• 大功率LED的散热设计(图)
  • 分析AC LED光源的原理及应用技术
  • 分析LED日光灯设计的四大关键技术
  • LED照明驱动电源电路设计技术应用
  • 浅谈LED驱动电源
  • 全面剖析LED灯具技术
  • LED散热技术

近年来,大功率LED发展较快,在结构和性能上都有较大的改进,产量上升、价格下降;还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。与前几年相比较,在发光效率上有长足的进步。例如,Edison公司前几年的20W白光LED,其光通量为700lm,发光效率为35lm/W。2007年开发的100W白光LED,其光通量为6000lm,发光效率为60lm/W。又例如,Lumiled公司最近开发的K2白光LED,与其Ⅰ、Ⅲ系列同类产品比较如表1所示。从表中可以看出:K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。Cree公司新推出的XLamp XR~E冷白光LED,其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107~114lm。这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。


前几年,各种白光LED照明灯具主要是采用小功率Φ5白光LED来做的。如1~5W的灯泡、15~20W的管灯及40~60W的路灯、投射灯等。这些灯具使用了几十到几百个Φ5白光LED,生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大,并且亮度不足。为改进上述缺点,这几年逐步采用大功率白光LED来替代Φ5白光LED来设计新型灯具。例如,用18个2W的白光LED做成的街灯,若采用Φ5白光LED则要几百个。另外,用一个1.25W的K2系列白光LED,可做成光通量为65lm的强光手电筒,照射距离可达几十米。若采用Φ5白光LED来做则是不可能的。

图1  结温TJ与相对出光率关系图


用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多,但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具,其一次性投资较高,但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。


目前主要采用1~3W大功率白光LED作照明灯,因为其发光效率高、价格低、应用灵活。

 

大功率LED的散热问题
LED
是个光电器件,其工作过程中只有15%~25%的电能转换成光能,其余的电能几乎都转换成热能,使LED的温度升高。在大功率LED中,散热是个大问题。例如,1个10W白光LED若其光电转换效率为20%,则有8W的电能转换成热能,若不加散热措施,则大功率LED的器芯温度会急速上升,当其结温(TJ)上升超过最大允许温度时(一般是150℃),大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中,最主要的设计工作就是散热设计。


另外,一般功率器件(如电源IC)的散热计算中,只要结温小于最大允许结温温度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散热设计中,其结温TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响:TJ越高会使LED的出光率越低,寿命越短。

图2  K2系列的内部结构


图1是K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系曲线。在TJ=25℃时,相对出光率为1;TJ=70℃时相对出光率降为0.9;TJ=115℃时,则降到0.8了。
表2是Edison公司给出的大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70%时与寿命的关系(不同LED生产厂家的寿命并不相同,仅做参考)。

图3  NCCWO22的内部结构


在表2中可看出:TJ=50℃时,寿命为90000小时;TJ=80℃时,寿命降到34000小时;TJ=115℃时,其寿命只有13300小时了。TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。

图4  LED与PCB焊接图

大功率LED的散热路径.
大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构。从这两图可以看出:在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫,它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。

图5  双层敷铜层散热结构


大功率LED是焊在印制板(PCB)上的,如图4所示。散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起,以较大的敷铜层作散热面。为提高散热效率,采用双层敷铜层的PCB,其正反面图形如图5所示。这是一种最简单的散热结构。

图6  散热路径图


热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED主要的散热路径是:管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。若LED的结温为TJ,环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为Tc(TJ>Tc>TA),散热路径如图6所示。


在热的传导过程中,各种材料的导热性能不同,即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC(LED的热阻)、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为:

RJA=RJC+RCB+RBA
各热阻的单位是℃/W。


可以这样理解:热阻越小,其导热性能越好,即散热性能越好。  

 

如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起,则RCB=0,则上式可写成:
RJA=RJC+RBA


散热的计算公式
若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的关系为:
RJA=(TJ-TA)/PD        (1)


式中PD的单位是W。PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为:
PD=VF×IF                      (2)


如果已测出LED散热垫的温度TC,则(1)式可写成:
RJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD                 
则RJC=(TJ-TC)/PD         (3)


RBA=(TC
-TC)/PD           (4)


在散热计算中,当选择了大功率LED后,从数据资料中可找到其RJC值;当确定LED的正向电流IF后,根据LED的VF可计算出PD;若已测出TC的温度,则按(3)式可求出TJ来。


在测TC前,先要做一个实验板(选择某种PCB、确定一定的面积)、焊上LED、输入IF电流,等稳定后,用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC
在(4)式中,TC及TA可以测出,PD可以求出,则RBA值可以计算出来。


