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LED节能照明系统的研究与应用
目录
摘要与关键词…………………………………………………………………………………………Ⅱ
0引言……………………………………………………………………………………………………1
1LED节能照明技术概况…………………………………………………………………………………1
1.1传统照明技术简介……………………………………………………………………………1
1.2LED照明发展简介……………………………………………………………………………1
1.3LED优点………………………………………………………………………………………2
2照明用LED主要技术特性……………………………………………………………………………2
2.1LED的电学特性………………………………………………………………………………2
2.2LED的光学特性………………………………………………………………………………3
3照明用白光LED技术…………………………………………………………………………………4
3.1白光LED技术原理……………………………………………………………………………4
3.2照明用白光LED技术要求……………………………………………………………………5
3.3白光LED驱动电路技术………………………………………………………………………6
3.3.1白光LED驱动器的要求及分类………………………………………………………6
3.3.2常见典型白光LED驱动电路…………………………………………………………6
3.4高效率白光LED技术发展…………………………………………………………………7
3.5照明用白光LED封装和散热问题…………………………………………………………8
3.5.1白光LED的封装技术…………………………………………………………………8
3.5.2散热问题及解决………………………………………………………………………10
4LED节能照明的应用…………………………………………………………………………………10
5结语……………………………………………………………………………………………………12
参考文献………………………………………………………………………………………………12
致谢……………………………………………………………………………………………………12
LED节能照明系统的研究与应用
摘要
本文阐述LED节能照明的原理及应用。
先分析照明技术概况，提出LED照明的优点。
然后重点论述用于照明的白色光LED技术。
通过对白光LED芯片的发光材料的分析，介绍其发光机理，并分析其典型驱动电路技术。
同时对白光LED芯片封装及散热的探讨，提出如何在散热和封装上来提高LED芯片的发光效率。
最后分析LED的应用前景。
关键词
照明；白光LED；原理；驱动电路；应用
Energy-savingledlightingsystemsresearchandapplication
Abstract
ThisarticleelaboratestheLEDenergyconservationilluminationprincipleandtheapplication.Analyzesthelightingtechniquessurveyfirst,ProposestheLEDilluminationmerit.ThenthekeyelaborationusesinthewhitelightLEDtechnologywhichilluminates.ThroughdialoglightLEDchipluminescentmaterialanalysis,Introducesitsilluminationmechanism,Andanalyzesitsmodeldrivingcircuittechnology.SimultaneouslydialoglightLEDchipsealandradiationdiscussion,ProposedhowtoberadiatingandsealenhancestheLEDchiptheluminousefficiency.UltimateanalysisLEDapplicationprospect.
Keywords
lighting;whiteLED;Drivingcircuit;applications;Principle
0引言
从LED出现以来，人们一直在努力实现固体光源。
随着LED制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，发白色光的LED固体光源性能不断完善并进入实用阶段。
白光LED的出现，使高亮度白光LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场成为可能，如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。
因此，LED节能照明的技术的研究具有很大的现实意义。
本文就对节能的LED在照明方面的技术上与应用上作以研究和分析。
1LED节能照明技术概况
随着人类文明的进步，照明技术也在迅速发展。
早期人类用的是植物油产生光，1976年白炽灯问世，它以碳棒作为灯丝，是照明技术的巨大改进，1938年发明的日光灯可以减少热的损失，节省能源的消耗，这又是一个大进步，后来紧凑型日光灯的开发使其应用更为普遍，同时高压气体放电灯如水银灯、金属卤素灯及钠灯等的发明可在室外实现照明，满足了各方面的需要。
目前有21%的电源用于照明，如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。
1.1传统照明技术简介
在19世纪爱迪生发明电灯之前，人类实现照明的方式非常简单，那就是直接借助各种火源的直射光，例如蜡烛、油灯等等。
这些发光设备虽然在人类的历史长河中点燃了漫漫岁月，却因为极低的发光效率和发光质量，只能尘封在历史的博物馆中，进入20世纪后，随着人类新工业革命的爆发，以爱迪生发明的新式白炽灯为代表的照明设备，正式成为人类生产生活中的主流发光设备。
人类社会的电力照明设备大致有这几个重要的发展成果：
①白炽灯，主要以钨丝作灯丝因为钨有高熔点及低蒸发率。
白炽灯的大部分辐射光是红外线，所以120V白炽灯的照明效率在2400K时约为8lm/W，一般100W白炽灯只有7%的电功率转变为可见光。
