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LED設計八大經典問答
2014/11/1 10:52:32

  本人收集了LED應用設計中一些經典性的基礎問題分享給大家。其中涉及到內容有單個LED的流明效率與用LED作光源構成的燈具的流明效率異同分析,LED的結溫原理及結溫升高會對LED產生的影響問題,靜電破壞的原理以及列舉一些類型的LED容易受靜電破壞導致失效,探討LED路燈防雷能用一個壓敏電阻的問題,解讀設計高品質LED驅動電路的方法和選擇和設計LED驅動電源時要考慮哪些因素等問題。

  問:單個LED的流明效率與用LED作光源構成的燈具的流明效率有什么異同?

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

  但是,作為一個燈具,不論LEDPN結上實際加上的功率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(如穩壓器、穩流源、交流整流成直流電源部分等)所消耗的功率。燈具中,驅動電路的存在使它的流明效率比測試單個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驅動電路就顯得極為重要。

  問:什么是LED的結溫?結溫升高會對LED造成什么影響?

  答:LED基本結構是一個半導體的PN結。當電流流過LED器件時,PN結的溫度將上升,嚴格意義上說,就把PN結區的溫度定義為LED的結溫。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溫。

  當PN結的溫度(例如環境溫度)升高時,PN結內部的雜質電離加快,本征激發加速。當本征激發產生的復合載流子的濃度遠遠超過雜質濃度時,本征載流子的數量增大的影響較之遷移率減小的半導體電阻率變化的影響更為嚴重,導致內量子效率下降,溫度升高又導致電阻率下降,使同樣IF下,VF降低。如果不用恒流源驅動LED,則VF降將促使IF指數式增加,這個過程將使LEDPN結上溫升更加快,最終溫升超過最大結溫,導致LEDPN結失效,這是一個正反饋的惡性過程。

  PN結上溫度升高,使半導體PN結中處于激發態的電子/空穴復合時從高能級向低能級躍遷時發射出光子的過程發生退化。這是由于PN結上溫度升高時,半導體晶格的振幅增大,使振動的能量也發生增加,當它超過一定值時,電子/空穴從激發態躍遷到基態時會與晶格原子(或離子)交換能量,于是成為無光子輻射的躍遷,LED的光學性能退化。

  另外,PN結上溫度升高還會引起雜質半導體中電離雜質離子所形成的晶格場使離子能級裂變,能級分裂受PN結溫度的影響,這就意味著由于溫度影響晶格振動, 使其晶格場的對稱性發生變化,從而引起能級分裂,導致電子躍遷時產生的光譜發生變化,這就是LED發光波長隨PN 結溫升而變化的原因。

  綜上所述,LEN PN結上的溫升會引起它的電學、光學和熱學性能的變化,過高的溫升還會引起LED封裝材料(例如環氧、熒光粉等)物理性能的變化,嚴重時會導致LED失效,所以降低PN結溫升,是應用LED的重要關鍵所在。

  問:什么是靜電破壞?哪些類型的LED容易受靜電破壞導致失效?

  答:靜電實際上是由電荷累積構成。人們在日常生活中,特別在干燥天氣環境中,當用手去觸摸門窗類物品時會感覺“觸電”,這就是門窗類物品靜電積累到一定程 度時對人體的“放電”。對于羊毛織品、尼龍化纖物品,靜電積累起來的電壓可高達一萬多伏特,電壓十分高,但靜電功率不大,不會威脅生命,然而對于某些電子器件卻可以致命,造成器件失效。

  LED中用GN基構成的器件,由于是寬禁帶半導體材料,它的電阻率較高,對于InGaN/AlGaN/GaN的雙異質結藍色光LED,其InGaN的有源 層的厚度一般只有幾十納米,再由于這種LED的兩個正、負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,這一靜電電壓會將PN擊穿, 使其漏電增大,嚴重時PN結擊穿短路,LED失效。

  正因為存在靜電威脅,對于上述結構的LED芯片和器件在加工過程中對加工廠地、機器、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:LED路燈防雷能用一個壓敏電阻嗎

  答:關于路燈的防雷設計并非是一個簡單的問題。首先要了解你的路燈系統方案全貌架構,如采用AC-->開關電源-->恒流源 -->LED光源的方案,那么,你應該首先考慮開關電源的防雷,雷擊的侵入往往是由AC電線導入的,先被侵害的主體應該是開關電源,經開關電源輸出 的直流電壓理論上是一干凈的電源,至此雷擊對恒流源的影響已經很小了。LED路燈一般是買現成的開關電源來配套,因此你在選用時特別選購能防雷擊的開關電 源,即在開關電源的輸入端已設置防雷擊電路。

  問:隔離型與非隔離型驅動方案各有何優缺點?應用中如何選擇?

