LED照明系统论文

1、LED照明系统的研究与设计摘 要在当今全球 HYPERLINK :/ energy.hc360 / t _blank 能源紧缺的环境下，节约能源已成为大势所趋。同时，国家也大力倡导节能减排，已结束的2021年北京奥运会和正在举办的2021年上海世博会都不约而同地以绿色节能为主题，这就给中国 HYPERLINK :/info.ec.hc360 /list/cpzl_led.shtml t _blank LED照明产业的开展带来了巨大的历史机遇。LED与传统光源相比，具有节能、环保、响应时间短、效率高、体积小、寿命长、抗震性好等多项优势，因而受到人们的青睐,也成为当前各国半导体照明领域研究的热点。

2、本文围绕LED用于照明灯的散热设计、电路设计、灯具设计、照明系统设计等关键技术进行研究,具体完成的工作归纳如下：1.研究了LED器件的光学特性、热学特性、电学特性。分析了LED的工作原理，对各项性能的研究。2.分析了PN结温度升高对LED性能的影响，讨论了LED灯具散热的重要性,研究了LED灯具的散热途径。分析了LED的热阻及其模型，热阻的测试和减小热阻的方法。3.分析了LED照明系统的设计，研究了LED照明系统的电路设计、灯具设计，讨论了驱动电路的工作原理和设计要求、灯具的设计功能和指标，通过灯具、光源、驱动器组成了一个照明系统。最后，对全文的工作进行了总结。关键词：LED；照明系统；驱动电

3、路；散热； The Research And DeviseOf LED Lighting SystemAbstractIn todays environment of global energy shortage, energy conservation has become a trend. The state advocate energy saving, has ended the 2021 Beijing Olympic Games and is being held in World Expo 2021 Shanghai Coincidentally, both the green

4、energy theme this to the development of Chinas LED lighting industry brought great historical opportunity . Compared with the traditional light source LED, energy saving, environmental protection, response time, high efficiency, small size, long life and good number of earthquake, and therefore, by

5、the people of all ages, has become the national semiconductor lighting in the field of research. This paper focuses on LED lighting for the thermal design, circuit design, lighting design, lighting design, key technology research, the specific work completed as follows: 1. Of the optical characteris

6、tics of LED devices, thermal properties, electrical properties. The working principle of the LED, on the various properties. 2. Analysis of the PN junction temperature on the LED performance, discussed the importance of LED heat lamps, heat lamps of the LED channels. Analysis and model the thermal r

7、esistance of LED, thermal resistance and reduce the thermal resistance test methods. 3. Analysis of the LED lighting system design, research the LED lighting system, circuit design, lighting design, to discuss the driver circuit operating principle and design, lighting design features and targets, t

8、hrough the lamp, light source, the drive to form a lighting system. Finally, the paper summarizes the work.Keywords: LED；Lighting System；Drive circuit；Cooling目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc291595013 Abstract PAGEREF _Toc291595013 h II HYPERLINK l _Toc291595014 前言 PAGEREF _Toc291595014 h 1 HYPER

9、LINK l _Toc291595015 1 LED的开展及其根本知识 PAGEREF _Toc291595015 h 2 HYPERLINK l _Toc291595016 1.1 LED的开展历程 PAGEREF _Toc291595016 h 2 HYPERLINK l _Toc291595017 1.2 LED的工作原理、特性及其分类 PAGEREF _Toc291595017 h 3 HYPERLINK l _Toc291595018 1.2.1 LED发光原理 PAGEREF _Toc291595018 h 3 HYPERLINK l _Toc291595019 1.2.2 LED

10、的特性 PAGEREF _Toc291595019 h 4 HYPERLINK l _Toc291595020 1.2.3 LED的分类 PAGEREF _Toc291595020 h 6 HYPERLINK l _Toc291595021 2 LED照明系统的散热性研究 PAGEREF _Toc291595021 h 8 HYPERLINK l _Toc291595022 2.1 LED的结温 PAGEREF _Toc291595022 h 8 HYPERLINK l _Toc291595023 2.1.1 LED结温的产生 PAGEREF _Toc291595023 h 8 HYPERLI

11、NK l _Toc291595024 2.1.2 结温对LED的影响 PAGEREF _Toc291595024 h 9 HYPERLINK l _Toc291595025 2.2 LED的热阻 PAGEREF _Toc291595025 h 12 HYPERLINK l _Toc291595026 LED器件的热阻模型及其构成和特点 PAGEREF _Toc291595026 h 13 HYPERLINK l _Toc291595027 2.2.2 热阻对LED芯片尺寸的影响 PAGEREF _Toc291595027 h 15 HYPERLINK l _Toc291595028 常用热阻测