若计算出TJ来,代入(1)式可求出RJA


这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的TJ小于要求(或等于)TJmax,则可认为选择的PCB及面积合适;若计算来的TJ大于要求的TJmax,则要更换散热性能更好的PCB,或者增加PCB的散热面积。


另外,若选择的LED的RJC值太大,在设计上也可以更换性能上更好并且RJC值更小的大功率LED,使满足计算出来的TJ≤TJmax。这一点在计算举例中说明。

 

各种不同的PCB
目前应用与大功率LED作散热的PCB有三种:普通双面敷铜板(FR4)、铝合金基敷铜板(MCPCB)、柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB。
MCPCB的结构如图7所示。各层的厚度尺寸如表3所示。

图7  MCPCB结构图


其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸及绝缘介质的导热性有关。一般采用35μm铜层及1.5mm铝合金的MCPCB。


柔性PCB粘在铝合金板上的结构如图8所示。一般采用的各层厚度尺寸如表4所示。1~3W星状LED采用此结构。


采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能,但价格较贵。

图8  散热层结构图

 

计算举例
这里采用了NICHIA公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下:
LED:3W白光LED、型号MCCW022、RJC=16℃/W。K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。


PCB
试验板:双层敷铜板(40×40mm)、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。


LED
工作状态:IF=500mA、VF = 3.97V。


按图9用K型热电偶点温度计测TC,TC=71℃。测试时环境温度TA =  25℃.
1.TJ计算
TJ=RJC×PD+TC=RJC(IF×VF)+TC

TJ=16℃/W(500mA×3.97V)
   +71℃=103℃

图9   TC测量位置图


2.RBA计算
RJA=
(TC-TA)/PD
   =(71℃-25℃)/1.99W
   =23.1℃/W


3.RJA计算
RJA=RJC+RBA

   =16℃/W+23.1℃/W
   =39.1℃/W
如果设计的TJmax=90℃,则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求,需要改换散热更好的PCB或增大散热面积,并再一次试验及计算,直到满足TJ≤TJmax为止。


另外一种方法是,在采用的LED的RJC值太大时,若更换新型同类产品RJC=9℃/W(IF=500mA时VF=3.65V),其他条件不变,TJ计算为:
TJ=9℃/W(500mA×3.65V)+71℃
  =87.4℃


上式计算中71℃有一些误差,应焊上新的9℃/W的LED重新测TC(测出的值比71℃略小)。这对计算影响不大。采用了9℃/W的LED后不用改变PCB材质及面积,其TJ符合设计的要求。

 

PCB背面加散热片
若计算出来的TJ比设计要求的TJmax大得多,而且在结构上又不允许增加面积时,可考虑将PCB背面粘在“∪”形的铝型材上(或铝板冲压件上),或粘在散热片上,如图10所示。这两种方法是在多个大功率LED的灯具设计中常用的。例如,上述计算举例中,在计算出TJ=103℃的PCB背后粘贴一个10℃/W的散热片,其TJ降到80℃左右。

图10  “∪”形铝型材


这里要说明的是,上述TC是在室温条件下测得的(室温一般15~30℃)。若LED灯使用的环境温度TA大于室温时,则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高,所以在设计时要考虑这个因素。若测试时在恒温箱中进行,其温度调到使用时最高环境温度,为最佳。


另外,PCB是水平安装还是垂直安装,其散热条件不同,对测TC有一定影响,灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。因此,在设计时要留有余地。

 

结束语
采用一定散热面积的PCB、装上LED的试验板,在LED工作状态下测出TC再计算的方法来作散热设计是一种简便、有效的方法,可以较好地设计出满足结温TJmax要求的散热结构(PCB材质及面积)。


这种散热设计方法除适用于大功率白光LED的照明灯具外,也适用于其他发光颜色的大功率LED灯具,如警示灯、装饰灯等。


 LED光源作为绿色、节能、省电、长寿命的第四代照明灯具而异军突起、广受关注、如火如荼地迅速发展。目前的LED光源是低电压(VF=2→3.6V)、大电流(IF=200→1500mA)工作的半导体器件,必须提供合适的直流流才能正常发光。 直流(DC)驱动LED光源发光的技术已经越来越成熟,由于我们日常照明使用的电源是高压交流(AC 100220V),所以必须使用降压的技术来获得较低的电压,常用的是变压器或开关电源降压,然后将交流(AC)变换成直流(DC),再变换成直流恒流源,才能促使LED光源发光。因此直流驱动LED光源的系统应用方案必然是:变压器+整流(或开关电源)+恒流源(图1)。

         LED灯具里必然要有一定的空间来安置这个模块,但是对于E27标准螺口的灯具来说空间十分有限,很难安置。无论是经由变压器+整流或是开关电源降压,系统都会有一定量的损耗,DC LED在交流、直流之间转换时约15%30%的电力被损耗,系统效率很难做到90%以上。如果能用交流(AC)直接驱动LED光源发光,系统应用方案将大大简化,系统效率将很轻松地达到90%以上。