  答:所謂隔離,是指輸入與輸出間沒有直接的電氣連接關系,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,因此相對電路較復雜、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,相對電路較簡單,因而成本也相對較低。

  由于電路上差異較大,大多數的芯片都不具備同時實現兩種方案的可能。從恒流精度上看,隔離型可以做到±5%以內,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(特別是驅動與光源一體的燈具),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 由于受到結構和空間的制約,仍還用非隔離型方案。在低壓供電的LED燈具中,以效率和成本優先的原則,非隔離型方案是最佳的選擇。

  問:LED被靜電擊穿的原理和過程是怎么樣的?會有何影響?

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

  這個擊穿LED的靜電能量它并非就是一個高壓,學術的講是一個能量,它取決于電荷的量和的時間長短這兩個核心系數。放電剎那的時間越短威力越大,電荷越多威力也越大。靜電擊穿LED是個非常復雜的過程,因此,測試LED抗靜電時的模擬設計也是一項很復雜、很嚴謹的測試。

  被靜電擊損后的LED如果是比較嚴重的往往是死燈、漏電。輕微的靜電損傷,LED一般沒有什么異常,但此時,該LED已經有一定的隱患,當它受到二次靜電損傷時,那就會出現暗亮、死燈、漏電增大啦。

  問:如何設計高品質LED驅動電路?

  答:LED光源是一種長壽命光源,理論壽命可達50000小時,但應用電路設計不合理、電路元器件選用不當、LED光源散熱不好,都會影響它的使用壽命。 特別是在應用電路里,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小時以下,這就成了制造長壽命LED燈具技術的攔路虎,設計 生產可在應用電路里省去電解電容器的新一代LED驅動IC是可行的解決方案。

  此外,對新一代LED驅動IC的設計必須打破傳統的DC/DC拓撲結構設計理念,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 素燈電子變壓器所產生的燈源閃爍和多燈并聯不亮問題等等;還必須解決LED驅動IC在多種應用電路中能過EMC、安規、CE、UL等認證;應用電路應力求 簡潔、使用元器件少;隔離與非隔離的應用歷來是商家在安全與效率之爭焦點;提高PWM控制器的占空比等等。

  問:選擇和設計LED驅動電源時要考慮哪些因素?

  答:LED驅動電源是把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動LED發光的電壓轉換器,通常情況下:LED驅動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驅動電源的輸出則大多數為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。根據電網的用電規則和LED驅動電源的特性要求,在選擇和設計LED驅動電源時要考慮到以下幾點:

  1.高可靠性:特別像LED路燈的驅動電源,裝在高空,維修不方便,維修的花費也大。

  2.高效率:LED是節能產品,驅動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內的結構尤為重要。因為LED的發光效率隨著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,在燈具內發熱量就小,也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

  3.高功率因素:功率因素是電網對負載的要求。一般70瓦以下的用電器,沒有強制性指標。雖然功率小的單個用電器功率因素低一點對電網的影響不大,但晚上大家點燈,同類負載太集中,會對電網產生較嚴重的污染。對于30瓦~40瓦的LED驅動電源,據說不久的將來,也許會對功率因素方面有一定的指標要求。

  4.驅動方式:現在通行的有兩種:一種是一個恒壓源供多個恒流源,每個恒流源單獨給每路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,但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電,LED串聯或并聯運行。它的優點是成本低一點,但是靈活性差,還要解決某個LED故障,不影響其他LED運行的問題。這兩種形式,在一段時間內并存。多路恒流輸出供電方式,在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向。

  5.浪涌?;ぃ篖ED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力。加強這方面的?;ひ埠苤匾?。有些LED燈裝在戶外,如LED路燈。由于電網負載的啟 甩和雷擊的感應,從電網系統會侵入各種浪涌,有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入,?;ED不被損壞的能力。

  6.?;すδ埽旱繚闖順9嫻謀;すδ芡?,最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋,防止LED溫度過高。

  7.防護燈具外安裝型,電源結構要防水、防潮,外殼要耐曬。

  8.驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配。

  9.要符合安規和電磁兼容的要求。

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