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LED照明设计基础
LED照明设计基础
CYBERNET应用系统事业部市泽俊介2009/12/17
LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。
仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。
本文主要从电子电路、热分析、光学方面对LED照明进行介绍，首先介绍LED照明设计。
序
随着近年来人们对环境关注度的提高，LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。
展会上，只要是与LED照明有关的展位都是人头攒动，同时，LED照明也更多的出现在我们的日常生活中。
一般家庭能够消费的LED灯都是由各大照明制造商销售的灯泡型LED灯。
另外，很多公司也都陆续研发出了荧光灯型的LED灯。
在这种情况下，势必有更多的公司参与到LED照明行业中。
LED灯与白炽灯、荧光灯等传统光源有着不同的特性。
仅仅依靠LED封装并不能制作出良好的照明灯具。
为了设计出更好的LED照明灯具，必须对LED进行区别于传统光源的正确的光学设计。
本文围绕LED照明灯具的设计进行介绍。
具体来说主要是从电子电路、热分析、光学方面进行说明。
首先是LED照明概要及其与迄今为止的光源的区别。
LED照明
用于照明的LED大多是白色。
LED照明很大程度上依赖蓝光LED芯片的发明和发光效率的提高。
实现白光LED主要有两种方式。
一种是使用LED芯片和荧光粉，另外一种是使用RGB3色LED芯片。
目前主要是采取第一种方式。
使用荧光粉一般都是在蓝色LED芯片上涂覆黄色荧光粉。
从LED芯片中发出的蓝色光遇到荧光粉时，部分光转换为黄色光。
这部分转换的黄色光和蓝色光参杂在一起，就变成了白色光。
通过调整荧光粉的量可以控制白光LED的色温，因此发光颜色在制作时就已经决定，后期不能调整。
同时，混合蓝色光和黄色光的话，由于红色和绿色的成分不足，造成显色性不佳。
这样，可以通过在蓝色LED芯片中参杂红色和绿色荧光粉或者是在紫外LED芯片中参杂RGB荧光粉，来提高其显色性。
使用RGB3色LED芯片的优势在于RGB可以调整各种色度，所以不仅能够产生白光，还能产生其他各种颜色的光。
但是，LED芯片使用量增大，成本也就会上升。
LED照明的优势及其与迄今为止的其他光源的区别
接下来就LED照明与白炽灯、荧光灯等传统光源的区别，从热、电、光的特性方面进行分析。
-热的特性
虽然LED发热很少，但是由于LED照明中，需要使用多颗数瓦级的LED，所以就会产生很高的热量。
虽然LED效率比较高，但是高效率仅支持在微小电流中的运行。
大电流、高温状态下，效率较低。
另外，荧光粉型的LED，在转换波长的时候会损失能量，从而产生热量。
持续高温就会导致LED芯片、荧光粉、封装树脂寿命降低。
因此，为了使LED的“高效率”、“长寿命”的优势保持下去，就必须控制LED的结温。
-电的特性
LED电源与白炽灯、荧光灯有很大的区别。
白炽灯可以直接连接到220V的交流电上。
荧光灯虽然有镇流器和转换开关，但也使用220V的交流电。
而LED的电源则需要直流的恒定电流，所以需要将220V的交流转换为直流。
电源的效率不高将直接影响到整个照明灯具的效率，因此提高电源效率对于提高LED照明效率来说显得尤为重要。
调节LED光的方法主要有两种。
一种是改变恒定电流，一种是改变脉冲调制。
LED是电子与空穴再结合时发光，光束依赖于电流。
电流小的情况下，光束和电流基本是成正比的，但当LED电流增大，热量随之增大，导致发光效率变低，光束和电流就不成正比了。
在改变脉冲占空比的方法中，由于Talbot-Plateau效应（反复接受瞬间闪光后，人眼会感受到反复时间内的平均亮度），可以根据脉冲占空比改变亮度。
-光特性