  

 1:直流驱动LED光源的系统应用方案

        韩国公司早在2005年已发明可以用交流直接驱动使其发光的AC LED,其次是美国 III-N Technology3N技术开发MOCVD生长技术基础上的氮化镓衬底,可以增进照明和传感器的应用,并降低成本和提高生产效率。对大大小小的硅发光二极管提供6英寸生产技术。3N发明的单芯片交流发光二极管(AC LED ,建立了全面的专利组合,以保护和改善技术,牢固地确立其专有的立场,是首屈一指的大规模商业化生产的交流发光二极管产品。

        中国台湾工业技术研究院”2008年也完成可产业化生产并有实际应用系统方案的AC LED产品,可直接插电于60Hz或更高频率的AC 110V 交流压使其交流发光,应用于指示灯、霓虹灯、低瓦数照明灯,能有效解决现有 LED 无法直接在交流源下使用,造成产品应用成本较高的缺点。台湾工研院的On Chip AC LED(片上AC LED)因此获得素有美国产业创新奥斯卡奖之称的2008R&D 100 Award大奖。现在全世界只有美国、韩国与中国台湾有此技术,台湾工研院开发出白光、蓝光及绿光AC LED的制程技术,不仅与国际同步,也是全球领先者之一。

         AC LED灯具的优点

         与白炽灯、卤素灯、荧光日光灯、荧光节能灯、直流LED灯相比,AC LED灯具有更节能省电、更长寿、更有能效的高性价比。AC LED发光省去了成本不菲的AC/DC转换器和恒流源。交流LED与现有的照明灯具性能比较如表1所示。


1:交流LED与现有的照明灯具性能比较

         AC LED光源超细晶粒采用特殊交错的矩阵排列

  AC LED光源的重大技术突破是超细LED晶粒在封装时的特殊排列组合技术,同时利用LED PN结的二极管特性兼作整流,半导体制程在其中扮演着相当重要的角色。AC LED通过半导体制程整合成一堆微小晶粒,采用交错的矩阵式排列工艺,并加入桥式电路至芯片设计,使AC电流可双向导通,实现发光。晶粒的排列如图2所示,左图是AC LED晶粒采用交错的矩阵式排列示意图,右小图是实际AC LED晶粒排列照片,AC LED晶粒在接上交流后通体发光,因此只需要二根引线导入交流源即能发光工作。

2AC LED晶粒排列照片与示意图

AC LED光源的工作原理

         AC LED光源的工作原理如图3,将一堆LED微小晶粒采用交错的矩阵式排列工艺均分为五串,AC LED晶粒串组成类似一个整流桥,整流桥的两端分别联接交流源,另两端联接一串LED晶粒,交流的正半周沿蓝色通路流动,3LED晶粒发光,负半周沿绿色通路流动,又有3LED晶粒发光,四个桥臂上的LED晶粒轮番发光,相对桥臂上的LED晶粒同时发光,中间一串LED晶粒因共用而一直在发光。

3AC LED光源的工作原理

        60Hz的交流中会以每秒60次的频率轮替点亮。整流桥取得的直流是脉动直流,LED的发光也是闪动的,LED有断电余辉续光的特性,余辉可保持几十微秒,因人眼对流动光点记忆是有惰性的,结果人眼对LED光源的发光+余辉的工作模式解读是连续在发光。LED有一半时间在工作,有一半时间在休息,因而发热得以减少40%20%。因此AC LED的使用寿命较DC LED长。

         AC LED成熟的产品如首尔用于AC110VAX3201AX3211和用于220VAX3221AX3231。用于AC110V功率在3.3W4W,工作电流40mA;用于AC220V功率在3.3W-4W,工作电流20mA(图4)。LED晶粒直接邦定在铜铝基板上。引脚如图5所示。


4:首尔半导体的AC LED

 5AC LED引脚图

          AC LED的典型应用技术

          AC LED的典型应用电原理图如图6所示十分简单,在AC LED两端分别串入正温度系数热敏电阻PTC,和限流电阻R1R2R3,接上110V220V交流即可进入照明工作。

6AC LED的典型应用电原理图

         LED在大批量生产时,其阻抗有一定的离散性,AC LED也如此,为便于下游厂家的大批量应用,LED光源生产厂商在出厂时对批量生产的产品按阻抗分档,客户在使用时可按LED光源厂家提供的VF分档表查用相应阻值的限流电阻,如表2所示是AX3221/AX3231VF分档与限流电阻表。

