基于高亮度LED在照明中的應(yīng)用

自從上世紀(jì)六十年代誕生第一個(gè)發(fā)光二極管以來，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，由于輸出流明的局限性，LED只是應(yīng)用在信號(hào)指示用途。至九十年代，藍(lán)光LED由于較經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)方法而得以產(chǎn)品化。進(jìn)入二十一世紀(jì)，大功率白光LED被研制成功并且迅速地產(chǎn)業(yè)化。此間，由于大型照明光源電氣公司的介入，例如PHILIPS和OSRAM，高亮度白光LED的光效取得了突破性的改進(jìn)，并且迅速地開始進(jìn)入普通照明的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，高亮度白光LED的光效在良好的散熱條件下，已經(jīng)超越了熒光燈的光效。隨著更多的技術(shù)與資本投入，高亮度LED的光效在不斷的提高，而其成本則開始快速的下降，最終其性能價(jià)格比必將為普通消費(fèi)者所接受。

傳統(tǒng)照明光源種類包括：白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈。與此相比，采用高亮度LED的固態(tài)照明光源具有諸多的優(yōu)點(diǎn)：低功耗，高光效，長壽命，響應(yīng)快，易數(shù)字控制，環(huán)境友好。

LED與傳統(tǒng)光源的光效對(duì)比

據(jù)美國能源部(DOE)表示，美國22%的電能用于照明。DOE聲稱在今后20年中，LED照明將在美國得到快速普及，可以減少62%的照明電能需求。另外，它能消除2.58億噸的二氧化硅排放量，少建133座新的電廠。采用LED照明能使財(cái)政節(jié)減1150多億美元。

在中國，國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已經(jīng)成立。聯(lián)盟制定的技術(shù)規(guī)范，將通過研討、培訓(xùn)等方式在聯(lián)盟內(nèi)部推廣使用，并向政府采購部門和標(biāo)準(zhǔn)管理部門推薦，納入到國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工作體系中，引導(dǎo)和推動(dòng)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施。聯(lián)盟在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將成立“聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)”，邀請(qǐng)政府領(lǐng)導(dǎo)、行業(yè)專家、標(biāo)準(zhǔn)化專家、質(zhì)檢機(jī)構(gòu)、檢測設(shè)備專家等共同參與 。國家已經(jīng)出臺(tái)高效照明產(chǎn)品推廣財(cái)政補(bǔ)貼資金管理暫行辦法，這是我國政府加大力度推廣高效照明產(chǎn)品，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的又一重要舉措，確保實(shí)現(xiàn)“十一五”期間通過財(cái)政補(bǔ)貼方式推廣高效照明產(chǎn)品1.5億只，可節(jié)電290億千瓦時(shí)，減少二氧化碳排放2900萬噸。

目前我國的半導(dǎo)體照明主要應(yīng)用于特殊照明領(lǐng)域，如交通信號(hào)燈、景觀照明、LED全彩顯示屏等，但節(jié)能的效果明顯：如景觀照明（替代霓虹燈）節(jié)能70%，交通信號(hào)燈（替代白熾燈）節(jié)能80%；庭院燈節(jié)能70%。在功能性照明領(lǐng)域，節(jié)能效果已開始顯現(xiàn)，如LED作為次干道路燈（替代高壓鈉燈）節(jié)能70%。雖然初始采購價(jià)格是普通路燈的3倍，綜合成本約3-4年可持平。 預(yù)計(jì)當(dāng)LED產(chǎn)品的發(fā)光效率達(dá)到 100 lm/W時(shí)，將開始進(jìn)入普通照明市場，年節(jié)電500億度，通過節(jié)電可減少CO2、SO2、NOx、粉塵排放5000萬噸。當(dāng)LED產(chǎn)品的發(fā)光效率達(dá)到 150 lm/W時(shí)，LED照明將占有 20% 的照明市場 (照明用電將超過5000億度)，每年將節(jié)約用電 1000 億度，超過三峽水電站的年發(fā)電量（847億度/年）。通過節(jié)電可減少CO2、SO2、NOx、粉塵排放1億噸。

目前，LED的成熟應(yīng)用市場有：建筑景觀照明，建筑景觀照明，廣告顯示屏，小尺寸LCD背光源，汽車應(yīng)用，太陽能LED照明。在未來，還有著更廣闊的應(yīng)用前景，如中大尺寸LCD背光源，道路照明，室內(nèi)普通白光照明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用人工光源，醫(yī)療用光源，LED液晶投影機(jī)，DLP背投用LED光源，航空照明光源，博物館文物展示照明等。

LED固態(tài)照明的產(chǎn)業(yè)鏈分布也極為廣泛。在產(chǎn)業(yè)鏈的上游，包括半導(dǎo)體材料供應(yīng)，晶圓制造，封裝等。在中游，包括功率驅(qū)動(dòng)，光學(xué)組件，散熱器等。在下游，包括燈具，照明管理軟件，工程系統(tǒng)集成等。其中，功率驅(qū)動(dòng)單元的作用是為LED提供恒定的電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)光，混色，與上位機(jī)的通訊，熱監(jiān)測等。目前，在很多集成電路供應(yīng)商的產(chǎn)品線中都能找到LED驅(qū)動(dòng)的專用芯片。近來，該類驅(qū)動(dòng)芯片的技術(shù)趨勢(shì)是，功率開關(guān)器件被集成進(jìn)芯片內(nèi)部，開關(guān)模式工作在更高的頻率，芯片具備更寬的工作電壓。對(duì)于小電流的LED驅(qū)動(dòng)，該類芯片通常使用開關(guān)電容來實(shí)現(xiàn)電荷泵，總的輸出電流有限。而對(duì)于大電流LED的驅(qū)動(dòng)，一般采用基于電感的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如boost , buck , sepic 等。由于MHZ的工作頻率，其中的電感已經(jīng)能夠微型化。轉(zhuǎn)換效率是該類電路的重要指標(biāo)之一，最佳條件下，可以達(dá)到最高95%的效率。電流環(huán)的控制，大致可分為兩類，一是滯環(huán)控制，二是平均電流控制。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)滯環(huán)控制，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快但電流精度較差。對(duì)平均電流控制，其控制精度較高，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。兩種控制模式均需要進(jìn)行電流信號(hào)的采樣和反饋，電流的采樣方式有多種，包括低端電流采樣，高端電流采樣和浮置電流采樣。對(duì)于不同的應(yīng)用要求，可以采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不同的控制方式，以及不同的電流采樣位置。

總的來說，LED在照明領(lǐng)域中的應(yīng)用極其廣泛和多樣，被認(rèn)為是人造光源中的第三次革命，其帶來的影響是極為深遠(yuǎn)的。