与白炽灯和荧光灯相比，1颗LED发出的光比较少，所以需要使用多颗LED。
同时，由于LED的发光面积小，亮度高，人眼直视的话很容易眩晕。
为了降低亮度，需要使用扩散板。
但是，使用扩散板的话，光向各个方向发散，降低了光的效率。
LED、白炽灯、荧光灯的配光分布各不相同。
所谓配光分布是指光源的方向以及各方向的发光强度。
即使是相同光束的光源，如果配光分布不同，照度分布也会不同。
有时也会出现本来想要照射的地方照度减小，其余部分反而照度增加的情况。
要减少光的浪费，控制配光分布，需要使用透镜和反光镜。
LED本身就具有发光面积小、光的放射范围在半球内、配光分布旋转对称等优点，再加上透镜和反光镜，就能构成一个好的光源。
其他在光源属性中，还有光谱。
LED的发光光谱集中在特定波长的一个很窄的范围，不放射红外线。
因此，在不想使照射物变热的时候，使用LED较好。
但是，LED自身会发热，所以需要注意防止其导热。
另外还需要注意，荧光粉类型的LED，温度变化，色温也会随之变化。
总结：
LED照明设计
LED照明灯具备受期待的原因就是节能、使用寿命长。
确实，与白炽灯相比，目前的球泡型LED灯效率更高。
但是荧光灯与LED照明灯具相比，还是荧光灯较高。
这是因为，虽然单独的LED芯片比荧光灯效率高，但是由于发热降低了发光效率，交流电转换成直流电时，电源效率变低以及由于配光分布变换和使用扩散板导致光效降低，进而造成整个LED照明灯具的效率下降。
因此，为了实现LED的节能，长寿命，必须对热、电、光进行各种设计。
单纯依靠LED封装并不能发挥LED的优势。
要做与迄今为止的设计不同的设计需要些什么？
怎样才能找出灯具效率下降的原因？
是不是即使多次返工也很难找出原因？
并且还花更多时间和成本。
要将产品更早的投放市场需要怎么做？
使用电脑仿真能有效的解决这些问题。
使用电脑仿真进行设计称为CAE（ComputerAidedEngineering）。
下一期将围绕怎样使用CAE软件对LED照明灯具进行热、电、光设计进行说明。
LED照明设计基础
（2）
（摘自MONOisthttp:
//monoist.atmarkit.co.jp/feledev/articles/led/02/led02a.html）（CCS编译）
LED照明设计中不可或缺的“热解决方案”
CYBERNET机械部增田俊辅2010/1/29
LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。
仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。
本文主要从电子电路、热分析、光学等方面对如何运用LED特性的设计进行解说。
序
近年来，随着电子产品的高密度、高集成度，热解决方案的重要性越来越高，LED照明也不例外，也需要热解决方案。
虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大，但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去，光源的发热少；而LED，除了作为可视光消耗的能量，其它能量都转换成了热。
另外，由于LED封装面积小，通过对流和辐射的散热少，从而积累了大量的热。
热解决方案是？
接下来来考虑怎么制定热解决方案。
热解决方案简单的说就是解决因为热产生的各种问题。
主要有：
∙1.因为热膨胀导致弯曲和龟裂
∙2.电子电路的运行障碍
∙3.材料品质恶化
除此之外，也会担心如果发热会不会损坏设备？
为了避免这些问题，要尽量控制电子设备的温度，也就是说有效散热很重要，重点是考虑机器的使用环境和安装方法制定最佳的热解决方案。
下面列举了由热导致的问题。
后半部分以LED灯为例，就LED相关的解决方案进行解说。
由热导致的问题
1.因为热膨胀导致弯曲和龟裂
电子设备由多个零件构成，每个零件的材质都不一样，热胀冷缩的尺度也不一样。
因此，当各种材质组合在一起的时候就有可能使材质发生弯曲，膨胀时，产品在连接处因为应力过多就会产生龟裂。