②钨丝卤素灯，为减少钨丝蒸发率以增加其寿命及工作温度，在灯泡中添加卤素气体作成的钨丝卤素灯也较为流行。
一般钨丝卤素灯均在高温工作，灯泡也较小，用的是比较坚硬的玻璃壳，其寿命比钨丝白炽灯要高两倍。
③日光灯，一般日光灯用低压放电可以产生11000-13000K的高温，目前日光灯可以用的材料有汞即水银和钠，汞灯释放紫外线故多用于一般日光灯，灯管涂上荧光分以产生白光。
④低压钠灯，用钠代替汞可以得到含有589nm及589.6nm的黄光但是钠熔点比汞熔点高，也比汞活泼，要用抗钠玻璃。
大部分应用在街道级公路上。
⑤高压汞灯，高压汞灯的一般功率变成热，所以效率不高，但是温度稳定性极佳，大部分应用在街道照明及商用建筑的照明。
⑥高压钠灯，可以产生50-1000W功率，演色性差不适合用于室内照明。
⑦金属卤化物灯，是在高压汞灯中加入了其它金属，这样可以改进发光效率及演色性。
1.2LED照明发展简介
LED即LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写。
即：
光线激发二极管，属于一种半导体元器件。
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
现在照明光源已逐渐由白炽灯发展为日光灯，而以后的希望，就将是白光LED。
LED技术可以应用在普通照明、背光照明、道路交通、招牌和显示屏、农业、渔业、医学以及通信等领域[1]。
应用半导体PN结发光源原理制成LED问世于20世纪60年代初，1964年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色LED。
直到1994年蓝色、绿色LED才研制成功。
1996年成功开发出白色LED。
LED以其固有的特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。
但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源大面积推广。
近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。
高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。
LED照明的变革将扩展人们的照明观念，更加体现节能化、健康化、艺术化和人性化的发展趋势[2]。
1.3LED优点
（1）发光效率高。
LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。
目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。
（2）耗电量少，LED单管功率0.03-0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5-3.5伏，电流15-18毫安，反应速度快，可在高频操作。
（3）使用寿命长，采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。
而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。
平均寿命达10万小时。
（4）安全可靠性强，发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：
能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。
（5）有利于环保，LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。
光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。
2照明用LED主要技术特性
LED是利用化合物材料制成PN结的光电器件。
它具备PN结结型器件的电学特性、光学特性。
2.1LED的电学特性
I-V特性：
表征LED芯片PN结性能主要参数。
LED的伏安特性具有非线性和单向导电性，即外加正向偏压表现为低电阻，反之为高电阻。
如图1所示。
图1伏安特性曲线
（1）正向死区（图1中的oa段或o’a’段）。
a点电压Va点对于o点电压Vo为开启电压，当V开启电压对不同的LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。
（2）正向工作区，工作电流IF与外加电压呈指数关系：
（1）
式中：
IS为反向饱和电流。
在V>VF的正向工作区，IF随VF的增大呈指数规律上升：
（2）
正向电流IF是指LED正常发光时的正向电流值，在实际使用时应该根据需要选择IF的值的大小，在0.6IFm（IFm为正向工作电流最大值）以下。
正向工作电压VF是在给定正向电流下得到的，一般在
时测得的。
LED的正向工作电压VF为1.4-3V。
在环境温度升高时，正向工作电压VF将下降。
（3）反向死区，V<0时，PN结加反响偏压。
（4）反向击穿区，V<-VR，VR为反向击穿电压。
与VR对应的电流IR为反向漏电流。
当反向偏压一直增加到使V<-VR时，IR将突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。
允许功耗P：
假设流过LED的电流为IF管压降为VF则LED的功率消耗为
。
当LED工作时，若外加偏压、偏流一定，则会促使PN结内的一部分载流子复合发光，还有一部分变为热能，使节温升高。
若节温为Tj外部环境温度为Ta，则
时，LED内部的热量借助管座向外释放，散发的热量可以表示为
。
响应时间：
响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间。
响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。
2.2LED的光学特性
发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。
半导体的光学特性[4]及其材料性能可以用于发光照明。
LED光学特性：
①发光法向光强及其角分布Iθ：
发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。
LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性。
