第一講：LED照明設計基礎全攻略

中心議題：

探討LED發(fā)光原理及主要參數(shù)

了解LED驅(qū)動器分類及設計方案

掌握LED散熱處理方案基礎

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(xù)研發(fā)出了熒光燈型的LED燈，LED燈與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)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(qū)別于傳統(tǒng)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(fā)光原理及主要參數(shù)、驅(qū)動電路、散熱分析等方面進行講解。

一．LED發(fā)光原理及主要參數(shù)

1．LED發(fā)光原理

LED是電子二極管的一種，主要構(gòu)造是PN結(jié)。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(zhuǎn)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(chǎn)生電流，開始發(fā)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(qū)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(jié)果如圖3所示

圖3 根據(jù) PSpice A/D所得到的解析結(jié)果：電壓－電流特性

驗證LXM3-PM71電壓－電流特性的結(jié)果顯示：在3.0V情況下電流約354mA。

2．LED的主要參數(shù)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(fā)明和發(fā)光效率的提高。

實現(xiàn)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(fā)出的藍色光遇到熒光粉時，部分光轉(zhuǎn)換為黃色光。這部分轉(zhuǎn)換的黃色光和藍色光參雜在一起，就變成了白色光。通過調(diào)整熒光粉的量可以控制白光LED的色溫，因此發(fā)光顏色在制作時就已經(jīng)決定，后期不能調(diào)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(yōu)勢在于RGB可以調(diào)整各種色度，所以不僅能夠產(chǎn)生白光，還能產(chǎn)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(fā)熱很少，但是由于LED照明中，需要使用多顆數(shù)瓦級的LED，所以就會產(chǎn)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(tài)下，效率較低。

另外，熒光粉型的LED，在轉(zhuǎn)換波長的時候會損失能量，從而產(chǎn)生熱量。持續(xù)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(yōu)勢保持下去，就必須控制LED的結(jié)溫。

（2）電的特性

LED電源與白熾燈、熒光燈有很大的區(qū)別。白熾燈可以直接連接到220V的交流電上。熒光燈雖然有鎮(zhèn)流器和轉(zhuǎn)換開關(guān)，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(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(diào)制。LED是電子與空穴再結(jié)合時發(fā)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(fā)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(nèi)的平均亮度），可以根據(jù)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(fā)出的光比較少，所以需要使用多顆LED。同時，由于LED的發(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)光面積小、光的放射范圍在半球內(nèi)、配光分布旋轉(zhuǎn)對稱等優(yōu)點，再加上透鏡和反光鏡，就能構(gòu)成一個好的光源。

其他在光源屬性中，還有光譜。LED的發(fā)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(fā)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。

二、LED照明驅(qū)動電路基本設計

led 的排列方式及LED光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動器 要求。LED 驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)換與恒流驅(qū)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(nèi)，這種配置的優(yōu)勢包括優(yōu)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(qū)動器的基本工作電路示意圖

LED驅(qū)動器分類及設計

如今在市場上典型的LED驅(qū)動器包括兩類，即線性驅(qū)動器和開關(guān)驅(qū)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(guān)穩(wěn)壓器，因為線性驅(qū)動器限于自身結(jié)構(gòu)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(wěn)壓器或分離穩(wěn)壓器；而在200至500mA的中等電流應 用中，既可以采用線性穩(wěn)壓器，也可以采用開關(guān)穩(wěn)壓器。

開關(guān)穩(wěn)壓器的能效高，且提供極佳的亮度控制。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡單，易于設計，提供穩(wěn)流及過流保護，且沒有電磁兼容性（EMC）問題。

圖5 LED驅(qū)動器分類

在低電流LED應用中，電阻型驅(qū)動器盡管成本較低且結(jié)構(gòu)簡單，但這種驅(qū)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(tài)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(qū)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(qū)動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關(guān)穩(wěn)壓器等，基本的應用示意圖見圖7。

圖7 常見的DC—DC LED驅(qū)動方式

電阻型驅(qū)動方式中，調(diào)整與LED 串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅(qū)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(wěn)壓器同樣易于設計且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)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(guān)穩(wěn)壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關(guān)（FET）的開和關(guān)，進而控制電流的流動。

開關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關(guān)，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(guān)穩(wěn)壓器常見的拓撲結(jié)構(gòu)包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、降壓-升壓（Buck-Boost）或單端初級電感轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，如采用24 Vdc 驅(qū)動6 顆串聯(lián)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(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 驅(qū)動 6 顆串聯(lián)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(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅(qū)動 4 顆串聯(lián)的LED,但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。

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(huán)節(jié)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(fā)熱少；而LED，除了作為可視光消耗的能量，其它能量都轉(zhuǎn)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(chǎn)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(gòu)成，每個零件的材質(zhì)都不一樣，熱脹冷縮的尺度也不一樣。因此，當各種材質(zhì)組合在一起的時候就有可能使材質(zhì)發(fā)生彎曲，膨脹時，產(chǎn)品在連接處因為應力過多就會產(chǎn)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(huán)，進而容易發(fā)生燒斷的現(xiàn)象。

3.材料品質(zhì)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(jīng)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。

LED的熱解決方案

要避免電子設備的發(fā)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(nèi)部電源電路板也會產(chǎn)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(zhì)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(zhì)和散熱器呢？首先必須把握產(chǎn)生熱的傳熱路徑。

LED元件產(chǎn)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(chǎn)生的熱也是如此，通過電路板周圍的空氣和填充材質(zhì)，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(zhì)、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(chǎn)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(nèi)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。

LED應用

LED具有發(fā)光效率高、 壽命長、輕便、不含有害物質(zhì)等優(yōu)點。高發(fā)光效率可以增加電池的使用壽命，對于隨身攜帶的產(chǎn)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?？?，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(diào)節(jié)亮度，還能調(diào)節(jié)色度。