2.电子电路的运行障碍
一般来说，作为热源的半导体元件，有这样一个特性，即当电子设备中的半导体元件温度上升，电的阻抗就会变小。
这样就容易陷入“温度上升－阻抗下降－电流增加－热增加－温度上升”的恶性循环，进而容易发生烧断的现象。
3.材料品质的恶化
一般说来，电子设备中使用的材料容易氧化，温度越高氧化越快，如果让这些材料反复经过高温氧化，就会缩短其寿命。
同时，反复加热，材料多次膨胀，多次冷缩，会降低材料的强度，从而破坏了材料。
LED的热解决方案
下面以LED灯为例，具体讨论LED的热解决方案。
要避免电子设备的发热有多种方法。
比如，加散热器，在热源周围安置能提供冷气的风扇。
前者是通过增加散热面积，来增加散热的通道，后者是使热不在热源周围聚集。
但是，正如图1LED灯的概括图所示，LED封装时不能直接连接散热器，也没有安装风扇的位置。
而且内部电源电路板也会产生热量，因此LED灯的散热问题可以说是一个非常棘手的问题。
这样，如何有效使用LED安装材质和散热器就变得很重要。
图1LED灯概括图
那么如何有效利用LED安装材质和散热器呢？
首先必须把握产生热的传热路径。
LED元件产生的热通过封装的导线向电路板移动，然后再通过散热器放热。
电源电路板产生的热也是如此，通过电路板周围的空气和填充材质，透过散热器向外部散热。
热解决方案中重要的是排除传热路径中阻碍传热的因素，比如可以考虑在传热路径中使用导热性能好的材质、扩大路径的断面面积（例如，粗的铜线比细的铜线更容易导热）、涂导热润滑剂使产品的连接部位不留空隙。
另外，即使通过这些提高了导热特性，但如果散热器不向外部散热，内部还是会聚集很多热。
因此也必须提高散热器表面的放热特性。
典型的方法就是在表面多安装几个散热片，扩大散热器的放热面积。
运用CAE工具，通过仿真验证热解决方案
CAE的运用
那么怎样验证热解决方法是否有效呢？
一种是通过实验测量温度，但是一旦条件改变就要重新测量，效率比较低。
因此需要使用CAE软件进行仿真。
图2运用ANSYS解析软件，在LED灯横向摆放时，对LED灯周围的热和空气的流动进行仿真。
（ⅰ）（ⅱ）是整个灯的温度分布图，红色部分代表温度高，蓝色部分代表温度低。
（ⅲ）（ⅳ）是灯与LED封装周边（盖子内部）的自然对流图，红色箭头部分表示对流速度快，蓝色部分表示对流速度慢。
与实际情况相比，这个例子只是一个非常简单的模型，但从某种程度上却能验证产品的温度分布和空气的自然对流。
从整个灯的温度分布来看，虽说盖子的温度低，其他部位温度高，但是某种程度上还是处于一个均等的温度分布。
这表面产生的热量大部分都转移到散热器上，而且传送路径中没有障碍。
散热器可以起到一个散热的作用，但是如果散热特性不好，整个灯的温度就会上升，因此必须注意散热器的形状（安装散热片的大小、形状、个数等）。
图2根据ANSYS进行热流体解析的结果图
仿真中需要解析对象的形状、产品特性、条件等各种信息，但是通过想要确认的信息可以区别简易解析模型和详细解析模型，从而有效把握想要验证的热解决方法的好坏。
例如，本例是对整个电灯的简易建模，并不能把握LED封装内部详细的温度分布，但是如果对该部分进行详细的建模，就能够确认元件实际的温度。
反复实验，通过仿真修改部分信息就可以简单的进行操作，例如容易把握散热器中散热片的形状和个数对温度的影响。
作为仿真用软件，可以直接使用CAD信息进行分析，可以在统一环境中对构造、导热、热流体等进行广泛的分析，而且可以进行各种组合分析。
在设计中不仅要考虑热的问题，其他因素也必须考虑，组合分析的难易是熟练进行仿真的一个关键点，这些我们在后面进行论述。
本次仅就热的问题进行了探讨，但也存在即使解决了热的问题，却不能解决光、电的问题的情况。
产品重在寿命长、无性能损坏、使用安全，因此我们的课题就是实现整体的最优化设计。
下次我们将针对电路和光学设计的问题展开讨论。
（摘自MONOisthttp:
//monoist.atmarkit.co.jp/feledev/articles/led/02/led02a.html）
