LED照明技術(shù)之LED基礎(chǔ)知識

　　現(xiàn)階段節(jié)能已經(jīng)成為一種硬性的要求，不是一種選擇，而其中一部分需要采用環(huán)保綠色的方式去實現(xiàn)節(jié)能。對于照明來說，我們可以很容易的設(shè)想全球照明提高10%的效率后所帶來的影響，但是提高1000%呢？最近高效率發(fā)光二極管（LED）可能實現(xiàn)這種效率的改進，并且能夠以良好的表現(xiàn)力和高可靠性取代現(xiàn)階段所用的產(chǎn)品。這篇文章有四部分，第一部分我們關(guān)注LED 的物理結(jié)構(gòu)，發(fā)光范圍，效率，發(fā)光二極管驅(qū)動和應(yīng)用。

　　物理解析

　　物理層面上，LED 類似于p-n 結(jié)二極管。作為p-n 結(jié)，當(dāng)將陽極（p 區(qū)域）和陰極（n 區(qū)域）之間加正電壓時，電子和空穴向截面移動。一旦電子和空穴復(fù)合將釋放出能量，p-n 材料的物理特性決定了釋放能量的形式，至于分立電路中用到的標(biāo)準(zhǔn)二極管，它們釋放能量的方式可以是沒有輻射的或者以可見光的方式向外釋放。對于LED，它所發(fā)射出光的波長（也就是光的顏色）由p-n 結(jié)材料的禁帶寬度特性來決定。要想提高性能，LED 材料要有低的反向擊穿電壓，也就是低的禁帶寬度。

　　顏色

　　在20 世紀(jì)60 年代晚期，紅光LED 在商業(yè)上最早得到了應(yīng)用，但是當(dāng)時發(fā)出的光非常的弱。盡管有這樣的不足，紅光LED 還是被廣泛的應(yīng)用到七段顯示器上。由于材料科學(xué)上的進步，如今商業(yè)上應(yīng)用的LED 已經(jīng)可以發(fā)出多種色光，而其中一部分光，如果你直接盯著看的話，能使你的眼睛失明。

　　藍光LED 在幾年前得到了廣泛的應(yīng)用。將藍光LED，綠光和紅光LED 所產(chǎn)生的光混合將產(chǎn)生白光，這種可以產(chǎn)生白光的技術(shù)可以提供很寬的色域，光動態(tài)調(diào)諧特性好，顯色性能出色（CRI），非常適合高端背光應(yīng)用。用藍光LED 和熒光粉的方式產(chǎn)生白光可以更簡單更經(jīng)濟，它可以使一部分藍光轉(zhuǎn)換成黃光。黃光可以模仿眼睛所感受到的紅光和綠光，因此藍光和黃光混合就可以產(chǎn)生白光。這種方案可以提供良好的顯色性能，但是由于制作工藝的差異和熒光粉厚度不同，使得這種方式產(chǎn)生的白光遭受著色溫不一致的困擾。

圖1：LED 幾種基本顏色的比色圖表

　　效率

　　對于LED 光源來說高效率是一個術(shù)語，當(dāng)提到照明時，效率被定義為單位功率所產(chǎn)生的光，因此，在公制中，是用流明每瓦來衡量。最近一些LED 產(chǎn)品在介紹時承諾效率可以高達150 流明/瓦，比較而言，白熾燈為15 流明/瓦，熒光燈可以提供70 流明/瓦。因此LED 就會在不久的將來取代白熾燈和熒光燈嗎？有可能，但是不幸的是一些LED 的效率數(shù)據(jù)只是停留在規(guī)格書上。問題在于LED 產(chǎn)生的相當(dāng)一部分光在封裝材料表面被反射回了LED 芯片，對于這樣的事實LED 本身也無能為力。這部分反射回來的光可能是被半導(dǎo)體材料吸收然后轉(zhuǎn)換成熱量一樣。

　　抗放射涂層，和將反射角降到最低都可以減少光的反射量和提高效率，降低反射角可以通過使用半球體封裝，將LED 芯片放在中央來實現(xiàn)。然而這些技術(shù)還要取決于制作工藝的變化程度和比較高的額外費用來確保性能穩(wěn)定。因此盡管LED在工業(yè)上正在被快速的采納，但LED 的發(fā)展還有很長的路要走。

　　應(yīng)用

　　很多因素使得LED 成為令人關(guān)注的高性能現(xiàn)代電子技術(shù)。例如，更高的輸出效率延長了電池壽命，這樣非常適合便攜產(chǎn)品的應(yīng)用。此外，LED 快速的開關(guān)特性在機動車尾燈的應(yīng)用上可以得到完美的體現(xiàn)。尤其是剎車燈上的應(yīng)用，它可以給駕駛者提供更多的反映時間，提高駕車的安全性。由于LED 不含有鉛和汞，在背光應(yīng)用上，紅綠藍三原色LED 滿足了ROHS 標(biāo)準(zhǔn)。由于具有較寬的色域，LED 照明使全光譜光源變得容易。LED 的獨特之處是它的壽命很長，這一特性使得它可以應(yīng)用到對長期的穩(wěn)定性能有較高要求的地方，例如交通燈。視覺處理系統(tǒng)需要聚焦，閃光，和單色光源——LED 非常適合應(yīng)用這種場合。LED 由于它簡單易實現(xiàn)，

　　光動態(tài)調(diào)諧特性好，在臥室里，當(dāng)你要放松時，你可以將它設(shè)置成綠光，當(dāng)要看斗牛節(jié)目的時候，可以設(shè)置成紅光。

　　驅(qū)動

　　LED 本質(zhì)是電流驅(qū)動器件，也就是說，它的光強度隨著正向電流IF 的變化而變化。光的顏色同樣也是由正向電流來決定，LED 正向電壓VF ，也會影響顏色的變化。于是，為了達到所需要光的顏色和亮度，有必要采用恒流驅(qū)動LED。一個簡單的LED 驅(qū)動的框架可以由一個電壓源和一個限流電阻組成（圖2a）。這種方法最適合于窄輸入電源，小電流的應(yīng)用，這時候的LED 的正向壓降略低于輸入電壓。但是當(dāng)輸入電壓變化或者LED 的正向壓降升高時，電流就會變化，因此光的強度和顏色就會改變。

圖2：簡單的LED 驅(qū)動框圖

　　A．電源源和限流電阻 B.線性穩(wěn)壓電源 C.開關(guān)電容 D. 開關(guān)穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源常被應(yīng)用在降壓比率比較小的情況下，對LED 電流進行緊密控制（如圖2b）。在要求小電流升高的情況下，可以利用開關(guān)電容電路（圖3c）。

　　至于寬輸入范圍，大電流應(yīng)用，像上面的方法實現(xiàn)的簡單驅(qū)動結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致功耗非常高，效率非常低。所以將需要更高效和相應(yīng)更復(fù)雜的解決方案，像開關(guān)穩(wěn)壓電源（圖2d）。開關(guān)穩(wěn)壓電源通過切斷功率流和控制占空比大小來實現(xiàn)功率控制，這種方式可以得到有規(guī)律振動的電流電壓。可以將開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)置成隔離或非隔離的方式來實現(xiàn)電壓或電流的降低(buck)或升高(boost),或兩種功能同時發(fā)生(buck-boost)。

　　總之，設(shè)計者在選擇開關(guān)穩(wěn)壓電源時，在給定功率轉(zhuǎn)換要求下要對成本和性能進行折中選擇。另一方面，為了正常驅(qū)動LED，開關(guān)穩(wěn)壓電源應(yīng)當(dāng)設(shè)置在恒流工作模式。