位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。
当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。
发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。
发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。
它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）。
②发光峰值波长及其光谱分布：
LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及PN结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。
③光通量：
光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。
F为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。
随着电流增加，LED光通量随之增大。
可见光LED的光通量单位为流明（lm）。
④发光效率和视觉灵敏度：
它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高，指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。
⑤发光亮度：
亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。
指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2或Nit（尼特）。
⑥寿命：
LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。
器件老化程度与外加恒流源的大小有关。
3照明用白光LED技术
从LED出现以来，人们一直在努力实现固体光源。
随着LED制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，发白色光的LED固体光源性能不断完善并进入实用阶段。
能量效率更高、功能更强的新型LED固态发光（SSL）产品的发展很快，被认为是照明市场上的主要革命性进步[3]。
白光LED的出现，使高亮度白光LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场。
发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。
其发光体晶片的面积为10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前国际上出现大晶片LED，晶片面积达40mil。
其发光过程包括三部分：
正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。
微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。
电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。
光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。
由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。
目前，已商品化的白光LED多是二波长，即以蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉混合产生白光。
未来较被看好的是三波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等市场。
LED照明光源的主流将是高亮度白光LED。
3.1白光LED技术原理
所谓白光是由多种颜色混合而成的光。
人类眼睛所能见到的白光形式至少需两种光混合如二波长（蓝光+黄光）或三波长（蓝光+绿光+红光）。
目前是二波长蓝光单芯片加上YAG黄色荧光粉，在未来较看好的是三波长光，以无机紫外光芯片加R、G、B三基色荧光粉。
未来三波长LED的应用将取代荧光灯、节能灯，白光LED的市场将是巨大的，LED节能照明也将得到更加广泛、深入的应用。
白光LED的特性：
在白光LED设计中，通常在发射蓝光的InGaN的基料上覆盖转换材料于是得到混合的白光。
白光是不同波长的光的混合，所以，白光LED不可能有一个特定的波长，可用色坐标定义白光LED。
在白光LED数据中，色坐标随正向电流增大而变化。
正向电流的变化可以改变白光的质量。
当正向电流高至101mA时，正向电压的变化很大，变化量的范围大约在800mV（部分白光LED的变化会更大）。
白光LED工作电压的变化改变其发光色彩，是因为工作电压的变化改变了正向电流。
对于不同的白光LED，其电流、电压特性也呈现出很大的差异。
白光LED的发光效率和演色评鉴指数：
光源的发光效率（K），能量效率是指输入功率W转换成光量子的百分比；发光效率用K（lm/W）表示。
波长为
时单一波长的发光效率
可由式表示为
。
演色评鉴指数Ra，演色评鉴方法依照CIE的规定执行。
一般照明用白炽灯可分为日光灯（色温为6500K）与灯泡（色温为2850K）两种。
这两种不同色温的白炽灯的色温值都落在CIE所制定的条例轨迹上，即使是荧光灯的色度值也需要按照CIE的规定。
一般
是高效率白光LED的基本条件，室内装潢照明和阅览书籍时的Ra则需要大于95。
表1白光LED的种类及发光原理
芯片数
激发源
发光材料
发光原理
1
蓝光LED
InGaN/YAG
InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光
蓝光LED
InGaN/荧光粉
InGaN的蓝光激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发光
蓝光LED
ZNse
由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混合成白光
紫外LED
InGaN/荧光粉
InGaN的紫外光激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发光