12、试方法 PAGEREF _Toc291595028 h 15 HYPERLINK l _Toc291595029 减小LED的热阻值方法 PAGEREF _Toc291595029 h 16 HYPERLINK l _Toc291595030 3 LED照明系统的电路设计 PAGEREF _Toc291595030 h 17 HYPERLINK l _Toc291595031 3.1 照明用LED主要技术特性 PAGEREF _Toc291595031 h 17 HYPERLINK l _Toc291595032 3.2 LED驱动电路技术 PAGEREF _Toc291595032 h 20

13、 HYPERLINK l _Toc291595033 3.2.1 LED驱动电路的根本原理 PAGEREF _Toc291595033 h 20 HYPERLINK l _Toc291595034 3.2.2 LED驱动电路的要求 PAGEREF _Toc291595034 h 22 HYPERLINK l _Toc291595035 3.2.3 LED驱动电路的设计 PAGEREF _Toc291595035 h 24 HYPERLINK l _Toc291595036 结束语 PAGEREF _Toc291595036 h 29 HYPERLINK l _Toc291595037 致 谢

14、PAGEREF _Toc291595037 h 30 HYPERLINK l _Toc291595038 参考文献 PAGEREF _Toc291595038 h 31前言LED被认为是21 世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10%，荧光灯的50%。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED 替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用平安可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12%。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不

15、必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。1 LED的开展及其根本知识 1.1 LED的开展历程1907年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；研究被摒弃了。二十年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。再一次因发光暗淡而停止。1936年,George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光这个术语。 LED光源的正式问世是在上世纪60年代，当时所用的材料是GaAsP，发红光p=650nm，

16、在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。 70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光p=555nm、黄光p=590nm和橙色光p=610nm，光效也提高到1流明/瓦。 80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效到达10流明/瓦。 90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的发光效率得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区p=615nm的光效到达100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域p=530nm的发光效率可以到达50流明/瓦。 LED以其固有的特点，

17、如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、 机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。 近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料氮化物晶体和荧光粉的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱

18、迪生创造白炽灯泡后，最伟大的创造之一。 目前在美国，户外照明所消耗的电量约占其总发电量的4.4%。正是基于这一情况，美国众议院最近提出了一份新议案，要求逐步淘汰能效低下的旧技术(如白炽灯和卤素灯)，为能效更高、更具本钱效益的新照明技术(如高亮度LED)的开展铺平道路。1.2 LED的工作原理、特性及其分类 LED发光原理 发光二极管是由-族化合物，如GaAs砷化镓、GaP磷化镓、GaAsP磷砷化镓等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N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

19、区域的少数载流子少子一局部与多数载流子多子复合而发光，如图1-1所示。图1-1 LED发光原理假设发光是在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PN结面数m以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度g有关，即1240/Egmm 式中Eg的单位为电子伏特eV。假设能产生可见光波长

20、在380nm紫光780nm红光，半导体材料的Eg应在3.261.63eV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，但其中蓝光二极管本钱、价格很高，使用不普遍。 LED的特性 1极限参数的意义 1允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 2最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 3最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。4工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大

21、降低。 2电参数的意义 1光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。 图1-2 LED光谱分布和峰值波长 由图1-2可见，该发光管所发之光中某一波长0的光强最大，该波长为峰值波长。 2发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线对圆柱形发光管是指其轴线方向上的发光强度。假设在该方向上辐射强度为1/683W/sr时，那么发光1坎德拉符号为cd。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。 4半值角1/2和视角：1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向法向的夹角。 5正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流

22、值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。 6正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.43V。在外界温度升高时，VF将下降。 7V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图2-6表示。图1-3 LED V-I特性 在正向电压正小于某一值叫阈值时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR10A以下。 LED的分类 1按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿

23、色又细分黄绿、标准绿和纯绿、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。 2按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、外表安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作T-1；把5mm的记作T-13/4；把的记作T-11/4。 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类： 1高指向性。一般为

24、尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 2标准型。通常作指示灯用，其半值角为2045。 3散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4590或更大，散射剂的量较大。 3按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 4按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED发光强度100mcd；把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。 一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以