2AX3221/AX3231VF分档与限流电阻表

         AC LED的发展

        AC LED在家用电力上的方便性,不需要像DC LED一样另外得帮灯具装上一个交流转直流的转换器,不但节省了这颗转换器的成本,也避免LED光源本身还没坏,但转换器却先坏掉的窘境。交直流转换器可说是一种随着时间会老化、坏掉的电子元器件,其寿命比LED光源本身更短,故目前很多LED灯具坏掉,并不是LED光源寿命已尽,而是LED灯具使用的交直流转换器先坏掉了。AC LED还有一个特性,就是因为其工艺采用交错的矩阵式排列,是轮流点亮的,在60Hz的交流中会以每秒60次的频率轮替点亮,也让AC LED的使用寿命较DC LED长。

        
不过,AC LED现阶段有两个缺点,其一是发光效率并没有DC LED高,这是因为DC LED发展目前是主流,AC LED刚刚起步,AC LED的发光效率是可以追上,甚至超过DC LED的。其二是AC LED有触电的风险。故AC LED如果要应用在LED照明灯具上,应避免金属鳍片的裸露,而应是间接地把热带走,这也就是发展新的充液LED固态照明灯具的设计核心概念。

        AC LED
刚刚步入成长期,目前在发光亮度、功率等方面还不够理想,但AC LED的应用简便、无需变压转换器和恒流源,以及低成本、高效率已显现强大的生命力。AC LED的技术在飞跃发展,要不了几年,高亮度、大功率、低成本的产品将大量面世。


   日光灯管在日常生活中有广泛的应用,超市、学校、办公市、地铁等等,但凡能见得着的公共场所,都能见到日光灯的大量使用!LED日光灯的省电节能性能,经过长时间的大量宣传,大家均已非常认可,但花高价买回的LED日光灯管,现在很多都是走到了一个同廉价节能灯相同的处境:节能而不节钱!而且是大量的浪费钱,如何让LED使用寿命及亮度达到让使用都满意的标准,是一个有相当意义的题目!LED日光灯管要保持长寿命及高亮度,要解决的问题是:电源、LED光源、散热、安全四大关键技术!

       电源

        电源首要的要求是效率高,效率高的产品,发热就低则稳定性就必然高。通常在电源部分有用隔离及非隔离两种方案,隔离的体积偏大,效率较低,在使用中,安装方面都会产生很多问题,不如非隔离产品的市场前景大,在此我们主要讨论非隔离的驱动方案。
非隔离的使用的LED 日光灯电源,以台湾广鹏科技公司的A704WFT为例,A704WFTMOS 管外挂,其基本线路如图1所示:

1A704WFT非隔离LED 日光灯电源

        电源特性:
        1
、市电供电(85~265V),外置MOS,功率不受限制;
        2
、低功耗,效率高,功率因数高;
        3
、具负载开路和短路保护、输出过压保护功能,电流纹波特性好,输出电流近似DC直流,无灯 闪现象,负载能力高,能驱动高达600mA的电流;
        4
、客户已做出15W的标准电路,效率88%,功率因数091,可以通过CE认证,包括EN55015EMI测试,照明灯具25W以下C类谐波标准,EFT1000V脉冲群测试,ESD2000V静电测试。15串应用可以输出端低电压控制,无需使用传统大颗电容器,可很好控制电流的输出谐波;
       5
A704LED日光应用方案比较成熟可靠,我们可提供LED日光灯可过EMC测试的PCB线路及BOM表参考,提高客户设计开发产品的速度!

        LED光源

        采用台湾琉明斯的专利结构的LED 灯珠,其芯片放置于接脚上,热能过银脚直接将芯片节点所产生的热带出来,同传统的直插产品,及传统的贴片产品在散热方面有质的不同,芯片的节点温度不会产生累积,从而保证了光源灯珠的良好使用性,保证光源灯珠的长寿命,低光衰。
传统贴片产品,虽能通过芯片的金线联接正负极,同时也是让芯片产生的热能过金线连接至银脚,热与电的传导均是由金钱传导的,热的积累时间长了会直接影响LED 日光灯管的寿命。
传统的贴片产品热传导路线及方式如下图2
 

2:传统的贴片产品热传导路线及方式

          而琉明斯的LED 传导路线及方式如下图3

3:琉明斯的LED 传导路线及方式

         琉明斯的LED 其专利的散热结构能让芯片节点产生的热量迅速带出,在芯片处不产生热的累积,从而实现LED 光源灯珠能长寿命使用。而且琉明斯公司在LED 的寿命测试过程中,对于高低温冲击、过回流焊、高温高湿的使用等各种复杂的应用环境都做了完整的实验分析,确保正常使用的低光衰的长寿命!

