关注，其中发 电的方式、电能的合理利用也是节约能源的重要方面。采用发光效率高的 照明光源、可靠性和效率高的l e d 照明电源具有非常重要的意义，对我国、 对全世界都有着非常重要的现实意义。 目前大功率l e d 照明灯具的成本价格高，很多用户还不能接受，l e d 理 论寿命可超过1 0 万小时，对普通家庭照明可谓“一劳永逸”；其实尽管目 前l e d 日光灯的价格大约是荧光灯的十倍左右，如果联系到它的寿命、节 电和无污染来看，仍然是合算的，所以关键就是要让l e d 灯具的寿命尽量 延长。 本论文以大功率3 wl e d 天花灯为实例，分析了影响l e d 照明灯具的寿 命因素，对散热与驱动电源两个主要原因来研究与实践。 通常设计l e d 灯具散热器分为三步走：1 、根据实际需求以及相关约束 条件设计轮廓图；2 、根据相关散热设计准则对散热器翅片的片厚、片形、 间距以及基板厚度等进行优化；3 、使用热分析软件对其进行设计验证以及 校核计算。本文主要是设计出三款市场上常见的天花灯散热器，利用 s m a r t v i e w 与a n s y s 软件来分析散热结构对散热的影响，设计了一款价格便 宜、散热性能佳的散热器。 大功率l e d 灯具通常采用的方式有电阻限流法、线性控制法、开关控 制法三种。本文在兼顾价格与性能两者的情况下，采用开关控制法设计了 一款适合1 3 w 大功率l e d 天花灯的驱动电源，同时通过对效率与纹波两 方面进行测试来验证它的转换效率、以降低产生的热能和它的恒流稳定性。 关键字：l e d 照明，大功率l e d 驱动，l e d 天花灯驱动设计，l e d 寿命 a b s 仃a c t w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s ，t h ee n e r g yp r o b l e mg e tm o r e a n dm o r ec o n c e m e db yt h ew h o l ew o r l d t h em e t h o d so f g e r i n gp o w e ra n d t h e r e a s o n a b l ep o w e ru s a g ea r et h ei m p o r t a n ta s p e c t so ft h ee n e r g ys a v i n g a d a p t i n g t h eh i g he f f i c i e n t - l i g h t i n ga n dr e l i a b i l i t yl a m p sm a k e sab i gs e n s et oc h i n aa n d t h ew h o l ew o r l d n o wt h eh i g hp o w e rl e d l a m p s i sh i g hc o s t ，w h i c hc a n tb ea c c e p t a b l eb y m a n yu s e r s i nt h e o r yt h el i f e t i m eo ft h el e dc o u l db e y o n do f10 0 kh o u r s ， w h i c hm e a n si ta l m o s tn on e e d st h er e p l a c e m e n td u r i n gi t sl i f e t i m e a l t h o u g h t h ec o s ti s10t i m e so ft h ef l u o r e s c e n tl a m p ，i fc o n s i d e r i n gt h el i f e t i m e ，e n e r g y s a v i n ga n dn o n - p o l l u t i o nf a c t o r s ，t h eb u y i n go fl e d i ss t i l lq u i t er e a s o n a b l e t h ek e yp o i n ti st oe x t e n dt h el i f e t i m eo ft h el e d l a m p s a sl o n ga sp o s s i b l e t h i sp a p e ri su s et h eh i g hp o w e r3wl e d c e i l i n gl a m pa st h ee x a m p l e ， a n a l y s i st h em a i nr e a s o n sw h i c ha f f e c tt h el i f et i m eo ft h el e dl a m p ，t h e np i c k u pt h et w o m a i nr e a s o n st om a k et h er e s e a r c ha n df i n dt h es o l u t i o n s t r a d i t i o n a l l yt h ed e s i g no ft h el e dl a m pr a d i a t o rw i l lb ed i v i d e d3s t e p s ：1 、t o d e s i g nt h er o u g hs k e t c hg r a p ha c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sa n d c o n s t r a i n t s 2 、t od e s i g nt h et h i c k n e s s ，s h a p e ，d i s t a n c eo ft h er a d i a t o rf i n sa n d o p t i m i z et h es u b s t r a t et h i c k n e s s 。