25、下亮度与普通发光管相同。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。2 LED照明系统的散热性研究LED在工作时会大量发热，散热不良将导致芯片结温迅速上升，环氧树脂炭化变黄，LED加速光衰，降低了LED的寿命，因而要解决散热问题。常用铝质基来给LED散热，这就牵涉到绝缘问题，如果绝缘不好会导致大量LED不通或者损毁。另外，用于隧道、偏远地区等潮湿、灰尘大的场合还要考虑放水、防尘等工艺。LED器件的散热途径主要是热传导和热对流。2.1 LED的结温LED是个光电器件，其工作过程中只有15%25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热

26、是个大问题。例如，1个10W白光LED假设其光电转换效率为20%，那么有8W的电能转换成热能，假设不加散热措施，那么大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温TJ上升超过最大允许温度时一般是150，大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。2 LED结温的产生LED的根本结构是一个半导体的P-N结。实验指出，当电流流过LED器件时，P-N结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度视之为结温。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结盟。在LED工作时，可存在以下四种情况促使结温不同程度的上升：1、器件不良的电极

27、结构，窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED器伯的串联电阻。当电流流过P-N结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。2、由于P-N结不可能极端完美，器件的注入效率不会到达100%，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷空穴外，N区也会向P区注入电荷电子，一般情况下，后一类的电荷注入不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那局部注入电荷，也不会全部变成光，有一局部与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。3、实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进的材料生长与器件制造工艺已能使

28、LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的极大局部光子90%无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质面产生全反射，返回芯片内部并通过屡次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。4、显然，LED器件的热散失能力是决定结温上下的又一个关键条件。散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。由于环氧胶是低热导材料，因此P-N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大局部热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层，PCB与热沉向下发散。显然，相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率。一

29、个普通型的LED，从P-N结区到环境温度的总热阻在300-600/w之间，对于一个具有良好结构的功率型LED器件，其总热阻约为15-30/w。巨大的热阻差异说明普通型器件只能在很小的输入功率条件下，才能正常地工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。2.1.2 结温对LED的影响1对LED光输出的影响实验指出，LED的光输出均明显依赖于器件的结晶。当LED的结温升高时，器件的输出光强度将逐渐减小，而光结温下降时，光输出强度将增大。表2-1列出了相对于25而言100结温时不同波长响应的InGaAlP与InGaN LED的光输出通量的相对变化值。这种变化的数字表达式如式1-1所示 v(T2

30、)= v(T1)e-kT (1-1)其中v(T2 )与v(T1)分别表示结温T2与T1的光通量输出，k为温度系数，T= T2 - T1 。一般情况下，K值可由实验测定，对于InGaAlP LED,K值约为110-2，随发光波长的变短略有增加。式1-2指出了光输出通量结温变化的另一种表示形式T2=T1e-( T2- T1 /T0) (1-2) 表2-1 100结温时相对于25结温LED光通量的相对变化LED材料100/25InGaAlP590nm20%620nm30%640nm42%InGaN绿70%青80%蓝或白90% 这里T0表一种特征温度，T值与材料有关。实验指出，对于红色的InGaAlP

31、 LED，T0 =85，对于琥珀色InGaAlP LED，T0 55。而对于InGaN LED，T0 值约为840，说明InGaN器件的温度系数远小于发红、黄光的InGaAlP器件，也即光通量随温度增加而减小的速率比InGaAlP小得多。 一般情况下，光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的，也即当温度回复到初始温度时，光输出通量会有一个恢复性的增长。这种效应的发生机制显然是由于材料的一些相关参数会随温度变化，从而导致器件参数的变化。如随温度的增加，电子与空穴的浓度会增加，禁带宽度会变小，电子迁移率也将减小。这些参量的变化必定引致器件输出光通量的改变。然而当温度恢复至初态时，器件参数的变化也

32、将随之消失，输出光通量也会回复至初态值。2对发光波长和颜色的影响LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长二类，前者表示光强最大的波长，而主波长可由X、Y色度坐标决定，反映了人眼可感知的颜色。显然，结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。InGaAlP与InGaN材料属III-V族化合物半导体，它们的性质与GaAs相仿，当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。通常可将波长随结温的变化表示如下：T2=T1+TKnm/ 1-3 其中：T2 结温T2时的波长 T

