LED照明設計基礎Word版

1、LED照明設計基礎一 序隨著近年來人們對環(huán)境關注度的提高，LED照明作為新一代照明受到了廣泛的關注。展會上，只要是與LED照明有關的展位都是人頭攢動，同時，LED照明也更多的出現(xiàn)在我們的日常生活中。一般家庭能夠消費的LED燈都是由各大照明制造商銷售的燈泡型LED燈。另外，很多公司也都陸續(xù)研發(fā)出了熒光燈型的LED燈。在這種情況下，勢必有更多的公司參與到LED照明行業(yè)中。LED燈與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源有著不同的特性。僅僅依靠LED封裝并不能制作出良好的照明燈具。為了設計出更好的LED照明燈具，必須對LED進行區(qū)別于傳統(tǒng)光源的正確的光學設計。本文圍繞LED照明燈具的設計進行介紹。具體來說主要是從

2、電子電路、熱分析、光學方面進行說明。首先是LED照明概要及其與迄今為止的光源的區(qū)別。1.1 LED 照明用于照明的LED大多是白色。LED照明很大程度上依賴藍光LED芯片的發(fā)明和發(fā)光效率的提高。實現(xiàn)白光LED主要有兩種方式。一種是使用LED芯片和熒光粉，另外一種是使用RGB 3色LED芯片。目前主要是采取第一種方式。使用熒光粉一般都是在藍色LED芯片上涂覆黃色熒光粉。從LED芯片中發(fā)出的藍色光遇到熒光粉時，部分光轉換為黃色光。這部分轉換的黃色光和藍色光參雜在一起，就變成了白色光。通過調整熒光粉的量可以控制白光LED的色溫，因此發(fā)光顏色在制作時就已經決定，后期不能調整。同時，混合藍色光和黃色光的

3、話，由于紅色和綠色的成分不足，造成顯色性不佳。這樣，可以通過在藍色LED芯片中參雜紅色和綠色熒光粉或者是在紫外LED芯片中參雜RGB熒光粉，來提高其顯色性。使用RGB 3色LED芯片的優(yōu)勢在于RGB可以調整各種色度，所以不僅能夠產生白光，還能產生其他各種顏色的光。但是，LED芯片使用量增大，成本也就會上升。1.2 LED照明的優(yōu)勢及其與迄今為止的其他光源的區(qū)別接下來就LED照明與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源的區(qū)別，從熱、電、光的特性方面進行分析。1 / 21- 熱的特性雖然LED發(fā)熱很少，但是由于LED照明中，需要使用多顆數瓦級的LED，所以就會產生很高的熱量。雖然LED效率比較高，但是高效率僅支

4、持在微小電流中的運行。大電流、高溫狀態(tài)下，效率較低。另外，熒光粉型的LED，在轉換波長的時候會損失能量，從而產生熱量。持續(xù)高溫就會導致LED芯片、熒光粉、封裝樹脂壽命降低。因此，為了使LED的“高效率”、“長壽命”的優(yōu)勢保持下去，就必須控制LED的結溫。- 電的特性LED電源與白熾燈、熒光燈有很大的區(qū)別。白熾燈可以直接連接到220V的交流電上。熒光燈雖然有鎮(zhèn)流器和轉換開關，但也使用220V的交流電。而LED的電源則需要直流的恒定電流，所以需要將220V的交流轉換為直流。電源的效率不高將直接影響到整個照明燈具的效率，因此提高電源效率對于提高LED照明效率來說顯得尤為重要。調節(jié)LED光的方法主要有

5、兩種。一種是改變恒定電流，一種是改變脈沖調制。LED是電子與空穴再結合時發(fā)光，光束依賴于電流。電流小的情況下，光束和電流基本是成正比的，但當LED電流增大，熱量隨之增大，導致發(fā)光效率變低，光束和電流就不成正比了。在改變脈沖占空比的方法中，由于Talbot-Plateau 效應（反復接受瞬間閃光后，人眼會感受到反復時間內的平均亮度），可以根據脈沖占空比改變亮度。- 光特性與白熾燈和熒光燈相比，1顆LED發(fā)出的光比較少，所以需要使用多顆LED。同時，由于LED的發(fā)光面積小，亮度高，人眼直視的話很容易眩暈。為了降低亮度，需要使用擴散板。但是，使用擴散板的話，光向各個方向發(fā)散，降低了光的效率。LED、

6、白熾燈、熒光燈的配光分布各不相同。所謂配光分布是指光源的方向以及各方向的發(fā)光強度。即使是相同光束的光源，如果配光分布不同，照度分布也會不同。有時也會出現(xiàn)本來想要照射的地方照度減小，其余部分反而照度增加的情況。要減少光的浪費，控制配光分布，需要使用透鏡和反光鏡。LED本身就具有發(fā)光面積小、光的放射范圍在半球內、配光分布旋轉對稱等優(yōu)點，再加上透鏡和反光鏡，就能構成一個好的光源。其他在光源屬性中，還有光譜。LED的發(fā)光光譜集中在特定波長的一個很窄的范圍，不放射紅外線。因此，在不想使照射物變熱的時候，使用LED較好。但是，LED自身會發(fā)熱，所以需要注意防止其導熱。另外還需要注意，熒光粉類型的LED，溫