3 、t ov e r i f yt h ed e s i g na n d c a l c u l a t ec h e c k i n g l i w i t ht h et h e r m a la n a l y s i ss o f t w a r e t h i sp a p e rw i l ld e s i g no n e r a d i a t o rf o r t h e3 k i n d so ft h ec o m m o n l yu s e dl e d c e i l i n gl a m p s ，a n du s et h es m a r t v i e wa n d a n s y st oa n a l y s i st h et h e r m a ls t r u c t u r e ，d e s i g no fac h e a pp r i c e ，e x c e l l e n t r a d i a t i o np e r f o r m a n c eo f t h er a d i a t o r h i g hp o w e rl e dl a m p so f t e na d a p t3k i n d so fp o w e rd r i v e r s ，r e s i s t o r c u r r e n t l i m i t a t i o nm e t h o d ，l i n e a rc o n t r o lm e t h o d ，a n ds w i t c hc o n t r o lm e t h o d w i t hc o n s i d e r a t i o no fc o s ta n dp e r f o r r n a r i c e ，t h i sp a p e rw i l ld e s i g no n ep o w e r d r i v e rw i t hs w i t c hc o n t r o lm e t h o ds u i t a b l ef o rt h e1 - 3w h i g hp o w e rl e d c e i l i n g l a m p s ，a l s ot e s tt h ee f f i c i e n c ya n dt h er i p p l et ov e r i f yi t st r a n s f e re f f i c i e n c y a n d t r yt od e c r e a s et h ep r o d u c i n gh e a ta n dk e e pt h ec o n s t a n tc u r r e n ts t a b l e k e y w o r d s ：l e dl i g h t i n g ，h i g hp o w e rl e dd r i v e r , l e dc e i l i n g l a m pd r i v e r d e s i g n ，l e dl i f e t i m e 1 1 1 l e d 照明灯具的寿命分析 绪论 1 1 课题的背景及研究的目的与意义 自从有了人类，人类学会了钻木取火，人类活动离不开照明，从火、 煤油、电经历了几个阶段，照明的j 力更经历了漫长的发展过程。在过去人 f i n 用木材、煤油来照明经历了很长的一段岁月，直n l o o 多年前英国人发 明了煤气灯，燃气照明才进入人们的生活；火把、蜡烛、油灯、煤油灯、 煤气灯这些照明工具，都没有离开火，都靠物质燃烧发出的光来照明的； 1 8 7 9 年1 0 月2 1 日爱迪生发明白炽灯，人类的照明进入了一个崭新的电照明 的时代，改写了人类照明的历史；白炽灯经过改良为通用照明灯、高、低 。 压电灯、红外线灯等，一直至u 1 9 3 8 年美国通用电子公司发明了日光灯，这 是室内照明非常重要的发明。然而随着社会的不断发展，近年来，能源问 题目益被全世界关注，其中发电的方式、电能的合理利用也是节约能源的 重要方面。据统计，在电力消耗中，照明用电量大约占到总发电量的2 0 , - - - , 2 5 n 1 ，在整个经济用电量中我国的照明用电量仅次于电动机，位居第二位 ；我国绝大部分照明用的是节能灯，农村地区用的还是白炽灯，这些都是 属于低效照明光源他，；因此，采用发光效率高的照明光源、可靠性和效率高 的照明电源具有非常重要的意义，对我国、对全世界都有着非常重要的现 实意义。 2 0 世纪9 0 年代，由美国环保局提出了“绿色照明 ，“绿色照明 是指 通过提高照明电器和系统的效率，节约能源；减少温室气体、发电排放对 大气的污染，保护环境；改善并提高人们在工作、学习和生活方面的条件 与质量，以创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境，同时满足视 觉环境条件和照明质量的更高要求n 引。 