第一講：LED照明設(shè)計基礎(chǔ)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(shè)計方案

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各界的推廣和應(yīng)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(shè)計出更好的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。

本文就圍繞LED照明燈具的設(shè)計進(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(dǎo)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(fù)極之間施加電壓。當(dāng)外加電壓達(dá)到一個臨界值，LED中產(chǎn)生電流，開始發(fā)光。當(dāng)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(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)動電路。電路仿真是對LED和電阻等的電子設(shè)計進(jìn)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(jìn)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(lán)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(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，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)光顏色在制作時就已經(jīng)決定，后期不能調(diào)整。

同時，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(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(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，人眼會感受到反復(fù)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(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，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)動器分類

在低電流LED應(yīng)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(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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)計且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護(hù)（fold back），且提供外部電流設(shè)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(jìn)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(fù)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?fù)浣Y(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(chǔ)

在LED燈具設(shè)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(shè)計進(jìn)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(dǎo)致彎曲和龜裂

電子設(shè)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(dāng)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(yīng)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(dǎo)體元件，有這樣一個特性，即當(dāng)電子設(shè)備中的半導(dǎo)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(jìn)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(shè)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(fù)經(jīng)過高溫氧化，就會縮短其壽命。同時，反復(fù)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(shè)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(fēng)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(fēng)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(dǎo)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(dǎo)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(xì)的銅線更容易導(dǎo)熱）、涂導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)速度非?？?，所以也適合用于汽車的剎車燈。LED燈具的設(shè)計自由度非常高，不僅能調(diào)節(jié)亮度，還能調(diào)節(jié)色度。