33、1 结温T1时的波长 Kd，Kp 主波长与峰值波长随温度的变化系数表2-2 LED波长偏移系数器件颜色KdKp单位InGaAlP红nm/琥珀nm/InGaN绿nm/青蓝深蓝表2-2指出了InGaAlP与InGaN器件主波长与峰值波长的K值，由表可知，对于InGaN与InGaAlPLED，峰值波长随温度的变化要大于主波长随温度的变化，其中InGaAlPLED尤甚。人眼对不同波长的颜色感知灵敏度是存在着很大差异的，在蓝、绿、黄区域，很小的波长变化就将引致人眼感觉上的变化，从而对蓝、绿、黄器件的温升效应提出了更高的要求，一般来说，2-5nm的波长变化人眼就可以感觉到，而对红光波长的变化，人眼的感觉就

34、要相对迟钝一些，但也能感觉到15nm的波长差异。为定量地说明人眼对不同波长颜色的感知程度，有些公司的产品将颜色仓的波长间隔分得很细，仅为2-3nm，但对于红色区域，其间隔扩大到15nm。这就是说，为什么对黄色交通信号灯的颜色标定与均匀度的要求较高，而红色交通信号灯的颜色要求相对要低得多。3LED的正向电压与结温之间存在的关系3.5V之间。在小电流近似下，LED器件的正向压降由式1-4表示： V1 =nkT/qInI1 /I0+RsIf (1-4)式中V1 为正向电压、If为正向电流，I0 为反向饱和电流，q为电子电荷，K是玻尔兹曼常数，Rs是串联电阻，n是表征P-N结完美性的一个参量，处在1-

35、2之间。分析式1-3的右边发现，只是反向饱和电流I0与温度密切相关，I0 值随结温的升高而增大，导致正向电压 V1 值下降，实验指出，在输入电流恒定的情况下，对于一个确定的LED器件，二 正向压降与温度的关系可由式1-5表示： VfT =VfT0+KT-T0 (1-5)式中VfT与V fT0分别表示结温为T与T0时的正向压降，K是压降随温度变化的系数。 表2-3 InGaAlP与InGaN LED的电压温度系数器件颜色K单位InGaAeP红-2mv/琥珀InGaN绿-2mv/绿蓝绿蓝深蓝白温度的变化是可恢复的，但在高温情况下，由于结区缺陷与杂质的大量增殖与集聚，也将造成额外复合电流的增加，而使

36、正向电压下降，甚至出现恶性循环。通常，恒流是LED工作的较好的模式，如在恒压条件下，由于温升效应使正向电压下降与正向电增加，并形成恶性循环，最终导致器件损坏。2.2 LED的热阻通常将二个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该二个节点间的热阻。其数学表达式为： R0=T/PD 1-6其中R0为节点1与2之间的热阻，T为节点1与2之间的温差，PD为二点间的热功率流，热阻的单位为/W，即二点间流过单位热功率流W所产生的温度差。显然，热阻R0越大，散热能力越差；反之，R0越小，散热能力越强。当电功率W=VFIF施加到LED上后，在器件的P-N结处将会产生大量的热，致使芯片温度迅速升高。由于器件良

37、好的热特性，大局部热量将通过银浆、管壳、散热基板、PCB散发到周围环境中去，从而抑制了器件芯片的升温。类同于电学中的电阻特性，热阻也存在着相同的运算法那么。当n个热阻R01，R02R0n相串联时，系统的总热阻为所有热阻值的相加，即 R0总= R01+ R02+ R03+R0n 1-7当n个热阻R01、R02、R03R0n相并联时，系统总热阻的倒数等于各个热阻的倒数之和。即 1/R0总= 1/R01+ 1/R02+ 1/R03+1/+R0n 1-8显然，热阻是热学中的一个重要参量，实验上，只要我们测得二节点间的热功率流以及二个节点处的温度，我们就可根据式1-6求得该二个节点间的热阻。同样，只要知

38、道某系统二个节点间的热阻与热功率流数值，我们就可以求得二点间的温差，并且可以根据某点处的温度，求得另一个节点的温度值。2 LED器件的热阻模型及其构成和特点 从LED器件的结构，可以建立它的热阻构成的模型。图2-1是一个典型的LED器件结构示意图。由图知，暂不计LED芯片有源层到衬底间的热阻，那么芯片内部主要是衬底的热阻，我们用RS来表示；第二，衬底与引线支架间由于存在粘结层，因此衬底到支架有一个粘结材料引人的热阻，用Rx来表示；第三，安放芯片的支架到自由空间的热阻Rf，这三个热阻构成LED芯片PN结到空气之间的总热阻R，于是： R =RS+Rx+Rf 1-9 (1)衬底到支架的热阻。假定芯片