中职硕+ 学位论文 中国国家经贸委在1 9 9 3 年1 1 月开始启动中国绿色照明工程，在1 9 9 6 年正式将其列入国家计划。照明灯具的光源主要经历了四次革命性进展， 其代表分别为：白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯、半导体发光二极管 ( l e dl i g h te m i t t i n gd i o d e ) 。l e d 是由p 型半导体和n 型半导体组成的 芯片，在p 型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，叫做p n 结，在p n 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，而把电能直接转换为光能，利用注入式电致发光原理制作的二 极管叫做发光二极管l e d 。 l e d 市场随着l e d 技术的不断发展，光效迅速提高，成本不断下降，正 在由汽车的仪表照明和手机的背光源以及亮度要求不高的特殊照明和景观 照明领域向普通白光的照明领域扩展，根据市场调查，2 0 1 0 年家居室内照 明己开始向l e d 光源转型，特别是如天花灯、射灯、筒灯等；近年来，半 导体照明技术发展迅猛，l e d 成为国内外照明技术学者讨论的焦点，在2 0 0 7 年举行的第1 1 届国际电光会议上；国家为了鼓励、支持l e d 这种节能环保 的新光源，大功率l e d 被大量应用在2 0 0 8 年的北京奥运会上；在2 0 0 8 年 欧盟通过了一项法规：规定在2 0 0 9 年到2 0 1 2 年将逐步从市场上淘汰供家 庭、工业部门和公共场所使用的白炽灯和其它高耗能照明设备，并针对卤 素灯、荧光灯、l e d 等照明设备在能耗、功能、美观和卫生等各方面提出了 更高的要求。在2 0 0 7 年美国通过了一项新的议案：提出美国将在2 0 1 2 年 开始禁止使用白炽灯，这个议案同时也就表明了世界上三大照明公司g e 、 飞利浦、欧司朗将不再生产白炽灯钔嘲。 l e d 照明灯具的寿命分析 l e d 的特点非常明显，低功耗、光效高、无辐射与寿命长。l e d 的光谱 几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过1 5 0 1 m w ( 2 0 1 0 年) 。将l e d 与普通白炽灯、螺旋节能灯及t 5 三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通 白炽灯的光效为1 2 1 m w ，寿命小于2 0 0 0 小时，螺旋节能灯的光效为6 0 1 m w ，寿命小于8 0 0 0 小时，t 5 荧光灯则为9 6 1 m w ，寿命大约为1 0 0 0 0 小 时，而直径为5 毫米的白光l e d 光效可以超过1 5 0 1 m w ，寿命可大于1 0 0 0 0 0 小时。有人还预测，未来的l e d 寿命上限将无穷大。 目前l e d 灯具的成本价格高，很多用户还不能接受，l e d 理论寿命可超 过1 0 万小时，对普通家庭照明可谓“一劳永逸 ；其实尽管目前l e d 日光 灯的价格大约是荧光灯的十倍左右，如果联系到它的寿命、节电和无污染 来看，仍然是合算的。因为如果和寿命为5 ，0 0 0 小时的荧光灯相比，那么 寿命为1 0 万小时的l e d 日光灯就已经值得花2 0 倍的价钱去买，而在其间 所节省的电能就完全是纯收益了，所以关键就是要让l e d 灯具的寿命尽量 延长。小功率l e d 指示灯的寿命非常之长，当用大功率l e d 时，l e d 的寿命 问题才被提出来，若能从技术上解决这一问题，使l e d 的性价比达到用户 可以接受的范围，让市场接受，使低功耗、光效高、环保无辐射、寿命长 的大功率l e d 照明光源真正地取代传统照明光源，毋庸置疑这将会带来一 场世界性的照明革命，对我国、全世界以及全地球的可持续发展更是具有 战略意义。因此，研究影响l e d 照明灯具的寿命具有巨大的经济意义和环 保意义。 1 2 国内外研究发展现状及分析 中职硕士学位论文 1 2 1 大功率l e d 照明的发展状况与市场情况 大功率l e d 指拥有较大额定工作电流的发光二极管，普通l e d 功率一 般为0 0 5 w 、工作电流为2 0 m a ，而大功率l e d 可以达到0 5 w 、l w 、2 w 、甚 至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。在2 0 0 3 年6 月，我 国启动半导体照明工程，在2 0 0 6 年，我国正式将“半导体照明产业化技术 开发 作为“十一五”科技攻关重大项目，科技部建议：在将半导体照明 产业化纳入国家重点发展的高技术产业的同时，以2 0 0 8 年北京奥运和2 0 1 0 年上海世博为契机推动半导体照明在工程中的运用。但到目前为止，在材 料质量、器件指标、行业标准、核心技术等方面与国际先进水平还有很大 的差距，特别是在大功率l e d 用于照明这一块在关键性的产业技术还未能 攻克，国内很多的厂商还只能依靠进口发达国家的芯片。 