2
蓝光LED
黄绿LED
InGaN
GaP
将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白光LED
3
蓝光LED
绿光LED
红光LED
InGaNAlInGaP
将发三原色的三种小片封装在一起，构成白光LED
多个
多种光色LED
InGaN
GaPAlInGaP
将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白光LED
目前白光LED产品发光原理如表1。
其中主要以两种方式发光。
以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG荧光物质，利用蓝光LED照射次荧光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可以得出肉眼所需的白光。
照明用白光LED的开发基础在于蓝光技术。
蓝光LED基片安装在碗形发射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层200-500nm。
蓝光LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄色光混合，可以得到白色光。
对于InGaN-YAG白光LED改变YAG的化学成分和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。
结构如图2所示。
1：
LED芯片发蓝光
2：
LED荧光粉发黄光
图2LED封装结构图
3.2照明用白光LED技术要求
（1）要有高的发光效率。
照明用白光LED不同于传统的LED产品，在技术性能指标上有一些特殊要求。
光通量：
照明的白光功率LED希望达到1Klm。
不过光通量为0.1Klm和0.01Klm的功率的功率LED也能满足要求不高的照明需要。
由于白炽灯的效率较低，仅为8lm/W，所以一个15W白炽灯的光通量与5W（25lm/W）的白光功率LED器件相当。
发光效率：
目前产业化产品已从15lm/W提高到25lm/W，研究水平为32lm/W，最高已达到44.3lm/W。
色温：
为2500-6000K，最好在2500-3500K。
显色指数Ra，最好达到100至少应该大于80。
稳定性：
用于照明的白光LED的波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照场合的要求而定。
（2）光的分配必需均匀，并能有效的控制，可以开关或改变强度而不影响其寿命。
（3）相关色温或简称色温，一般白炽灯的色温在2850K，使人感觉轻松与舒适，适用与卧室等处；办公室所用所用光源色温在4000-5000K，是柔和的白光；白天的光色温约6500K，适合与工厂，所以一般色温都应该在这些范围内。
（4）品质因数FOM。
用品质因数FOM值可以比较不同官员的实际价值。
（3）
其中，
是观点转换效率；K是发光效率；
是斯托克斯位移效率，也就是当光由另一波长转换的效率，当光波长405nm转换为540nm时，
。
表2中列出用不同波长产生白光时的FOM以及与470nm相对的FOM值。
表2在不同波长LED上添加荧光粉所产生白光的特性
芯片主波长/nm
470
405
380
相对于470nm晶片的电光转换效率
1.0
1.5
1.0
发光效率/（nm/W）
330
330
300
斯托克斯频移
0.80
0.75
0.70
品质因数
264
369
210
相对于470m波长时的品质因数变化
0%
+40%
-20%
3.3白光LED驱动电路技术
白光LED是照明领域的主流，其驱动电路技术至关重要。
驱动器相当于白光LED供电的特殊电源，可以驱动正向压降为3.0-4.3V的白光LED，并根据需要驱动串联、并联或串并联的多个白光LED，满足驱动电流的要求。
3.3.1白光LED驱动器的要求及分类
驱动器的主要要求：
驱动器应有升降压功能，以满足电池供电的要求；应该有高的功率转换效率；在多个白光LED串联时，要求白光LED的电流相匹配，是亮度均匀；功耗低，静态电流小，并具有关闭控制功能，在关闭状态时一般静态电流应该小于1
；白光LED的最大电流可以设定，使用过程中可以调节光的亮度；有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、输出开路或短路保护；小尺寸封装，并要求外围组件少而且小，所占印制板面积小；对其它电路的干扰影响小；使用方便，加为低。
从供电电压，一般将驱动器分三类，由电池供电，电压一般低于5V，主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率的白光LED，它主要采用升压式DC/DC变换器或升压式（升降压式）电荷泵变换器，少数采用LDO电路的驱动器；大于5V供电，有稳压电源或蓄电池供电，它主要用于降压式或升降压式DC/DC变换器；直接由市电110V或220V或相应的高压直流40-400V供电，主要用于驱动大功率白光LED，采用升压式DC/DC变换器驱动电路。
电荷泵式驱动器可数去的电流已从几百毫安升到1.2A，并且两者在转换效率上也不相上下。
对于采用LDO电路的驱动器，不用外围期间和价格低，为优点，但是转换效率略低，并且电池常不能用到终止放电电压就要充电。
这种驱动器主要由于1节锂离子电池的场合，并且学要用正向电压低的白光LED。
可以用白光LED驱动电源的集成器件品种较多，大致分为恒流源、电荷泵和开关电源三种类型[9]。
3.3.2常见典型白光LED驱动电路
白光LED驱动电路的特点是：
白光LED的正向电压VF非常高，VF本身具有一定的波动范围，全开工作时会使白光LED的耗电量增加，电源电压变化会影响白光LED的亮度。
为了使白光LED能稳定工作，且不受电压VF波动及电源电压波动影响，所以必须使用专门为驱动白光LED而设计的DC/DC变换器。
DC/DC变换器有电感是DC/DC变换器及电荷泵式DC/DC变换器两大类[10]。
最近几年行动电话、PDA等可携式电子产品的液晶显示器逐渐从黑白银幕更换成彩色银幕，由于液晶本身不会发光所以液晶显示必需利用背光照明单元显示银幕的信息。
可携式电子产品的背光照明单元基于耗电性等考虑，因此白光LED正当快速取代传统灯泡，成为背光照明单元主要发光组件。
为了使白光LED点灯必
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