39、衬底是一个200m的正方形，银胶的厚度为100m,银胶的导热系数为20W/m*k,可求得芯片衬底到支架的热阻为：Rx=h/银胶*s=/20W/m*k*125/W(2)LED衬底的热阻。 假设LED衬底是GaAs，那么GaAs18W/m*k,当厚度为时，衬底的热阻：RS=/18W/m*k*0.2*0.2*10-8M2138/W(3)支架的热阻。铁支架到空气的热阻可求得为/W，这个LED的总热阻R=RS+Rx+Rf=267/W。这个LED当使用环境温度为65时，它最多能承受的电功率小于0.2W。上面讨论中，还未计人芯片有源层本身的热阻，只是这一层比拟薄，尽管也是GaAs材料，由于厚度公几十微米，其

40、热阻较衬底45倍，约在30/W左右。可以看出，普通封装的LED其总热阻在300/W左右，只适用于小功率使用。根据上述的热阻模型，LED的热阻的主要奉献在于衬底和衬底到支架间的粘合材料引起的热阻，对于功率LED要降低热阻除加大衬底面积即芯片面积外，用高导热系数材料作衬底，及用高导热系数的合金材料作粘结料是降低LED热阻的主要途径。例如，用导热系数为75W/M*K的硅材料作衬底，在芯片面积为1mm2,硅衬底厚度为时，衬底的热阻RS为：RS=h/si*s=0.3*10-3/75*1*10-64/W这就比常规*面积的GaAs衬底热阻低得多。假设再用纯锡Sn作衬底与支架的焊料时，粘结层热阻Rx就为：Rx

41、=h/si*s=0.2*10-3/76W/m*k*1*10-6/W这样，功率LED的总热阻有望可以控制在46/W以内， 此时热阻主要奉献在于芯片材料本身。目前已有热阻低于40/W的封装，但这要求LED芯片在衬底材料和粘合材料上改良，前者用硅作衬底，后者用AuSn或铅锡PbSn等合金材料用合金工艺来将芯片粘结在引线支架上，取代常规的银胶。2 热阻对LED芯片尺寸的影响 倒装焊更有利于散热，但凸焊点的热阻还需减小。导热银胶的热阻有待改善。封装材料方面，传统的环氧胶高温性能不佳。2 常用热阻测试方法根据LED的热阻公式：R= T / W 1-10式中，T结=T T环境 ，W为输入电功率，一般情况下，

42、W=V*I，其中V是外加电压，I为正向电流。由于式1-10中，T 是可以测得的，W也可通过计算求得。因此我们只要测出PN结T，就可以求得LED的总热阻值R，一个简单而直接的方法是采用微型热偶或红外测温显微镜，直接测得LED芯片外表的温度，并将此温度视为芯片结温。然而，此方法显然有些粗糙，并且对于一个现成的LED管难于直接测量芯片外表的温度。通常可利用确定电流下的正向偏压与结温之间正比变化的关系来判定LED的结温。根据PN结的电流公式，LED的VF可以表示为： VF=KT/q*InIF/IF(0)=KT/q*C 1-11式中用C=In IF/IF(0)，当IF为常数即恒流情况下时C为常数。对1-

43、11式求温度T的导数可以得： dVF / dT = k / q * C 1-12 对一个LED来讲，1-12式是线性关系，大量测试证明LED的VF温度系数：dVF/dT 1.8 mv/2mv范围内的负温度系数，根本上是一个可预知的数。一般可取dVF/DT=2mv/,作工程近似计算数值。我们在被测LED上施加缺乏以引起PN结温升的恒定较小的电流例如IF=1MA，并将被测LED放置在温度可调节的恒温槽或箱内测出不同Tj下的VF值。可以发现它符合1-12式的规律，可做由图1所示的VFT 曲线：假设被测LED在Tj = 100时，其VF=1.7V,在20时,其80*2mv/=1.86V。第二步可以对被