         散热

        将红外线辐射散热引入并应用于日光灯管,是提高灯管使用寿命的重要手段。在散热考虑中,我们将LED 光源灯珠的散热及电源的散热分开来,互不干扰,从而保证散热的合理性。
热传导的途径有三种,对流、传导及辐射。在封闭的环境中,对流及传导实现的可能较小,而通过辐射将热散发出来,是日光灯管考虑的重点。以下是我们做的LED 日光灯管的测试数据,在LED 银脚焊点外测出的温度才58

        以上数据为输入功率为:11.2瓦,光通量在:890LM时的测试报告。最高管内温度为40.213度,这样的温度让电源的电容器能长时间从容的工作,从而保证了电源的长寿命使用!

        安全

        安全,这里主要说PC 阻燃塑胶管,因为红外线散热能穿透PC 管,则我们设计考虑LED 灯使用时,能更多的考虑其安全性,用全塑的物理绝缘方式,即使在使用非隔离的电源也能绝对的保证使用的安全性。

        LED 日光灯的发展已有相当长的时间了,从节能的效果来看,它的未来应用面是相当广阔的,除了节能,其安全、长寿命的使用是我们更应该关注的!

       安全!在LED日光灯的的设计中是第一要素,使用PC 阻燃材料的日光灯,在解决了安全问题后,如何提高寿命,上面的各项目提出的解决之道希望给众多LED 日光灯管厂家提供更多的思考方式!


 LED 的排列方式及LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流,而无论输入及输出电压如何变化。最常用的是采用变压器来进行电气隔离。文中论述了LED照明设计需要考虑的因素。

       一、LED驱动器通用要求

       驱动LED 面临着不少挑战,如正向电压会随着温度、电流的变化而变化,而不同个体、不同批次、不同供应商的LED 正向电压也会有差异;另外,LED 色点也会随着电流及温度的变化而漂移。

        另外,应用中通常会使用多颗LED,这就涉及到多颗LED 的排列方式问题。各种排列方式中, 首选驱动串联的单串LED,因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压(Vout)如何漂移,均提供极佳的电流匹配性能。

        当然,用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接(如图1)等其它排列方式,用于需要相互匹配的”LED 正向电压的应用,并获得其它优势。如在交叉连接中,如果其中某个LED 因故障开路,电路中仅有1 LED 的驱动电流会加倍,从而尽量减少对整个电路的影响。

1:常见的LED排列方式

         LED 的排列方式及LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED 驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED 的电流, 而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器基本的工作电路示意图如图2 所示,其中所谓的隔离表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接,最常用的是采用变压器来电气隔离,而非隔离则没有采用高频变压器来电气隔离。

2LED驱动器的基本工作电路示意图

        值得一提的是,在LED 照明设计中,AC-DC 电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置:

        1)整体式(integral)配置,即两者融合在一起,均位于照明灯具内,这种配置的优势包括优化能效及简化安装等;

        2)分布式(distributed)配置,即两者单独存在,这种配置简化安全考虑,并增加灵活性。

         LED 驱动器根据不同的应用要求,可以采用恒定电压(CV)输出工作,即输出为一定电流范围下钳位的电压;也可以采用恒定电流(CC)输出工作,输出的设计能严格限定电流;也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作,即提供恒定输出功率,故作为负载的 LED 的正向电压确定其电流。

        总的来看,LED 照明设计需要考虑以下几方面的因素:

        输出功率:涉及LED 正向电压范围、电流及LED 排列方式等

    电源:AC-DC 电源、DC-DC 电源、直接采用AC 电源驱动Ø

   功能要求:调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制Ø

   其他要求:能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性等Ø

  更多考虑因素:机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等Ø

       二、LED 驱动电源的拓扑结构

        采用AC-DC 电源的LED 照明应用中,电源转换的构建模块包括二极管、开关(FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能,而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。

       电路中通常加入了变压器的隔离型AC-DC 电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构,参见图3,其中反激拓扑结构是功率小于30 W 的中低功率应用的标准选择,而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密度。就隔离结构中的变压器而言,其尺寸的大小与开关频率有关,且多数隔离型 LED 驱动器基本上采用电子变压器。


3:常见的隔离型拓扑结构

        采用 DC-DC 电源的LED 照明应用中,可以采用的LED 驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等,基本的应用示意图参见图 4。电阻型驱动方式中,调整与LED 串联的电流检测电阻即可控制LED 的正向电流,这种驱动方式易于设计、成本低,且没有电磁兼容(EMC)问题,劣势是依赖于电压、需要筛选(binning) LED,且能效较低。

4:常见的DC-DC LED驱动方式

        线性稳压器同样易于设计且没有EMC 问题,还支持电流稳流及过流保护(fold back),且提供外部电流设定点,不足在于功率耗散问题,及输入电压要始终高于正向电压,且能效不高。开关稳压器通过PWM 控制模块不断控制开关(FET)的开和关,进而控制电流的流动。

