你問(wèn)我答 LED設(shè)計(jì)十大經(jīng)典問(wèn)答

近年來(lái)，LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場(chǎng)成為可能。

　　通過(guò)十多年對(duì)LED設(shè)計(jì)的潛心研究和學(xué)習(xí)。本人收集了LED應(yīng)用設(shè)計(jì)中一些經(jīng)典性的基礎(chǔ)問(wèn)題分享給大家。其中涉及到內(nèi)容有單個(gè)LED的流明效率與用LED作光源構(gòu)成的燈具的流明效率異同分析，LED的結(jié)溫原理及結(jié)溫升高會(huì)對(duì)LED產(chǎn)生的影響問(wèn)題，靜電破壞的原理以及列舉一些類型的LED容易受靜電破壞導(dǎo)致失效，探討LED路燈防雷能用一個(gè)壓敏電阻的問(wèn)題，解讀設(shè)計(jì)高品質(zhì)LED驅(qū)動(dòng)電路的方法和選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)要考慮哪些因素等問(wèn)題。

　　問(wèn)：?jiǎn)蝹€(gè)LED的流明效率與用LED作光源構(gòu)成的燈具的流明效率有什么異同？

　　答：針對(duì)某一個(gè)特定的LED，加上規(guī)定的正向偏置，如加上IF＝20mA正向電流后（對(duì)應(yīng)的VF≈3.4V），測(cè)得的輻射光通量Φ＝1.2lm，則這個(gè)LED的流明效率為η＝1.2lm×1000/3.4V×20mA＝1200/68≈17.6lm/W。顯然，對(duì)單個(gè)LED，如施加的電功率Pe＝VF×IF，那么在這個(gè)功率下測(cè)得的輻射光通量折算為每瓦的流明值即為單個(gè)LED的流明效率。

　　但是，作為一個(gè)燈具，不論LEDPN結(jié)上實(shí)際加上的功率VF×IF是多少，燈具的電功率總是燈具輸入端口送入的電功率，它包括電源部分（如穩(wěn)壓器、穩(wěn)流源、交流整流成直流電源部分等）所消耗的功率。燈具中，驅(qū)動(dòng)電路的存在使它的流明效率比測(cè)試單個(gè)LED的流明效率要下降。電路損耗越大，流明效率越低，因此，尋找一種高效率的LED驅(qū)動(dòng)電路就顯得極為重要。

　　問(wèn)：什么是LED的結(jié)溫？結(jié)溫升高會(huì)對(duì)LED造成什么影響？

　　答：LED基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體的PN結(jié)。當(dāng)電流流過(guò)LED器件時(shí)，PN結(jié)的溫度將上升，嚴(yán)格意義上說(shuō)，就把PN結(jié)區(qū)的溫度定義為L(zhǎng)ED的結(jié)溫。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結(jié)溫。

　　當(dāng)PN結(jié)的溫度（例如環(huán)境溫度）升高時(shí)，PN結(jié)內(nèi)部的雜質(zhì)電離加快，本征激發(fā)加速。當(dāng)本征激發(fā)產(chǎn)生的復(fù)合載流子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)雜質(zhì)濃度時(shí)，本征載流子的數(shù)量增大的影響較之遷移率減小的半導(dǎo)體電阻率變化的影響更為嚴(yán)重，導(dǎo)致內(nèi)量子效率下降，溫度升高又導(dǎo)致電阻率下降，使同樣IF下，VF降低。如果不用恒流源驅(qū)動(dòng)LED，則VF降將促使IF指數(shù)式增加，這個(gè)過(guò)程將使LEDPN結(jié)上溫升更加快，最終溫升超過(guò)最大結(jié)溫，導(dǎo)致LEDPN結(jié)失效,這是一個(gè)正反饋的惡性過(guò)程。

　　PN結(jié)上溫度升高，使半導(dǎo)體PN結(jié)中處于激發(fā)態(tài)的電子/空穴復(fù)合時(shí)從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)射出光子的過(guò)程發(fā)生退化。這是由于PN結(jié)上溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體晶格的振幅增大，使振動(dòng)的能量也發(fā)生增加，當(dāng)它超過(guò)一定值時(shí)，電子/空穴從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)會(huì)與晶格原子（或離子）交換能量，于是成為無(wú)光子輻射的躍遷，LED的光學(xué)性能退化。　　另外，PN結(jié)上溫度升高還會(huì)引起雜質(zhì)半導(dǎo)體中電離雜質(zhì)離子所形成的晶格場(chǎng)使離子能級(jí)裂變，能級(jí)分裂受PN結(jié)溫度的影響，這就意味著由于溫度影響晶格振動(dòng)，使其晶格場(chǎng)的對(duì)稱性發(fā)生變化，從而引起能級(jí)分裂，導(dǎo)致電子躍遷時(shí)產(chǎn)生的光譜發(fā)生變化，這就是LED發(fā)光波長(zhǎng)隨PN結(jié)溫升而變化的原因。

　　綜上所述，LENPN結(jié)上的溫升會(huì)引起它的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能的變化，過(guò)高的溫升還會(huì)引起LED封裝材料（例如環(huán)氧、熒光粉等）物理性能的變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致LED失效，所以降低PN結(jié)溫升，是應(yīng)用LED的重要關(guān)鍵所在。

　　問(wèn)：什么是靜電破壞？哪些類型的LED容易受靜電破壞導(dǎo)致失效？

　　答：靜電實(shí)際上是由電荷累積構(gòu)成。人們?cè)谌粘Ｉ钪?，特別在干燥天氣環(huán)境中，當(dāng)用手去觸摸門窗類物品時(shí)會(huì)感覺(jué)“觸電”，這就是門窗類物品靜電積累到一定程度時(shí)對(duì)人體的“放電”。對(duì)于羊毛織品、尼龍化纖物品，靜電積累起來(lái)的電壓可高達(dá)一萬(wàn)多伏特，電壓十分高，但靜電功率不大，不會(huì)威脅生命，然而對(duì)于某些電子器件卻可以致命，造成器件失效。

　　LED中用GN基構(gòu)成的器件，由于是寬禁帶半導(dǎo)體材料，它的電阻率較高，對(duì)于InGaN/AlGaN/GaN的雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)色光LED，其InGaN的有源層的厚度一般只有幾十納米，再由于這種LED的兩個(gè)正、負(fù)電極在芯片同一面上，之間距離很小，若兩端靜電電荷累積到一定值時(shí)，這一靜電電壓會(huì)將PN擊穿，使其漏電增大，嚴(yán)重時(shí)PN結(jié)擊穿短路，LED失效。

　　正因?yàn)榇嬖陟o電威脅，對(duì)于上述結(jié)構(gòu)的LED芯片和器件在加工過(guò)程中對(duì)加工廠地、機(jī)器、工具、儀器，包括員工服裝均要采取防靜電措施，確保不損傷LED。另外，在芯片和器件的包裝上也要采用防靜電材料。

　　問(wèn)：LED路燈防雷能用一個(gè)壓敏電阻嗎

　　答：關(guān)于路燈的防雷設(shè)計(jì)并非是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。首先要了解你的路燈系統(tǒng)方案全貌架構(gòu)，如采用AC-->開(kāi)關(guān)電源-->恒流源-->LED光源的方案，那么，你應(yīng)該首先考慮開(kāi)關(guān)電源的防雷，雷擊的侵入往往是由AC電線導(dǎo)入的，先被侵害的主體應(yīng)該是開(kāi)關(guān)電源，