44、测LED在常温下施加足够大的电功率P0，使其温生提高，当到达温度平衡时，此时快速切断这一电功率，并转换成IF在小电流状态，迅速测出其VF，例如测得VF=1.70V，那么可以知道，在功率P0使然下，LED PN 结温上升到达100，p0作用下温度从常温25上升到Tj=100。于是就可以计算出这个LED PN结到空气间的热阻总热阻假设P0=1W时有： R=Tj/P4=10025/1W=75/W以上就是测量热阻的一个更为常用的方法。2 减小LED的热阻值方法对于一个LED管，设法降低PN结与应用环境的热阻是提高器件散热能力的根本途径。由于环氧胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难通过透明环氧向上

45、散热到环境中去、大局部热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘结层、PCB与热沉向下发散。显然、相关材料的导热能力将直接影响器件的热阻与散热性能。表2-4 LED衬底材料的热导系数：材料SiAl2O3GaAsSiC热导系数w/mk75251849表2-5常用热沉材料的热导系数：材料碳铜黄铜铝合金金银锡锌纯铜纯铝纯铁热导系数w/mk109162315427427121398236表2-4、表2-5指出了假设干常用的衬底与热沉材料的导热系数值。银浆与环氧的数据未在表中列出，他们的导热系数值分别为2030 w/mk与1525 w/mk。知道了材料的热导系数，即可根据下式计算热阻值： R=h/*s式中 为物体

46、的热导系数，单位为w/mk瓦/米*度。S为物体截面积单位为平方米。H为导热路径上二个节点间的距离，单位为m米。显然为减小LED的总热阻，应设法减小芯片PN结到环境之间的距离，增大散热通道面积及采用高热导的材料，由于LED的衬底材料GaAs、蓝宝石以及环氧、银浆与粘结剂均是一些低热导的材料，为减小热阻，近年来相继开发了去除GaAs衬底、采用倒装结构以及改用金属直接替代胶结等新技术。目前这些技术逐渐成熟，并大量投入生产。由表2-5可知，纯铜与纯铝是二种具有极高热导的适与制造LED支架与热沉的材料。材料确定后，散热通道的截面积与散热片外表积的大小决定了器件的总热阻。实验指出，散热面积越大，热阻越低。

47、另外，通过风扇使环境气氧产生了强制交换，也是减小阻的有效途径。3 LED照明系统的电路设计LED是利用化合物材料制成PN结的光电器件。它具备PN结结型器件的电学特性、光学特性。3.1 照明用LED主要技术特性1、电学特性I-V特性：表征LED芯片PN结性能主要参数。LED的伏安特性具有非线性和单向导电性，即外加正向偏压表现为低电阻，反之为高电阻。如图1所示。图3-1 伏安特性曲线1正向死区图1中的oa段或oa段。a点电压Va点对于o点电压Vo为开启电压，当VVF的正向工作区，IF随VF的增大呈指数规律上升： (1-14)正向电流IF是指LED正常发光时的正向电流值，在实际使用时应该根据需要选择

48、IF的值的大小，在IFmIFm为正向工作电流最大值以下。正向工作电压VF是在给定正向电流下得到的，一般在时测得的。LED的正向工作电压VF为1.4-3V。在环境温度升高时，正向工作电压VF将下降。3反向死区，V0时，PN结加反响偏压。4反向击穿区，V-VR，VR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-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也不同。允许功耗P：假设流过LED的电流为IF管压降为VF那么LED的功率消耗为。当LED工作时，假设外加偏压、偏流一定，那么会促使PN结内的一局部载流子复合发光，还有

49、一局部变为热能，使节温升高。假设节温为Tj外部环境温度为Ta，那么时，LED内部的热量借助管座向外释放，散发的热量可以表示为。响应时间：响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间。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。2、光学特性发光二极管有红外非可见与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。半导体的光学特性4及其材料性能可以用于发光照明。LED光学特性：发光法向光强及其角分布I：发光强度法向光强是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性。位于法向方向光强最大，其与水平面交角为

50、90。当偏离正法向不同角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。发光强度的角分布I是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否。发光峰值波长及其光谱分布：LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及PN结结构外延层厚度、掺杂杂质等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。光通量：光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED光通量随之增大。可见光LED的光通量单位为流明lm。发光效率和视觉灵敏度：它是评价具有外封装

51、LED特性，LED的流明效率高，指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。发光亮度：亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。指定某方向上发光体外表亮度等于发光体外表上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2 或Nit尼特。寿命：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关。3.2 LED驱动电路技术图3-2 LED灯具驱开工作原理3 LED驱动电路的根本原理与荧光灯的 HYPERLINK javascript:; t _self 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直流电压，并同