        开关稳压器具有更高的能效,与电压无关,且能控制亮度,不足则是成本相对较高,复杂度也更高,且存在电磁干扰(EMI)问题。LED DC-DC 开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)或单端初级电感转换器(SEPIC)等不同类型。

       其中,所有工作条件下最低输入电压都大于LED 串最大电压时采用降压结构,如采用24 Vdc 驱动6 颗串联的LED;与之相反,所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构,如采用12 Vdc 驱动 6 颗串联的LED;而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压-升压或SEPIC 结构,如采用12 Vdc 12 Vac 驱动 4 颗串联的LED,但这种结构的成本及能效最不理想。

        采用交流电源直接驱动LED 的方式近年来也获得了一定的发展, 其应用示意图参见图5。这种结构中LED 串以相反方向排列,工作在半周期,且LED 在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势,如避免AC-DC 转换所带来的功率损耗等。但是,这种结构中LED 在低频开关,故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外,在这种设计中还需要加入LED 保护措施,使其免受线路浪涌或瞬态的影响。

5:直接采用交流驱动LED的示意图

        三、 功率因数校正

        美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品,如嵌灯、橱柜灯及台灯,其中,住宅应用的LED 驱动器功率因数须大于0.7,而商业应用中则须大于0.9;但是,这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC61000-3-2 谐波含量标准中则规定了功率大于25 W 的照明应用的总谐波失真性能,其最大限制相当于总谐波失真(THD)< 35%,而功率因数(PF)>0.94

        虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数,但某些应用可能有这方面的要求,如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用,此外,公用事业机构购入/维护街灯时,也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常>0.95+)

6:有源PFC的应用电路示意图

        PFC 技术包括无源 PFC 及有源PFC 两种。无源PFC 方案的体积较大,需要增加额外的元件来更好地改变电流波形,能够达到约0.8 或更高的功率因数。其中,在小于5 W 40 W 的较低功率应用中,几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动,即可实现高于0.7 的功率因数。

        有源 PFC(见图6)通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC 通常提供升压,交流100 277 Vac的宽输入范围下,PFC 输出电压范围达直流450 480 Vdc。如果恰当地设计PFC 段,可以提供91%95%的高能效。但增加了有源PFC,仍然需要专门的DC-DC 转换来提供电流稳流。

         四、能效问题

         LED 照明应用的能效需要结合功率输出来考虑。美国能源之星固态照明规范规定了照明器具级的能效,但并不涉及单独 LED 驱动器的能效要求。如前所述,采用AC-DC 电源的LED应用可以采用两段式分布拓扑结构, 故可能采用外部AC-DC适配器供电。
 
        
能源之星的确包含有关单输出外部电源的规范,其 2.0 版外部电源规范于2008 11 月开始生效,要求标准工作模式下最低能效达87%,而低压工作模式下最低能效达86%;在此规范中,功率大于100 W 时才要求PFC

7:美国能源部2008年秋季提出的LED照明灯具能效研发目标

        而在采用AC-DC 电源的LED 应用中,要提供更高的AC-DC 转换能效,就涉及到成本、尺寸、性能规范及能效等因素之间的折衷问题。例如,若使用更高质量的元件、更低导通阻抗(RDSon),就可降低损耗及改善能效;降低开关频率一般会改善能效,但却会增加系统尺寸。诸如谐振这样新的拓扑结构提供更高能效,却也增加设计及元件的复杂度。如果我们将设计限定在较窄的功率及电压范围,则可以帮助优化能效。

        五、驱动器标准

        LED 驱动器本身也在不断演进, 着重于进一步提高能效、 增加功能及功率密度。 美国能源之星的固态照明规范提出的是照明器具级的能效限制,涉及包括功率因数在内的特定产品要求。而欧盟的IEC 61347-2-13 (5/2006)标准针对采用直流或交流供电的LED模块的要求包括:

    最大安全特低电压(SELV)工作输出电压≤25 Vrms (35.3 Vdc)Ø
   
不同故障条件下恰当”/安全的工作Ø
    
故障时不冒烟或易燃Ø

        此外,ANSI C82.xxx LED 驱动器规范仍在制定之中。而在安全性方面,需要遵从ULCSA 等标准,如UL1310 (Class 2)UL 60950UL1012。此外,LED 照明设计还涉及到产品寿命周期及可靠性问题。


具有低能耗、寿命长、发热量低、环保等特点,在很多领域内得到了广泛应用,例如:

  1 照明领域        路灯、遂道灯、LED格栅灯、LED室内灯、LED天花灯等
  2 景观照明        楼宇、路桥、广场建筑设施、草坪灯、幕墙灯等
  3 用作背光源      手机、电脑等
  4 信息平面显示    显示板、动态广告牌、模拟动画、体育场馆、工商业、其他行业等
  5 汽车方面        车厢内的指示灯及内部阅读灯、车外的刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等
  6 特殊领域的应用  防爆灯具、矿业生产中的矿灯等

  LED是具有二极管特性的发光管,它只能单方向通电。通常LED亮度输出与通过LED电流成正比,但白光LED在大电流下会出现饱和现象,发光效率大幅度降低,甚至失效,因此LED使用电流不能超过其规格额定值。另外,LED亮度输出与温度成反比,所以使用中应尽量减少电源发热和设计良好的散热系统。

  目前LED均采用直流驱动,因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源。它的功能是把交流市电转换成合适LED的直流电。根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求,在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点:

  1.高可靠性    特别像LED路灯的驱动电源,装在高空,维修不方便,维修的花费也大。

  2.高效率      LED是节能产品,驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构,尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降,所以LED的散热非常重要。电源的效率高,它的耗损功率小,在灯具内发热量就小,也就降低了灯具的溫升。对延缓LED的光衰有利。

  3.高功率因素  功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器,没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大,但晚上大家点灯,同类负载太集中,会对电网产生较严重的污染。对于30~40瓦的LED驱动电源,据说不久的将来,也许会对功率因素方面有一定的指标要求。

  4.驱动方式    现在通行的有两种:其一是一个恒压源供多个恒流源,每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电,LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点,但灵活性差,还要解决某个LED故障,不影响其他LED运行的问题。这两种形式,在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式,在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。

  5.浪涌保护    LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外,如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力。

  6.保护功能    电源除了常规的保护功能外,最好在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高。

  7 防护方面    灯具外安装型,电源结构要防水、防潮,外壳要耐晒。

  8 驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。

  9 要符合安规和电磁兼容的要求。

  随着LED的应用日益广泛,LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求。


LED是英文light emitting diode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。

 

 LED照明技术的原理
 

        LED是英文light emitting diode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。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。打个比方,LED就像一个汉堡,可以发光的材料是夹层中的肉饼,而上下的电极就是夹肉的面包。而通过对其中发光材料的研究,人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的LED元件,但是无论怎么变化,LED总的发光原理和结构都没有发生太大的变化。
 

LED光源的优点

        红光LED 白光LED统光源,因此自60年代诞生以来,得到了长足的发展和应用。而相对于白炽灯、荧光灯等老一代发光设备,LED的优点主要体现在以下几个方面:1.LED在结构上没有玻璃外壳,不需要想白炽灯或者荧光灯那样在灯管内抽真空或者冲入特定气体,因此抗震、抗冲击性良好,给生产、运输、使用各个环节带来便利。

        作为一种出现时间最晚的照明技术,LED的优点不仅体现在发光质量方面,在其生产、制造、易用性方面都要大大超越白炽灯、荧光灯等 

  2.LED元件的体积可以做的非常小,更加便于各种设备的布置和设计。 

        3.LED的发出的光线能量集中度很高,集中在较小的波长窗口内,纯度高。 

        4.LED元件的寿命非常长,普遍在5-10万小时之间,即使是频繁的开关,也不会影响到使用寿命。 

  5.LED响应时间非常快,在微秒级别。 

  6.LED的发光指向性非常强,亮度衰减比传统光源低很多。 

  7.LED在生产过程中不要添加,非常环保。 

  8.LED使用低压直流电即可驱动,对使用环境要求较低。 

  LED发光设备的这些优点,不仅为其在日常照明领域的广泛应用奠定了坚实基础,也为LED进入显示设备领域打造了一条充满希望的道路。 

        不过,LED并不是从一开始就拥有如此之多的优势,也是经过了一段较长时间的发展,下面我们就去看看LED从诞生到现在所经历过的发展变迁之路。 

        LED照明技术的发展历程 

  在LED刚刚出现的时候,其发光的颜色和效率都比较低。当时主要使用的发光材料是“GaAsP”,驱动电流在20mA,只能发出红色的光,而且发光效率只有0.1流明/瓦,因此亮度仅仅能够满足一些仪表、电器上的指示之用,并没有得到广泛的使用和注意。 

        而在随后的几十年里,一些新的发光材料被逐步引入到LED当中,LED逐渐开始显露出强劲的发展后劲。在70年代中期,通过引入元素InN,使得 LED可以发出波长为555纳米的绿光、波长为590纳米的黄光和波长为610纳米的橙光,同时发光效率也提高到了1流明/瓦。到了80年代初,又出现了使用GaAlAsLED光源,使得红色LED的光效达到10流明/瓦。而进入90年代后,能发出红光、黄光的GaAlInP和发出绿光、蓝光的 GaInN两种新材料的开发成功,使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年,前者做成的LED在红、橙色光区域(波长615纳米左右)的光效达到 100流明/瓦,而后者制成的LED在绿色区域(波长为530纳米)的光效也可以达到50流明/瓦。不仅超过了传统的白炽灯,而且和发光效率较高的荧光灯已经非常接近。而按照材料科学的发展速度,发光效率能达到200流明/瓦的LED也将在较快的时间内问世。