从全球来看，半导体照明产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为 主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。随着市场的快速发展，美国、日 本、欧洲各主要厂商纷纷扩产，加快抢占市场份额。根据目前全球l e d 产 业发展情况，预测l e d 照明将使全球照明用电减少一半，2 0 0 7 年起，澳大 利亚、加拿大、美国、欧盟、日本及中国台湾等国家和地区已陆续宣布将 逐步淘汰白炽灯，发展l e d 照明成为全球产业的焦点n 利。 中国l e d 产业起步于2 0 世纪7 0 年代，经过3 0 多年的发展，中国l e d 产业已初步形成了包括l e d 外延片的生产、l e d 芯片的制备、l e d 芯片的封 装以及l e d 产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程 的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国 l e d 照明灯具的寿命分析 家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则 成为中国l e d 产业发展的聚集地。 目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、 封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。2 0 0 7 年中国l e d 应用产品产值己超过3 0 0 亿元，已成为l e d 全彩显示屏、太阳能l e d 、景观 照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形 成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上 百家l e d 路灯企业并建设了几十条示范道路，但国内在大尺寸l c d 背光和 汽车前照灯方面仍显落后n 副。 2 0 0 8 年北京奥运会对l e d 照明的集中展示让人们对l e d 有了全新的认 识，有力推动了中国半导体照明产业的发展。当前中国半导体产业大而不 强，核心竞争力仍有待于进一步提升。对国内企业而言，壮大规模、提高 产品质量与技术水平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能 力，或逐步通过研发突破核心专利。 从产业发展前景和趋势来看，由于环保节能减碳受到重视，使得半导 体照明的应用日益广泛，也使得国内外大批厂商竞相投入这一新兴产业领 域。中国经济的飞速发展使得国际资本和民间资本对中国半导体照明市场 青睐有加，近年来在国内市场掀起投资热潮，在亚洲l e d 照明高峰论坛上， 预计2 0 1 1 年中国整个l e d 产业的产值将超过1 8 0 0 亿元。 1 2 2 影响l e d 照明灯具寿命的主要因素概述 l e d 光源打造的l e d 灯具，由l e d 、散热结构、驱动电源、透镜组成， 中职硕士学位论文 l e d 光源本身的寿命是非常长的，本身不存在寿命问题。但由于l e d 所加 入的电能并不能全部转化为光能，有另一部分的电能转化成为了热能。l e d 的光效目前只有1 0 0 - - - 1 5 0 1 m w ，其电光转换效率大约只有2 5 3 5 左右， 即大约有7 0 的电能都变成热能，因此散热结构是一个非常重要的部分，如 果l e d 不能很好散热，它的寿命就会受到严重的影响。 1 、热管理，导热与散热即散热设计是高亮度l e d 应用中l e d 的主要问 题 由于i i i 族氮化物的p 型掺杂受限于m g 受主的溶解度和空穴的较高启 动能，热量特别容易在p 型区域中产生，热量必须通过整个结构才能在热 沉上消散；l e d 器件的散热主要包括热传导和热对流；极低的热导率衬底材 料会导致器件热阻增加，甚至产生严重的自加热效应，这对l e d 的性能和 可靠性产生毁灭性的影响。减低芯片到封装的热阻抗、制约封装至印刷电 路基板的热阻抗、增长芯片的散热顺利通畅性。 2 、热量对高亮度l e d 的影响 l e d 热量集中在很小的芯片内，温度容易升高，引起热的非均匀分布、 芯片发光效率和荧光粉激射效率就会下降；l e d 的光衰或其寿命是直接和其 结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低 1 0 寿命会延长2 倍。c r e e 公司曾发布的数据表示，结温假如能够控制在 6 5 。c ，那么其光衰至7 0 的寿命可以高达1 0 万小时! 只要能够将散热问 题解决就可能做到，遗憾的是，现在实际的l e d 灯的散热和这个要求相去 甚远! 以致l e d 灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题。当多个l e d l e d 照明灯具的寿命分析 密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。解决散热问题已 成为高亮度l e d 应用的先决条件。 另外影响l e d 寿命的关键因素是l e d 的驱动电源。由于l e d 是特性敏 感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳 定工作状态和保护，从而产生了驱动电源的概念。