7、度變化，色溫也會隨之變化。1.3 總結：LED照明設計LED照明燈具備受期待的原因就是節(jié)能、使用壽命長。確實，與白熾燈相比，目前的球泡型LED燈效率更高。但是熒光燈與LED照明燈具相比，還是熒光燈較高。這是因為，雖然單獨的LED芯片比熒光燈效率高，但是由于發(fā)熱降低了發(fā)光效率，交流電轉換成直流電時，電源效率變低以及由于配光分布變換和使用擴散板導致光效降低，進而造成整個LED照明燈具的效率下降。因此，為了實現(xiàn)LED的節(jié)能，長壽命，必須對熱、電、光進行各種設計。單純依靠LED封裝并不能發(fā)揮LED的優(yōu)勢。要做與迄今為止的設計不同的設計需要些什么？怎樣才能找出燈具效率下降的原因？是不是即使多次返工也很難

8、找出原因？并且還花更多時間和成本。要將產品更早的投放市場需要怎么做？使用電腦仿真能有效的解決這些問題。使用電腦仿真進行設計稱為CAE(Computer Aided Engineering)。下一期將圍繞怎樣使用CAE軟件對LED照明燈具進行熱、電、光設計進行說明。二 使用CAE軟件對LED照明燈具進行熱、電、光設計近年來，隨著電子產品的高密度、高集成度，熱解決方案的重要性越來越高，LED照明也不例外，也需要熱解決方案。 雖然白熾燈和熒光燈的能量損失大，但是大部分能量都是通過紅外線直接放射出去，光源的發(fā)熱少；而LED，除了作為可視光消耗的能量，其它能量都轉換成了熱。另外，由于LED封裝面積小，通

9、過對流和輻射的散熱少，從而積累了大量的熱。122.1 熱解決方案接下來來考慮怎么制定熱解決方案。熱解決方案簡單的說就是解決因為熱產生的各種問題。主要有： 因為熱膨脹導致彎曲和龜裂 電子電路的運行障礙 材料品質惡化除此之外，也會擔心如果發(fā)熱會不會損壞設備？為了避免這些問題，要盡量控制電子設備的溫度，也就是說有效散熱很重要，重點是考慮機器的使用環(huán)境和安裝方法制定最佳的熱解決方案。 下面列舉了由熱導致的問題。后半部分以LED燈為例，就LED相關的解決方案進行解說。2.2 由熱導致的問題1.因為熱膨脹導致彎曲和龜裂電子設備由多個零件構成，每個零件的材質都不一樣，熱脹冷縮的尺度也不一樣。因此， 當各種材

10、質組合在一起的時候就有可能使材質發(fā)生彎曲，膨脹時，產品在連接處因為應力過多就會產生龜裂。2.電子電路的運行障礙一般來說，作為熱源的半導體元件，有這樣一個特性，即當電子設備中的半導體元件溫度上升，電的阻抗就會變小。這樣就容易陷入“溫度上升阻抗下降電流增加熱增加溫度上升”的惡性循環(huán)，進而容易發(fā)生燒斷的現(xiàn)象。3.材料品質的惡化一般說來，電子設備中使用的材料容易氧化，溫度越高氧化越快，如果讓這些材料反復經過高溫氧化，就會縮短其壽命。同時，反復加熱，材料多次膨脹，多次冷縮，會降低材料的強度，從而破壞了材料。2.3 LED的熱解決方案下面以LED燈為例，具體討論LED的熱解決方案。要避免電子設備的發(fā)熱有多

11、種方法。比如，加散熱器，在熱源周圍安置能提供冷氣的風扇。前者是通過增加散熱面積，來增加散熱的通道，后者是使熱不在熱源周圍聚集。 但是，正如圖1 LED燈的概括圖所示，LED封裝時不能直接連接散熱器，也沒有安裝風扇的位置。而且內部電源電路板也會產生熱量，因此LED燈的散熱問題可以說是一個非常棘手的問題。這樣，如何有效使用LED安裝材質和散熱器就變得很重要。圖1 LED燈概括圖那么如何有效利用LED安裝材質和散熱器呢？首先必須把握產生熱的傳熱路徑。LED元件產生的熱通過封裝的導線向電路板移動，然后再通過散熱器放熱。電源電路板產生的熱也是如此，通過電路板周圍的空氣和填充材質，透過散熱器向外部散熱。熱

