LED照明材料改进及芯片设计方案

LED照明材料改进及芯片设计方案

       发光二极管(LED)技术已经取得了快速的进展，而芯片设计和材料的改进促进了更亮、更耐用光源的开发，使光源应用范围日益扩大。节能意识不断的增强也加速了LED照明技术的普及。如今LED灯正凭借许多优势迅速取代传统照明方式，首先新型LED灯泡拥有从0.83～7.3瓦的低功耗以及可使用5万小时的寿命;而LED灯泡耐热、抗震，即开即用的特性，适合需要频繁开关操作的场合，有助于满足安全和绿色倡议;LED不含汞，灯泡摸上去不烫手，并可充分调光;且灯泡不会变色，而白炽灯在调光时会发黄;最后是采用不会干扰到无线电和电视讯号的电源安定器。虽然这项技术正在不断普及，但LED照明厂商仍须继续克服LED光源热敏感性强的难题。热量过多或应用不当都会使LED光源的性能大打折扣。

　　散热管理决定LED寿命

　　使用一个60瓦白炽灯泡的灯具大约产生900流明照度，必须通过传导耗散3瓦热量。使用典型直流LED作为光源达到相同的900流明照度只需要十二个LED。假设顺向电压(VF)为3.2伏特，电流为350毫安，该灯具的输入功率可按下列公式1计算：

　　功率=12x3.2伏特x350毫安=13.4瓦………公式1

　　在此情况下，约20%输入功率转换为光，80%则转换为热。这取决于多种因素，发热可能与底层不规则以及声子发射、密封、材料等有关。在LED产生的总热量中，有90%透过传导传输。表1为耗散来自LED接面的热量，传导是导热的主要通道，因为对流和辐射仅占全部热传输约10%。比如一个LED可能转换近10.72瓦热量(13.4瓦×0.8)。其中，9.648瓦(10.72瓦×0.9)透过传导从LED接面传输或迁移。显然，LED光源需要精确的功率和热管理系统，因为与其他光源相比，提供给LED的电能大部分转换为热量。如果没有适当的热管理，这种热量会影响LED寿命和色彩输出。同时由于LED驱动装置属于硅组件，很快就会失效，因此必须配备故障安全备用过电流保护装置。

　　LED的光学性能因温度不同而呈现明显的差别。LED的发光量随接面温度升高而减少，对某些技术而言，发射波长也会随温度而变化。如果不对驱动电流和接面温度加以适当控制，LED效率会迅速下降，造成亮度减弱、寿命缩短。与接面温度有关的另一个LED特性是顺向电压(图1)，VF为经过LED顺向压降，当传导开始时，VF约为2伏特(对于红色LED)和3.5伏特(对于蓝色LED);TF为在PN接面上，LED内部的温度。如果该温度过高，LED将损坏;Ij为经过LED的顺向电流。如果仅使用一个简单的偏压电阻控制驱动电流，VF将随温度升高而下降，驱动电流增大。尤其对大功率LED而言，这将导致热崩溃，并造成组件失效。常见的做法是透过将LED安装在金属芯印刷电路板(PCB)上加速导热，从而控制接面温度。电线耦合瞬态和涌流也会减少LED寿命，许多LED驱动装置很容易因直流电压和极性错误而受损，LED驱动装置的输出也会因短路而受损或毁坏。多数LED驱动装置含有内置安全功能，包括热关机以及LED开路和短路检测。但是，要保护IC和其他敏感电子组件，可能需要额外的过流保护组件。

　　图1 顺向电压随接面温度升高而下降