l e d 对驱动的要求是非常 严格，近乎于苛刻的，它不像普通的白炽灯，可以直接用2 2 0 v 的交流市电， l e d 是2 3 伏的低电压驱动，必须要设计变压电路，不同用途的l e d 灯，要 配备不同的电源适配器；在有效功率、效率转换率，由于l e d 的伏安特性， 需要采用恒流，设计电源时都必须综合考虑到这些因素，l e d 的驱动在灯具 中的作用就好比人的心脏对人一样重要；最后考虑市场的需求，还得考虑 成本，所以研究设计一个高效的，同时性价比高的驱动就至关重要了。 现在全世界对于l e d 的需求越来越大，很多的企业都冲进这个行业， 不懂技术，只管模仿生产，导致l e d 产品质量良莠不齐，对驱动电源的要 謇 。 求更是混乱。对于l e d 驱动的生产厂家，有几个问题需要面临挑战：首先 是驱动电路的整体寿命，尤其是关键器件如电解电容在高温下寿命直接关 系下驱动的寿命；其它是驱动的效率转换，大功率的l e d 更是如此，转换 效率低不但影响l e d 的节能效果，而且未作为光输出的功率都会转换为热 量，增加散热的难度，对l e d 灯具的寿命产生影响；最后，目前在功率较 小( 1 5 w ) 的实际应用中，恒流驱动的成本所占的比例已经接近整个灯具 的1 3 ，已经接近光源的成本，这对市场推广有较大影响。 中职硕士学位论文 1 3 本课题研究的主要内容 针对上述问题，本文基于影响现代大功率l e d 照明灯具寿命的两个主 要因素进行深入研究。l e d 照明灯具有很多种类，但是从整体结构来说是相 通的，l e d 光源打造的l e d 灯具都是由l e d 、散热结构、驱动电源、透镜组 成。本文中采用对具体的3 w 大功率l e d 天花灯为实例来分析其影响寿命的 因素以及改善。 本文主要研究的内容包括以下几点： 1 、 研究大功率l e d 的特性、温度对l e d 灯具寿命的影响。l e d 的寿 命完全取决于它的结温。只要结温够低，l e d 的寿命提高到十万小时以上是 没有问题的。但是由于l e d 本身的发光效率目前还是比较低，大约还有7 0 的输入功率要转化为热能，如果这些热不能很好地散发出去，l e d 的结温就 会升高，于是l e d 的寿命就会随之降低；另外l e d 电源的寿命也主要取决 于电源所用的电容类型及电源内部的温度，电解电容温度每上升1 0 度，寿 命将会减半 2 、研究l e d 天花灯的散热结构。l e d 的散热是一个系统工程，包含 l e d 芯片封装散热设计、l e d 的基板散热设计、l e d 灯具的驱动器的散热设 计、等，这些散热设计中每一个环节都是缺一不可的，其中任何一个环节出 问题都会导致这个灯具就是失败的产品。 3 、 研究、设计与分析3 w 大功率l e d 天花灯外壳的散热器。通常设 计l e d 灯具散热器分为三步走：a 、根据实际需求以及相关约束条件设计轮 廓图；b 、根据相关散热设计准则对散热器翅片的片厚、片形、间距以及基 l e d 照明灯具的寿命分析 板厚度等进行优化；c 、使用热分析软件对其进行设计验证以及校核计算。 在本文主要是设计出三款市场上常见的天花灯散热器，利用s m a r t v i e w 与 a n s y s 软件来分析散热结构对散热的影响。 4 、 研究、设计与分析i - - - - 3 w 大功率l e d 天花灯的电源驱动。大功率 l e d 灯具通常采用的方式有电阻限流法、线性控制法、开关控制法三种。本 文在兼顾价格与性能两者的情况下，设计出一款适合1 3 w 大功率l e d 天 花灯的驱动电源，同时通过对效率与纹波两方面进行测试来验证它的转换 效率、以降低产生的热能和它的恒流稳定性。 中职硕士学位论文 2 发光二极管l e d 的结构及特性 2 1 发光二极管l e d 的结构、发光原理及发光效率 l e d ( l i g h t e m i t t i n g d i o d e 中文为发光二极管) 是一种能够将电能转 化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光；它改变了白 炽灯钨丝发光与节能灯三基色 粉发光的原理，而采用电场发 光。l e d 的心脏是一个半导体的 晶片，晶片的一端附着l e d 灯珠 在一个支架上，一端是负极，另 一端连接电源的正极，使整个晶 片被环氧树脂封装起来，如图 2 1 小功率l e d 结构图；图2 2 为大功率的l e d 结构n 们。 绝缘垤 透明环氧树膳封装 2 1 小功率l e d 结构图 透i 弼：f ：瓴树骺 l e d 芯片 有发射碗的阴极杆 辩箍 ( b ) 火功率le d 结构图 2 2 大功率l e d 结构图 发光二极管是由一族化合物，如g a a s ( 砷化镓) 、g a p ( 磷化镓) 、 l e d 照明灯具的寿命分析 g a a s p ( 磷砷化镓) 等半导体制成的，其核心是p n 结嘲。半导体晶片由两部 分组成，一部分是p 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是n 型 半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间 就形成一个“p - n 结 。