工程師十年總結(jié)：LED設(shè)計經(jīng)典問題解答

　　近年來，LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度 方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場成為可能。

　　通過十多年對LED設(shè)計的潛心研究和學(xué)習(xí)。本人收集了LED應(yīng)用設(shè)計中一些經(jīng)典性的基礎(chǔ)問題分享給大家。其中涉及到內(nèi)容有單個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)溫升高會對LED產(chǎn)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(dǎo)致失 效，探討LED路燈防雷能用一個壓敏電阻的問題，解讀設(shè)計高品質(zhì)LED驅(qū)動電路的方法和選擇和設(shè)計LED驅(qū)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(gòu)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(guī)定的正向偏置，如加上IF＝20mA正向電流后（對應(yīng)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LED PN結(jié)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(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(qū)動電 路就顯得極為重要。

　　問：什么是LED的結(jié)溫？結(jié)溫升高會對LED造成什么影響？

　　答：LED基本結(jié)構(gòu)是一個半導(dǎo)體的PN結(jié)。當(dāng)電流流過LED器件時，PN結(jié)的溫度將上升，嚴(yán)格意義上說，就把PN結(jié)區(qū)的溫度定義為LED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，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)超過雜質(zhì)濃度時，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LED，則VF降將促使IF指數(shù)式增加，這個過程將使LED PN結(jié)上溫升更加快，最終溫升超過最大結(jié)溫，導(dǎo)致LED PN結(jié)失效，這是一個正反饋的惡性過程。

　　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)合時從高能級向低能級躍遷時發(fā)射出光子的過程發(fā)生退化。這是由于PN結(jié)上溫度升高時，半導(dǎo)體 晶格的振幅增大，使振動的能量也發(fā)生增加，當(dāng)它超過一定值時，電子/空穴從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)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(xué)性能退化。

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

　　綜上所述，LEN PN結(jié)上的溫升會引起它的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能的變化，過高的溫升還會引起LED封裝材料（例如環(huán)氧、熒光粉等）物理性能的變化，嚴(yán)重時會導(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：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：靜電實際上是由電荷累積構(gòu)成。人們在日常生活中，特別在干燥天氣環(huán)境中，當(dāng)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(dá)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(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，這一靜電電壓會將PN擊穿， 使其漏電增大，嚴(yán)重時PN結(jié)擊穿短路，LED失效。

　　正因為存在靜電威脅，對于上述結(jié)構(gòu)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(guān)于路燈的防雷設(shè)計并非是一個簡單的問題。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)電源來配套，因此你在選用時特別選購能防雷擊的開關(guān)電 源，即在開關(guān)電源的輸入端已設(shè)置防雷擊電路。

　　問：隔離型與非隔離型驅(qū)動方案各有何優(yōu)缺點？應(yīng)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(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(shù)的芯片都不具備同時實現(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。