（CCS编译）
LED照明设计基础（3）
（摘自MONOisthttp:
//monoist.atmarkit.co.jp/feledev/articles/led/03/led03a.html）（CCS编译）
CYBERNET应用系统事业部PrabhakarAbbigeri
LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。
仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。
本文主要从电子电路、热分析、光学方面对如何运用LED特性来设计进行解说。
LED
LED是电子二极管的一种，主要构造是PN结。
如图1，当向LED的两端施加电压，电子就会吸收能量并向价电子带转移，然后再将吸收的能量释放出来。
这个被释放出的能量就是光。
放出的光的波长和颜色是由半导体的电势差决定的。
图1LED运作原理
LED应用
LED具有发光效率高、寿命长、轻便、不含有害物质等优点。
高发光效率可以增加电池的使用寿命，对于随身携带的产品来说很适合。
LED的使用寿命是一般白炽灯的2～3倍（有些资料显示是40倍），因为寿命长而使用LED的一个典型例子就是交通信号灯。
另外，由于LED灯的反应速度非常快，所以也适合用于汽车的刹车灯。
LED灯具的设计自由度非常高，不仅能调节亮度，还能调节色度。
LED电子特性
LED具有一般硅二极管的类似特性，在正负极之间施加电压。
当外加电压达到一个临界值，LED中产生电流，开始发光。
当电压超过这个临界值时，电流急剧增加。
白色LED的临界电压值约3.5V。
红色、绿色、蓝色的LED临界电压值如表1所示。
图1LED灯概括图颜色
临界值
红
约2.0V
绿
约1.9～4.0V
蓝
约2.5～3.5V
白
约3.5V
我们用电路仿真来说明LED的电子特性以及驱动电路。
电路仿真是对LED和电阻等的电子设计进行建模并在计算机上模拟计算电路运行的一种简易方法。
这里使用的是Cadence公司的电路仿真PSpiceA/D。
同时使用了飞利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。
首先运用图2的电路来验证LED的电子特性。
要得到电压－电流特性，需要进行直流解析。
图2验证电压－电流特性电路
解析结果如图3所示
图3根据PSpiceA/D所得到的解析结果：
电压－电流特性
验证LXM3-PM71电压－电流特性的结果显示：
在3.0V情况下电流约354mA。
驱动电路
白炽灯采用的是电压驱动型电路设计。
LED是用电流驱动型电路设计，通过控制LED中的电流调节亮度和色度。
白炽灯和荧光灯等照明灯具中的电子驱动不能直接运用于LED照明灯具。
为了最大限度的发挥LED的特长，需要进行适合LED的驱动电路设计。
而且即使使用了发光效率很高的LED，如果驱动电路的效率不高，也会影响整个照明灯具的发光效率。
LED照明灯具设计大致分为下面3个阶段。
1.光学设计，2.热设计，3.LED驱动电路设计。
在这里先介绍LED驱动电路设计。
-电阻型驱动电路
下面介绍LED电阻型驱动设计的方法。
LED、电阻、直流电压源如图4所示连接起来。
以直流电压源的电压值和压降（正向电压）为基础，计算LED发光中相应电流的电阻值。
计算公式如下：
直流电压源－LED正向电压=驱动电阻值
LED电流
例如，在5V的电压源中驱动上述LXM3-PW71。
该LED的正向电压为3.0V，电流为350mA时，电阻应为5.71。
图4、图5表示电路仿真运算中的电路及其解析结果。
通过图5，可以看到LED中的电压大概为3.0V，电流约350mA。
图4电阻型驱动电路图5瞬态分析结果
-LED正向电压的偏差
该电路中不考虑作为LED电路的一个重要设计要素－正向电压的偏差。
LED电子设计特性中必定会有偏差，即使是同一型号的设计，分别进行测量的话也不能得到相同的特性。