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会 被推向p 区，在p 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量， 这就是l e d 发光的原理，如图2 2 口，；而光的波长决定光的颜色，是由形成 p - n 结的材料决定的。 发光二极管它具有一般p - n 结的i _ v 特性，即正向导通，反向截止、 击穿特性。此外，在一定条件下， 它还具有发光特性。在正向电压 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) 一部分与 多数载流子( 多子) 复合而发光。 互亚e 星盈j 匡乏疆虿 图2 3l e d 发光原理解析图 假设发光是在p 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而 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、介带中间附近) 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 量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子 扩散区内发光的，所以光仅在靠近p n 结面数um 以内产生。 中职硕士学位论文 理论和实践证明，光的峰值波长入与发光区域的半导体材料禁带宽度 e g 有关，即 入1 2 4 0 e g ( n m )( 2 - 1 ) ( 2 1 ) 式中e g 的单位为电子伏特( e v ) 。若能产生可见光( 波长在 3 8 0 h m 紫光，一- - 7 8 0 n m 红光) ，半导体材料的e g 应在3 2 6 1 6 3 e v 之间。比 红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管， 但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。 发光效率( 1 u m i n o u se f f i c a c y ) 用光源发出的光通量( i m ) 与向光源 输入的电力( w ) 之比表示，单位为i m w 。最近，白色l e d 的发光效率超过 了1 0 0 1 m w 。作为有望继白炽灯和荧光灯之后成为新一代光源的白色l e d ， 其发光效率能否达到与直管型荧光灯的综合效率相同的1 0 0 1 m w 备受关注。 发光效率只表示光源的效率，与将光源安装到照明器具上后器具的整体效 率( 综合效率) 是不同的概念。 发光效率是将外部量子效率用视觉灵敏度( 人眼对光的灵敏度) 来表 示的数值。外部量子效率是发射到l e d 芯片和封装外的光子个数相对于流 经l e d 的电子个数( 电流) 所占的比例。组合使用蓝色l e d 芯片和荧光体 的白色l e d 的外部量子效率，是相对于内部量子效率( 在l e d 芯片发光层 内发生的光子个数占流经l e d 芯片的电子个数( 电流) 的比例) 、芯片的 光取出效率( 将所发的光取出到l e d 芯片之外的比例) 、荧光体的转换效 率( 芯片发出的光照到荧光体上转换为不同波长的比例) 以及封装的光取 出效率( 由l e d 和荧光体发射到封装外的光线比例) 的乘积决定瞄3 。 在发光层产生的光子的一部分或在l e d 芯片内被吸收，或在l e d 芯片 内不停地反射，出不了l e o 芯片。因此，外部量子效率比内部量子效率要 l e d 照明灯具的寿命分析 低。发光效率为1 0 0 1 m w 的白色l e d ，其输入电力只有3 2 作为光能输出 到了外部，剩余的6 8 转变为热能。 今后3 年将提高1 0 0 1 m w 发光效率在2 0 0 3 年之前一直以每年数l m w 的速度缓慢提高。在提高发光效率时，最初未改变荧光体和封装，而是致 力于改进芯片技术。具体而言，进行了诸如改善蓝色l e d 芯片所使用的g a n 类半导体结晶的m o c v d 结晶成长技术等。 从2 0 0 4 年开始，发光效率以每年l o 一- - 2 0 1 m w 的速度提高。由此，从 2 0 0 4 年的5 0 1 m w 到2 0 0 8 年的1 0 0 1 m w ，4 年间提高了5 0 1 m w 。这种速度 的实现，借助了将原来聚集于成膜技术的芯片技术改进扩展至了整个l e d 制造工艺那样的重大调整。另外，除了改进芯片技术外，还开始对荧光体 进行改善。 6 8 为热损失对发光效率为1 0 0 1 m w 的白色l e d 的能源转换进行模拟 的结果。白色l e d 实现了与荧光灯同等以上的发光效率，但只有输入电力 的3 2 能作为光能输出到外部。剩余的6 8 转变为了热能。该模拟为向直 径5 m m 的炮弹型白色l e d 输入6 2 m w 电力时的结果。白色l e d 是通过组合使 用蓝色l e d 芯片和黄色荧光体获得的，如图2 4 。 输入电力 1 0 0 发光再结合 4 8 黄色荧光2 2 蓝色光1 0 光损失1 6 可视光3 2 白色光 芯片内损失 3 8 b = = 纠 热损失6 8 半导体内部阻抗与接触阻抗1 畅 图2 4 白光l e d 的电能转换图 中职硕士学位论文 今后，各l e d 厂商拟将把2 0 0 8 年实现的1 0 0 1 m w 发光效率，提高至2 0 1 0 年的1 4 0 - - 一1 7 0 1 m ，2 0 11 年提高至1 5 0 2 0 0 1 m w 。