        而在LED发光技术的发展史上,白光型LED的出现,则成为LED进入快速发展阶段的重要突破。在上世纪末,受到荧光灯发光原理的启发,LED厂家通过在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉,用蓝光激发荧光粉发出白光的LED发光元件。此外,通过采用不同的荧光粉,可发出色温为450010 000K及色温为28503800K的多种白光LED,也让白光LED具备了成为新一代照明设备的能力。目前,白光LED的发光效率大都已超过30流明 /W,某些产品已超过50流明/W的水平,具备了正式大规模实用化的基础。经过这么多年的发展,LED照明发光技术已经便成为一种相对成熟的事物,市面上不仅有能发出各种色彩的LED产品,也出现了大量可以用于直接照明的LED 产品,此外,在显示领域,LED产品也经历了从单色到彩色,从低分辨的文字到高分辨率图像显示的进化过程,正在日益影响着我们的生活和工作。

 

        白炽灯、荧光灯和LED灯光效率的发展趋势 

        由于LED在最初是被当作一种发光元件而生产的,因此,LED技术生来就和光明结下了不解之缘。而目前存在的各种LED产品,也可以按照用途的不同,大致可以分为:LED指示/照明设备和LED显示成像设备两大类。 

        LED照明设备 

        LED的最大价值还是体现在照明领域。由于LED发光技术全面超越传统光源,因此许多人都看好未来LED在照明市场的机会,根据据CIR预测,全球LED市场将从2004年的 32亿美元,增长至2008年的56亿美元,其中,高亮度LED市场产值将由16亿美元增至26.4亿美


1、独特散热技术
1)散热 大功率LED照明装置工作时热量的传递是通过具有等温效应的热管作为核心热传导元件来实现的,再通过散热片配合智能散热系统强制循环散热。与其他依靠外翅片被动式散热的LED照明产品相比,本产品的主动散热方式具有传热功率大、完全满足单颗大功率LED组合产生的高热流密度的环境,可实现大功率LED在额定功率下长时间运行。
2)组合 10-12LED为一组,单颗功率为1W-5W。与其他LED照明产品相比,在安装、拆卸、维护等方面具有不可比拟的优势。

2 、热管
LED
芯片封装后,热量可以有效导出,但不经系统级散热设计,热量还是不能有效散发。理论分析与实验证明,热管散热技术非常适合为大功率LED提供系统专业散热。
热管散热首先从空间航天器应用开始,现已广泛应用于电子、冶金、化学、电力、机械等众多领域,已是非常成熟、可靠的技术。其中人们最熟悉的就是热管在笔记本电脑中散热的应用。  


热管导(散)热原理
典型的热管是由管壳、吸液芯和端盖组成,管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段)。当热管的一端受热时,毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已,热量由热管的一端传至另一端。

热管适用场合
1)在热源附近缺乏散热空间;
2)需要从多个热源处进行有效的散热;
3)在密闭的空间内进行散热;
4)短时间大量散热;
5)要求体积小并且质量轻的设备。

热管在大功率LED灯具上的应用
从热管原理介绍,可以得知热管在大功率的LED灯具上散热的基本形式,即热管的蒸发段与LED基座相连、冷凝段与散热翅片相连。经过热管源源不断地把LED芯片上的热量传递给散热片散发出去。

热管的导热效率
目前,应用在LED灯具上的热管为Φ 6紫铜管。它的导热效能理论值为单根热管25-30W,即基本相当于30-401W LED芯片的发热总量。在实际应用中,需将热管和散热翅片结合产生的散热效能与所使用的LED芯片的总发热量相匹配。

3、相变热沉
测试表明,LED芯片使用传统的铝质或铜质热沉(基座)存在热阻,在传递大功率LED芯片产生的热量时两端温差很大。(2W芯片与热沉下段温差超过6~85W芯片工作时,热沉温差更达到10以上。当封装芯片达到20W时,温差将超过20。)这对LED芯片散热极为不利。为减少这种温差,特别研制了一种大功率LED专用的微尺度相变热沉(基座)。该热沉的等温效应可促使大功率LED芯片发出的热量源源不断传递出来。
采用本公司的相变热沉封装LED芯片,配合高效热管及散热片,不仅完全可以满足大功率LED路灯的应用,更可以向LED室内照明和汽车前大灯等特殊应用领域进军。