偏差根据LED不同而有区别，正向电压中有偏差超过15％的情况。
LXM3－PW71的正向电压大概在4～2.5V之间波动。
这样，如果运用之前的电阻型驱动电路，LED的正向电压不同，电流也会有很大的变化。
大功率照明灯具通常情况下需要使用多颗LED。
只是单纯的串联这些LED，进行电阻驱动的话会出现电路不通的情况。
例如，串联3个LXM3-PW71，用12V做驱动，如果3颗LED同时拥有最大的正向电压，由于总电压是12V，就会因电压不足而不能运行。
而且即使电流相同，也并不是说所有的LED都一样发光。
并联LED也是如此。
那么有没有解决LED正向电压偏差问题的方法呢？
答案只有一个，对LED进行分级。
在设计制造过程中，各个不同的特性会引起偏差。
在同一条件（同一条生产线，同一天）下批量生产，同一批量制造的产品之间的误差通常比与其他批量制造的产品误差小很多。
LED分级是将同一型号的LED按照正向电压的偏差次序排列。
在LXM3-PW71的数据库中记录了对应正向电压的Bin表（图6）。
例如，使用BinCodeC的LED时，正向电压在2.79～3.03V之间。
图6正向电压相应的Bin表
-恒流源型驱动电路
调节LED的光度需要增减LED的电流。
由于人眼对光的感光度是对数关系，在调节电流时，电流的增减率与LED亮度呈指数函数变化。
因此电阻型驱动电路并不最适合于照明灯具。
即使电压有偏差，为了恒定电流也需要使用恒流源型驱动电路。
图7恒流源型驱动电路
图8是运用半导体和二极管恒定电流电路的例子。
供给电压值改变，为了保持半导体的基极的电位恒定（约1.2V），需要使用2个二极管（D1、D2）。
LED的电流连接发射极上的电阻。
计算可知，半导体的集电极和发射极电流基本相同。
本例中，为了使LED的电流维持在350mA，需要用到1.48欧姆的电阻。
图8简单的恒电流源型驱动电路
即使输入电压改变，二极管D1、D2的电压稳定，半导体的基极电位稳定，保证LED的电流为350mA。
通过电路检验使实际的输入电压在5V到24V之间变化。
检验结果如图9所示。
图9恒电流源驱动电路的电压变化验证结果
当输入电压在5V～24V之间变化时，二极管D1、D2的电压也会发生微小的变化。
从图9的中央波形可以看到，这个微小的变化出现在二极管的基极。
从最上面的波形读取LED中的电流及变化情况。
为了最大限度的发挥LED的优势，驱动电路设计中应采用PWM型驱动电路设计方法。
下一章节的『LED驱动电路设计－应用篇』,我们将主要围绕PWM型驱动电路进行讲解。
LED照明设计基础（4）
（摘自MONOisthttp:
//monoist.atmarkit.co.jp/feledev/articles/led/04/led04a.html）（CCS编译）
CYBERNET应用系统事业部
LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。
仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。
本文主要从电子电路、热分析、光学方面阐述了如何运用LED特性进行设计。
在上一期的“LED驱动电路设计－基础篇”中，介绍了LED的电子特性和基本的驱动电路。
遗憾的是，阻抗型驱动电路和恒电流源型驱动电路，大范围输入电压和大电流中性能并不强，有时并不能发挥出LED的性能。
相反，用脉冲调制方法驱动LED电路，能够发挥LED的多个优点。
这次主要针对运用脉冲调制的驱动电路进行说明。
PWM是什么？
脉冲调制英文表示是PulseWidthModulation，简称PWM。
PWM是调节脉冲波占空比的一种方式。
如图1所示，脉冲的占空比可以用脉冲周期、On-time、Off-time表示，如下公式：
占空比＝On-time（脉冲的High时间）/脉冲的一个周期（On-time+Off-time）
Tsw（一周期）可以是开关周期，也可以是Fsw=1/Tsw的开关频率。