也就是说，在发光效率上 领先于新加入进来的厂商的l e d 厂的目标是，平均每年提高3 0 1 m w 以上， 3 年提高1 0 0 1 m w 。l e d 的发光效率的上限被认为是2 5 0 1 m w 左右，各l e d 厂商正在挑战能以何种程度逼近上限。 为挑战该上限，l e d 厂商正在全面导入最新的芯片技术、荧光体技术以 及封装技术。芯片技术方面，将继续提高内部量子效率和光取出效率。荧 光体方面，除了提高变换效率外，还要采取措施降低因荧光体散射造成的 衰减。封装技术方面，要改善材料和构造，以提高光取出效率。 通过同时投入芯片、荧光体和封装领域的多种技术，以高于以往的速 度提高发光效率，由此才能应对提前出现的照明用途和快速扩大的背光灯 市场。 l e d 的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过1 5 0 1 m w ( 2 0 1 0 年) 。将l e d 与普通白炽灯、螺旋节能灯及t 5 三基色荧光灯进行对 比，结果显示：普通白炽灯的光效为1 2 1 m w ，寿命小于2 0 0 0 小时，螺旋 节能灯的光效为6 0 1 m w ，寿命小于8 0 0 0 小时，t 5 荧光灯则为9 6 1 m w ， 寿命大约为1 0 0 0 0 小时，而直径为5 毫米的白光l e d 光效可以超过1 5 0 1 m w ，寿命可大于1 0 0 0 0 0 小时。有人还预测，未来的l e d 寿命上限将无穷 大 2 8 1 。 2 2l e d 的主要参数和特性 l e d 是利用化合物材料制成p n 结的光电器件。它具备p n 结结型器件的 l e d 照明灯具的寿命分析 电学特性：i v 特性、c - v 特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向 特性、时间特性以及热学特性【2 5 j 。 1 、v i 特性 l e d 的v i 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表 现低接触电阻，反之为高接触电阻。如图2 5 ： 上 至f bf ， i|r f 吣r 0 a 。， iiiiii 压蕊磊_ 工作区v f 、 -j 矗向死区 f 至r ： 图2 5l e d 的伏安特性曲线 ( 1 )正向死区：( 图o a 或o a 7 段) a 点对于v o 为开启电压，当v o 时，v i ，的正向工作区i ，随v ，指数上升： i f = i seq v f k t ( 2 3 ) ( 3 ) 反向死区：v o 时p n 结加反偏压v = 一v 。时，反向漏电流i r ( v = - 5 v ) 时，g a p 为o v ，g a n 为l o u a 。 ( 4 ) 反向击穿区v 一v 。，v 。称为反向击穿电压；v 。电压对应i 。为反 向漏电流。当反向偏压一直增加使v 一v 。时，则出现i 。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l e d 的反向击穿电压v 。也 不同。 2 、热学特性 l e d 的光学参数与p n 结结温有很大的关系。一般工作在小电流i ， 1 2 5 ，l e d 上的功率变 化超过3 0 。电阻限流的优点是设计简单、成本低、无电磁干扰；但是电 流会随着v f 的变化而改变亮度，效率很低，散热难。 3 0 0 蛔 l d t 皆l 叫一 l d 2 避吼 图4 1电阻限流法 ( 2 ) 线性控制法 图4 2 是在图1 的基础上加了一个集成稳压元件m c 7 8 0 9 ，使输出端的 电压基本稳定在9 v ，限流电阻r 可用得很小，不会造成l e d 的电压不稳。 但是，此电路效率还是低。因为m c 7 8 0 9 和r 1 上的压降仍占很大比例，其 中职硕七学位论文 效率约为4 0 左右。这就称不上是节能照明产品。为达到既能使l e d 稳定工 作，又能保持高的效率，应采用低功耗的限流元件和电路来使系统效率提 高。线形稳压法的优点是结构简单、外部元件少、效率较低、成本较低。 ( 3 ) 开关控制方式 图4 2 线性控制法 开关电源是目前能量变换中效率最高的，目前生产的开关电源多数采 用脉宽调制方式( p w m ) 实现电流控制，图4 3 t 2 3 1 。即用脉宽调制的方法，改 变l e d 驱动电流的脉冲占空比来控制光的亮度。是利用简单的数字脉冲， 反复开关l e d 驱动器的调光技术。使用者只需提供宽、窄不同的数字脉冲， 即可实现改变输出电流，从而调节白光l e d 的亮度。此驱动电路的特点是， 通过一个电感器将能量传递给负载，通常是用一个p w m 控制信号，对m o s f e t 晶体管触发导通和关断来实现。通过改变p w m 的占空比和电感器的充放电 时间，对输入电压和输出电压的比率进行调节。这类电路常见的结构包括 降压型b u c k 变换器、升压型b o o s t 变压器、降压一升压b u c k - b o o s t 变换器 等类型。优点是在负载较重的情况下效率高、线性度高、输出纹波小，适 用于电压和电流控制模式，缺点是在轻负载下效率低，成本高，设计复杂。 l e d 照明灯具的寿命分析 5 4 0 图4 3p w m 法 图4 3 的p w m 信号，经过三极管v q i 的基极连接到p 沟道m o s 管的栅 极上。