52、时完成与LED的电压和电流的匹配。LED的正向伏安特性如图3-3所示： 图3-3 LED的正向伏安特性 照明工程师社区K0Dw KA所以，LED伏安特性的数字模型可用下式表示：VF=Vturn-on+RsIF+(VF/T)(T-25)其中，Vturn-on是LED的启动电压Rs表示伏安曲线的斜率T表示环境温度VF/T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

53、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。否那么，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，假设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。LED驱动电路拓扑结构已广泛地运用于照明，汽车电子，路标，显示背光等领域。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著，并且阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应相应变化，所以LED驱动电路中，引入了电压或电流反应控制环节。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

54、也克服了因输入电压，环境温度等因素而导致LED灯光的颜色易变动等弊端，功率因数可到达0.9以上，THD可做到20%以下，寿命可到达50000小时以上，同时还可完成从100%到1%的调光功能，并且还具备过压和过流保护功能。下列图3-4是一种比拟常用的拓扑结构。图3-4LED驱动电路主体结构LED驱动电路主体结构采用Feedback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 HYPERLINK javascript:; t _self 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

55、控制在预先 HYPERLINK javascript:; t _self 设计的水平上。电路将一个基准电压或电流信号与LED负载电压或电流信号送入信号控制模块中进行比拟，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。3 LED驱动电路的要求LED面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供给商的LED正向电压也会有差异；另外，LED的“色点也会随着电流及温度的变化而漂移。另外，应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED的排列方式问题。各种排列方式中，首选驱动串联

56、的单串LED，因为这种方式不管正向电压如何变化、输出电压(Vout)如何“漂移，均提供极佳的电流匹配性能。当然，用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式，用于需要“相互匹配的LED正向电压的应用，并获得其它优势。如在交叉连接中，如果其中某个LED因故障开路，电路中仅有1个LED的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。下列图3-5为LED的排列方式：图3-5 LED的排列方式LED的排列方式及LED光源的标准决定着根本的驱动器要求。LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流，而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器根本的工作电路示意图如下列图

57、3-6所示，其中所谓的“隔离表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接，最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离那么没有采用高频变压器来电气隔离。图3-6 LED驱动器根本的工作电路示意图值得一提的是，在LED照明设计中，AC-DC电源转换与恒流驱动这两局部电路可以采用不同配置：1)整体式(integral)配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效及简化安装等；2)分布式(distributed)配置，即两者单独存在，这种配置简化平安考虑，并增加灵活性。 LED驱动器根据不同的应用要求，可以采用恒定电压(CV)输出工作，即输出为一定电流范围下

58、钳位的电压；也可以采用恒定电流(CC)输出工作，输出的设计能严格限定电流；也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作，即提供恒定输出功率，故作为负载的LED的正向电压确定其电流，总的来看，LED照明设计需要考虑以下几方面的因素： 使用降压模式：DC-DC转换器的LED驱动，输出功率：涉及LED正向电压范围、电流及LED排列方式等 电源：AC-DC电源、DC-DC电源、直接采用AC电源驱动 功能要求：调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制 其他要求：能效、功率因数、尺寸、本钱、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性等 更多考虑因素：机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等 。图3

59、-7 LED驱动电路3 LED驱动电路的设计LED驱动简单的来讲就是给LED提供正常工作条件(包括电压,电流等条件)的一种电路,也是LED能工作必不可少的条件,好的驱动电路还能随时保护LED，防止LED被损坏。 1、LED驱动通常分为以下三种方式：镇流电阻驱动：就是简单的的在LED的回路中串接电阻,通过调节电阻的阻值,可以改变LED的驱动电流.。 LED的工作电流为：所以I与镇流电阻R成反比；当电源电压U上升时，R能限制I的过量增长，使I不超出LED 的允许范围。此电路的优点是简单，本钱低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用于小功率LED 范围，所以不选这种方案。

60、(2) 恒压驱动：就是保持LED两端的电压不变，因为每一种颜色的LED的电压都不一样,所以很少用恒压的方式来驱动LED。 (3) 恒流驱动：顾名思异就是保持LED的电流一直不变,让LED在恒定电流的条件下工作。 由于大功率LED是低电压、大电流的驱动器件，当LED电压变化很少时，电流变化很大。LED发光的强度由流过LED的电流决定，电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的平安性，同时到达理想的发光强度。如果采用恒压方式驱动，LED正向电压的任何变化都会导致LED电流的变化。由温度或电压变化引起的特定压变，导致正向电流