工程師十年總結(jié)：LED設(shè)計(jì)經(jīng)典問(wèn)題解答

　　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LED PN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LED PN結(jié)上溫升更加快，最終溫升超過(guò)最大結(jié)溫，導(dǎo)致LED PN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，LEN PN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钪校貏e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“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--》開關(guān)電源--》恒流源 --》LED光源的方案，那么，你應(yīng)該首先考慮開關(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)該是開關(guān)電源，經(jīng)開關(guān)電源輸出 的直流電壓理論上是一干凈的電源，至此雷擊對(duì)恒流源的影響已經(jīng)很小了。LED路燈一般是買現(xiàn)成的開關(guān)電源來(lái)配套，因此你在選用時(shí)特別選購(gòu)能防雷擊的開關(guān)電 源，即在開關(guān)電源的輸入端已設(shè)置防雷擊電路。

　　問(wèn)：隔離型與非隔離型驅(qū)動(dòng)方案各有何優(yōu)缺點(diǎn)?應(yīng)用中如何選擇?

　　答：所謂隔離，是指輸入與輸出間沒(méi)有直接的電氣連接關(guān)系，從安全的要求講，一般要求輸入/輸出間耐壓在3KV以上。目前的隔離型方案多是以變壓器作為隔離元件的AC/DC的反激式(Flyback)電路方案，因此相對(duì)電路較復(fù)雜、成本較高。而非隔離型基本是采用功率電感的DC/DC的升壓(Boost)或 降壓(Buck)電路，相對(duì)電路較簡(jiǎn)單，因而成本也相對(duì)較低。

　　由于電路上差異較大，大多數(shù)的芯片都不具備同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種方案的可能。從恒流精度上看，隔離型可以做到±5%以內(nèi)，而非隔離型則很難做到。

　　目前在以市電為輸入電源的LED燈具中(特別是驅(qū)動(dòng)與光源一體的燈具)，本著安全第一的原則，基本已不需再采用非隔離型方案。但也有例外，LED日光燈管 由于受到結(jié)構(gòu)和空間的制約，仍還用非隔離型方案。在低壓供電的LED燈具中，以效率和成本優(yōu)先的原則，非隔離型方案是最佳的選擇。

　　問(wèn)：LED被靜電擊穿的原理和過(guò)程是怎么樣的?會(huì)有何影響?

　　答：LED屬于半導(dǎo)體類元件，它的PN結(jié)是直接裸露在外頭的，很容易接觸靜電。當(dāng)LED兩個(gè)電極上極性不同的電荷積累(產(chǎn)生電荷或者轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的電荷)到一 定的程度，又得不到及時(shí)釋放，電荷能量一旦超過(guò)LED芯片最大承受值時(shí)，電荷將以極短的瞬間(納秒級(jí)別)在LED兩個(gè)電極層之間進(jìn)行放電，產(chǎn)生功率焦耳的熱量，在導(dǎo)電層之間局部(往往是電阻值最小、電極周邊的)會(huì)形成1400℃以上的高溫，高溫將會(huì)把導(dǎo)電層之間熔融成一些小孔，從而造成漏電、暗亮、死燈、電性飄移等現(xiàn)象。

　　這個(gè)擊穿LED的靜電能量它并非就是一個(gè)高壓，學(xué)術(shù)的講是一個(gè)能量，它取決于電荷的量和的時(shí)間長(zhǎng)短這兩個(gè)核心系數(shù)。放電剎那的時(shí)間越短威力越大，電荷越多威力也越大。靜電擊穿LED是個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，因此，測(cè)試LED抗靜電時(shí)的模擬設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)很復(fù)雜、很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試。

　　被靜電擊損后的LED如果是比較嚴(yán)重的往往是死燈、漏電。輕微的靜電損傷，LED一般沒(méi)有什么異常，但此時(shí)，該LED已經(jīng)有一定的隱患，當(dāng)它受到二次靜電損傷時(shí)，那就會(huì)出現(xiàn)暗亮、死燈、漏電增大啦。

　　問(wèn)：如何設(shè)計(jì)高品質(zhì)LED驅(qū)動(dòng)電路?

　　答：LED光源是一種長(zhǎng)壽命光源，理論壽命可達(dá)50000($4.1464)小時(shí)，但應(yīng)用電路設(shè)計(jì)不合理、電路元器件選用不當(dāng)、LED光源散熱不好，都會(huì)影響它的使用壽命。 特別是在應(yīng)用電路里，作為AC/DC整流橋的輸出濾波器的電解電容器，它的使用壽命在5000小時(shí)以下，這就成了制造長(zhǎng)壽命LED燈具技術(shù)的攔路虎，設(shè)計(jì) 生產(chǎn)可在應(yīng)用電路里省去電解電容器的新一代LED驅(qū)動(dòng)IC是可行的解決方案。

　　此外，對(duì)新一代LED驅(qū)動(dòng)IC的設(shè)計(jì)必須打破傳統(tǒng)的DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，如采用恒功率、不采用磁滯控制的降壓型而采用定頻定電流控制、解決使用鹵 素?zé)綦娮幼儔浩魉a(chǎn)生的燈源閃爍和多燈并聯(lián)不亮問(wèn)題等等;還必須解決LED驅(qū)動(dòng)IC在多種應(yīng)用電路中能過(guò)EMC、安規(guī)、CE、UL等認(rèn)證;應(yīng)用電路應(yīng)力求 簡(jiǎn)潔、使用元器件少;隔離與非隔離的應(yīng)用歷來(lái)是商家在安全與效率之爭(zhēng)焦點(diǎn);提高PWM控制器的占空比等等。

　　問(wèn)：選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)要考慮哪些因素?

　　答：LED驅(qū)動(dòng)電源是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的電壓轉(zhuǎn)換器，通常情況下：LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓 直流、高壓直流、低壓高頻交流(如電子變壓器的輸出)等。而LED驅(qū)動(dòng)電源的輸出則大多數(shù)為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED驅(qū)動(dòng)電源的特性要求，在選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)：

　　1.高可靠性：特別像LED路燈的驅(qū)動(dòng)電源，裝在高空，維修不方便，維修的花費(fèi)也大。2.高效率：LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)電源的效率要高。對(duì)于電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)尤為重要。因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對(duì)延緩LED的光衰有利。3.高功率因素：功率因素是電網(wǎng)對(duì)負(fù)載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒(méi)有強(qiáng)制性指標(biāo)。雖然功率小的單個(gè)用電器功率因素低一點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點(diǎn)燈，同類負(fù)載太集中，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染。對(duì)于30瓦~40瓦的LED驅(qū)動(dòng)電源，據(jù)說(shuō)不久的將來(lái)，也許會(huì)對(duì)功率因素方面有一定的指標(biāo)要求。4.驅(qū)動(dòng)方式：現(xiàn)在通行的有兩種：一種是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨(dú)給每路LED供電。此方式，組合很靈活，一路LED故障，不影響其他 LED的工作，但成本會(huì)略高一點(diǎn)。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn)，但是靈活性差，還要解決某個(gè)LED故障，不影響其他LED運(yùn)行的問(wèn)題。這兩種形式，在一段時(shí)間內(nèi)并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會(huì)較好。也許是以后的主流方向。5.浪涌保護(hù)：LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強(qiáng)這方面的保護(hù)也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟 甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。6.保護(hù)功能 電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋，防止LED溫度過(guò)高。7.防護(hù)燈具外安裝型，電源結(jié)構(gòu)要防水、防潮，外殼要耐曬。8.驅(qū)動(dòng)電源的壽命要與LED的壽命相適配。9.要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。