LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)全攻略

探討LED發(fā)光原理及主要參數(shù)

了解LED驅(qū)動(dòng)器分類及設(shè)計(jì)方案

掌握LED散熱處理方案基礎(chǔ)

近年來，LED照明逐漸地得到了社會(huì)各界的推廣和應(yīng)用。LED家庭能夠消費(fèi)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(shè)計(jì)出更好的LED照明燈具，必須對LED進(jìn)行區(qū)別于傳統(tǒng)光源的正確的電路設(shè)計(jì)。

本文就圍繞LED照明燈具的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，具體包括是從LED發(fā)光原理及主要參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電路、散熱分析等方面進(jìn)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(dāng)向LED的兩端施加電壓，電子就會(huì)吸收能量并向價(jià)電子帶轉(zhuǎn)移，然后再將吸收的能量釋放出來。這個(gè)被釋放出的能量就是光。放出的光的波長和顏色是由半導(dǎo)體的電勢差決定的。

圖1 LED運(yùn)作原理

LED具有一般硅二極管的類似特性，在正負(fù)極之間施加電壓。當(dāng)外加電壓達(dá)到一個(gè)臨界值，LED中產(chǎn)生電流，開始發(fā)光。當(dāng)電壓超過這個(gè)臨界值時(shí)，電流急劇增加。白色LED的臨界電壓值約3.5V。紅色、綠色、藍(lán)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(dòng)電路。電路仿真是對LED和電阻等的電子設(shè)計(jì)進(jìn)行建模并在計(jì)算機(jī)上模擬計(jì)算電路運(yùn)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(shí)使用了飛利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。

首先運(yùn)用圖2的電路來驗(yàn)證LED的電子特性。要得到電壓－電流特性，需要進(jìn)行直流解析。

圖2 驗(yàn)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(yàn)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(lán)光LED芯片的發(fā)明和發(fā)光效率的提高。

實(shí)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(lán)色LED芯片上涂覆黃色熒光粉。從LED芯片中發(fā)出的藍(lán)色光遇到熒光粉時(shí)，部分光轉(zhuǎn)換為黃色光。這部分轉(zhuǎn)換的黃色光和藍(lán)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(shí)就已經(jīng)決定，后期不能調(diào)整。

同時(shí)，混合藍(lán)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(lán)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(huì)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(jí)的LED，所以就會(huì)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(yùn)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(shí)候會(huì)損失能量，從而產(chǎn)生熱量。持續(xù)高溫就會(huì)導(dǎo)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(gè)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(shí)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(dāng)LED電流增大，熱量隨之增大，導(dǎo)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(yīng)（反復(fù)接受瞬間閃光后，人眼會(huì)感受到反復(fù)時(shí)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(shí)，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(kuò)散板。但是，使用擴(kuò)散板的話，光向各個(gè)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(qiáng)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(huì)不同。有時(shí)也會(huì)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(fèi)，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(diǎn)，再加上透鏡和反光鏡，就能構(gòu)成一個(gè)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(gè)很窄的范圍，不放射紅外線。因此，在不想使照射物變熱的時(shí)候，使用LED較好。但是，LED自身會(huì)發(fā)熱，所以需要注意防止其導(dǎo)熱。另外還需要注意，熒光粉類型的LED，溫度變化，色溫也會(huì)隨之變化。

二、LED照明驅(qū)動(dòng)電路基本設(shè)計(jì)

led 的排列方式及LED光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動(dòng)器 要求。LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shè)計(jì)中，AC-DC 電源轉(zhuǎn)換與恒流驅(qū)動(dòng)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(dú)存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。

圖4 LED驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意圖

LED驅(qū)動(dòng)器分類及設(shè)計(jì)

如今在市場上典型的LED驅(qū)動(dòng)器包括兩類，即線性驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)驅(qū)動(dòng)器；大概的適用范圍見圖5.如電流大于500mA的大電流應(yīng)用采用開關(guān)穩(wěn)壓器，因?yàn)榫€性驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(yīng) 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(shè)計(jì)，提供穩(wěn)流及過流保護(hù)，且沒有電磁兼容性（EMC）問題。

圖5 LED驅(qū)動(dòng)器分類

在低電流LED應(yīng)用中，電阻型驅(qū)動(dòng)器盡管成本較低且結(jié)構(gòu)簡單，但這種驅(qū)動(dòng)器在低電壓條件下，正向電流較低，會(huì)導(dǎo)致LED亮度不足，且在負(fù)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(gè)方案的能效較低，見圖6。