p 沟道m o s 管的栅极驱动，采用简单的n p n 三极管驱动放大电路，以 改善m o s 管的导通过程，减少驱动电源的功率。当驱动电路直接驱动m o s 管时，会引起被驱动m o s 管的快速开通和关断，这就可能造成被驱动m o s 管漏源极间电压的振荡。一则引起射频干扰，二则有可能造成m o s 管遭受 过高的电压而击穿损坏。为解决这一问题，需在被驱动m o s 管的栅极与驱 动电路的输出之间串联一只无感电阻。当p w m 波输出高电平时，三极管v q i 导通，从而使m o s 管的栅极电压低于源极电压，m o s 管的源极和漏极导通， l e d 点亮。当p w m 波输出低电平时，v q i 截止，l e d 熄灭 2 4 1 。 l e d 灯具需要满足市电驱动，其驱动电路首先得解决交流转换直流的问 题，因此首先就要a c d c 开关电源，但输出的是恒定电流而非恒定电压。 无论在任何情况下，都要输出恒定而平均的电流，纹波电流要控制在一定 的范围内。 中职硕士学位论文 综上所述，适用于室内大功率l e d 照明灯具的驱动电源主要由开关电 源( a c d c ) 、恒流源驱动两部分组成。系统原理框图如图4 4 所示。 a c 习联a c 蝴d c 刨蹴溯动 1 i r _ 叫l 图4 4 系统设计原理图 4 2 基于l e d 天花灯的恒流驱动器设计 前面已详细介绍了大功率l e d 的几种驱动方式，使用开关电源驱动方 式来驱动l e d 具有很高的灵活性，可适应性强，输出功率大的优点。 这里从成本低，效率高，结构简单，体积小巧，便于携带，精确的恒 流输出等的角度考虑，设计了一个基于l e d 驱动芯片的驱动电路，基于驱 动芯片的驱动电路与其它驱动电路相比各有特点，该电路作为l 3 wl e d 天花灯的驱动电路比较合适。此外，该电路达到全球节能标准，可以广泛 应用于l e d 家用照明。 4 2 1 恒流控制芯片的选择 方案一：采用v i p e r l 2 a 脱机开关方式电源调节器为主体的l e d 驱动电 路。这款芯片在内部集成了专用电流方式p w m 控制器和一个高压功率 m o s f e t 。系统功耗在1 w 以下。 方案- - 采用s m 8 5 0 2 离线式开关电源开关芯片为主体的l e d 驱动电路。 离线式开关电源也称隔离式开关电源，是一种a c - d c 变换电路。a c 与 d c 之间通过变压器隔离，起到一是安全隔离的作用，即强电弱电隔离浪涌 隔离保护电击隔离保护；二是噪声隔离的作用，即模拟电路与数字电路隔 l e d 照明灯具的寿命分析 离。该芯片只需很少外围器件就能实现非常精确的原边控制，并且达到全 球节能标准，系统待机功耗小于3 0 0 m w 。 从节能的角度、3 wl e d 对驱动要求的稳定性以及成本来考虑，本设计 选择了系统功耗更小的s m 8 5 0 2 作为恒流控制芯片。 1 s m 8 5 0 2 是一款工作于交流宽电压输入的离线式原边反馈a c d c 控制芯片，直接用市电2 2 0 v 来驱动l e d 灯具，应用系统只需很少外围器件 就能实现非常精确的原边控制，并且达到全球节能标准，系统待机功耗小 于3 0 0 m w 。 s m 8 5 0 2 无需光耦和其它相关控制器件就能实现精确的恒压和恒流控 制。 s m 8 5 0 2 内置了多种保护电路，包括：输出短路保护、输入欠压保护、 输出过压保护和过温保护等，保证系统安全工作。 2 s m 8 5 0 2 离线式开关电源开关芯片相比于其他控制芯片有诸多优点： ( 1 ) 成本低，只需很少的外围器件； ( 2 ) 原边控制技术，无需光耦、4 3 1 等控制器件； ( 3 ) 精确的恒压、恒流输出，恒压( c v ) 精度达5 ，恒流( c c ) 精度达 1 0 ： ( 4 ) 内部集成原边电感补偿、输出线电阻补偿等功能简化设计电路， 提高输出精度与瞬态响应； ( 5 ) 集成输入欠压保护，过温保护，输出短路保护，输出过压保护保 证安全工作； 中职硕士学位论文 ( 6 ) 达到全球节能要求( 0 3 w 待机功耗) 和c e c 平均效率； s m 8 5 0 2 离线式开关电源开关芯片广泛应用于l e d 家用照明以及手机、 p d a 、m p 3 、便携式多媒体播放器以及其它便携设备的c v c c 充电器等。 3 本设计以s m 8 5 0 2 为主体，现将其介绍如下： ( 1 ) s m 8 5 0 2 功能表述 s m 8 5 0 2 是应用于无光耦的原边反馈控制低成本方案的控制芯片。芯片 通过采样辅助绕组的电压来控制系统输出，实现其恒压、恒流的输出特性。 芯片根据系统带载情况，随负载的增大，控制系统从恒压( c v ) 输出转换到 恒流( c c ) 输出。 恒压模式 由于系统输出电压与辅助绕组电压成比例，因此芯片通过采样辅助绕 组信号控制系统输出恒定电压，输出电压与辅助绕组电压的关系为： 亿v 叱( 1 + i r s 八瓦n s ) 一v f ( 4 _ 1 ) n 。和n 是变压器的辅助侧及二次侧的匝数；v ，是输出整流二极管在流 过0 1 a 电流时的正向压降。 恒流模式 当二次侧的输出电流达到系统设定的恒流点电流时，芯片进入电流限 制状态。在每个开关周期，系统传输的能量为1 2 ( l p x1 2 ) x1 1 ，其中l p 是变压器初级电感量，i