图1PulseWidthModulation（PWM）
在运用PWM的驱动电路中，可以通过增减占空比，控制脉冲一个周期的平均值。
运用该原理，如果能控制电路上的开关设计（半导体管、MOSFET、IGBT等）的打开时间（关闭时间），就能够调节LED电流的效率。
这就是接下来要介绍的PWM控制。
PWM信号的应用
PWM控制电路的一个特征是只要改变脉冲幅度就能控制各种输出。
图2的降压电路帮助理解PWM的控制原理。
在这个电路中，将24V的输入电压转换成12V，需要增加负载。
负载就是单纯的阻抗。
电压转换电路的方法有很多，运用PWM信号的效果如何呢？
图2降压电路
在图2的降压电路中取PWM控制电路，如图3所示。
MOSFEL作为开关设计使用。
当PWM信号的转换频率数为20kHz时，转换周期为50μs。
PWM信号为High的时候，开关为On，电流从输入端流经负载。
当PWM信号处于Low状态时，开关Off，没有输入和输出，电流也断掉。
这里尝试将PWM信号的占空比固定在50％，施加在开关中。
开关开着的时候电流和电压施加到负载上。
开关关着的时候因为没有电流，所以负载的供给电压为零。
如图4绿色的波形、V（OUT）可在负载中看到输出电压。
图3运用PWM信号的降压电路
图4解析结果占空比：
50％
输入电压是直流，通过脉冲信号得到输出电压在负载的前端（开关的后端）插入平滑电路，就可以得到如图4所示的茶色的波形。
输出脉冲的平均值约12V时，直流电压可以供给负载。
但如果不是12V，而是想得到6V的输出电压时，应该怎么做？
PWM控制的优点实际就在此。
只需改变脉冲幅度就可以了。
实际上，只需设定占空比为25％就可以得到平均输出6V的电压。
图5和图6表示的是这种情况下的电路和解析结果。
图5运用PWM信号的降压电路
图6解析结果占空比约25％
以上结果标明，降压电路中，输入输出电压的关系可以表示为：
输出电压＝PWM信号的占空比×输入电压
也就是说只要改变PWM信号的占空比，就可以得到任意的输出电压。
接下来介绍在实际产品设计中运用降压转换器电路驱动LED的方法。
PWM驱动电路例子
如图7所示，在前述的降压电路中追加线圈、电容、二极管的电路。
在这里没有考虑反馈电路。
这里使用的是飞利浦照明的LUXEON系列的LXM3-PW71LED。
LED（负载）的前端插入的线圈和电容构成平滑电路，通过转换使得脉冲输出平均化。
线圈前端的二极管即使在开关关着的时候也能持续向线圈供给电流。
降压转换器通常作为电压转换电路使用，但是在驱动LED时，则需要控制电流而不是电压。
图7PWM驱动电路降压转换的例子
确认图7的电路构成。
当脉冲信号处于On的状态，也就是开关设计处于On的状态时，电流按照输入信号－开关－线圈－负载的顺序流动。
当开关设计处于Off的状态时，电流按照二极管－线圈－负载的顺序流动。
因此要控制线圈中的电流实际上等同于控制LED中的电流。
在正极和负极间施加3.0V的电压的话，可以从数据库中看到，LXM3-PW71的电流约350mA。
输入电压为12V时，设定脉冲波的占空比为25％（12V×0.25＝3V），就能得到3V的电压。
当转换频率数为100kHz时，转换周期为10μs，脉冲幅度为2.5μs。
但是，负载只在顺阻抗的情况下成立，实际在负载中运用LED时，根据电流大小负载特性也有变化，电流约为350mA时，脉冲幅度调制约为3.36μs。
验证电路的结果如图8所示。
图8PWM驱动电路的验证结果
LED中的电流发生变化，线圈中的电流也变化。
通过传感电路检测线圈电流的变化，只要控制开关的打开时间，就能够使得LED负载中的电流恒定。
增加PWM的占空比，就能增加LED中的电流，也能增加亮度。
比较阻抗驱动型电路和恒定电流源型驱动电路，改变PWM的占空比比改变阻抗值和电路常量更高效，也因此能了解PWM控制的便利性。
这次介绍的降压转换器运用于LED驱动中需要电压比输入电
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