12、解決方案中重要的是排除傳熱路徑中阻礙傳熱的因素，比如可以考慮在傳熱路徑中使用導熱性能好的材質、擴大路徑的斷面面積（例如，粗的銅線比細的銅線更容易導熱）、涂導熱潤滑劑使產品的連接部位不留空隙。另外，即使通過這些提高了導熱特性，但如果散熱器不向外部散熱，內部還是會聚集很多熱。因此也必須提高散熱器表面的放熱特性。典型的方法就是在表面多安裝幾個散熱片，擴大散熱器的放熱面積。2.4 運用CAE工具，通過仿真驗證熱解決方案CAE的運用那么怎樣驗證熱解決方法是否有效呢？一種是通過實驗測量溫度，但是一旦條件改變就要重新測量，效率比較低。因此需要使用CAE軟件進行仿真。 圖2 運用ANSYS解析軟件，在LED燈

13、橫向擺放時，對LED燈周圍的熱和空氣的流動進行仿真。（）（）是整個燈的溫度分布圖，紅色部分代表溫度高，藍色部分代表溫度低。（）（）是燈與LED封裝周邊（蓋子內部）的自然對流圖，紅色箭頭部分表示對流速度快，藍色部分表示對流速度慢。與實際情況相比，這個例子只是一個非常簡單的模型，但從某種程度上卻能驗證產品的溫度分布和空氣的自然對流。 從整個燈的溫度分布來看，雖說蓋子的溫度低，其他部位溫度高，但是某種程度上還是處于一個均等的溫度分布。這表面產生的熱量大部分都轉移到散熱器上，而且傳送路徑中沒有障礙。散熱器可以起到一個散熱的作用，但是如果散熱特性不好，整個燈的溫度就會上升，因此必須注意散熱器的形狀（安裝

14、散熱片的大小、形狀、個數等）。圖2 根據ANSYS進行熱流體解析的結果圖仿真中需要解析對象的形狀、產品特性、條件等各種信息，但是通過想要確認的信息可以區(qū)別簡易解析模型和詳細解析模型，從而有效把握想要驗證的熱解決方法的好壞。例如，本例是對整個電燈的簡易建模，并不能把握LED封裝內部詳細的溫度分布，但是如果對該部分進行詳細的建模，就能夠確認元件實際的溫度。反復實驗，通過仿真修改部分信息就可以簡單的進行操作，例如容易把握散熱器中散熱片的形狀和個數對溫度的影響。作為仿真用軟件，可以直接使用CAD信息進行分析，可以在統(tǒng)一環(huán)境中對構造、導熱、熱流體等進行廣泛的分析，而且可以進行各種組合分析。在設計中不僅要

15、考慮熱的問題，其他因素也必須考慮，組合分析的難易是熟練進行仿真的一個關鍵點，這些我們在后面進行論述。本次僅就熱的問題進行了探討，但也存在即使解決了熱的問題，卻不能解決光、電的問題的情況。產品重在壽命長、無性能損壞、使用安全，因此我們的課題就是實現(xiàn)整體的最優(yōu)化設計。下次我們將針對電路和光學設計的問題展開討論。三 電路和光學設計33.1 LEDLED是電子二極管的一種，主要構造是PN結。如圖1，當向LED的兩端施加電壓，電子就會吸收能量并向價電子帶轉移，然后再將吸收的能量釋放出來。這個被釋放出的能量就是光。放出的光的波長和顏色是由半導體的電勢差決定的。圖1 LED運作原理3.2 LED應用LED具

16、有發(fā)光效率高、壽命長、輕便、不含有害物質等優(yōu)點。高發(fā)光效率可以增加電池的使用壽命，對于隨身攜帶的產品來說很適合。LED的使用壽命是一般白熾燈的23倍 (有些資料顯示是40倍)， 因為壽命長而使用LED的一個典型例子就是交通信號燈。另外，由于LED燈的反應速度非?？欤砸策m合用于汽車的剎車燈。LED燈具的設計自由度非常高，不僅能調節(jié)亮度，還能調節(jié)色度。3.3 LED電子特性LED具有一般硅二極管的類似特性，在正負極之間施加電壓。當外加電壓達到一個臨界值，LED中產生電流，開始發(fā)光。當電壓超過這個臨界值時，電流急劇增加。白色LED的臨界電壓值約3.5V。紅色、綠色、藍色的LED臨界電壓值如表1所

17、示。圖1 LED燈概括圖顏色臨界值紅約2.0V綠約1.94.0V藍約2.53.5V白約3.5V我們用電路仿真來說明LED的電子特性以及驅動電路。電路仿真是對LED和電阻等的電子設計進行建模并在計算機上模擬計算電路運行的一種簡易方法。這里使用的是Cadence公司的電路仿真PSpice A/D。同時使用了飛利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。首先運用圖2的電路來驗證LED的電子特性。要得到電壓電流特性，需要進行直流解析。圖2 驗證電壓電流特性電路解析結果如圖3所示圖3 根據 PSpice A/D所得到的解析結果：電壓電流特性驗證LXM3-PM71電壓電流特性的結果顯示：在3.0V情況

18、下電流約354mA。3.4 驅動電路白熾燈采用的是電壓驅動型電路設計。LED是用電流驅動型電路設計，通過控制LED中的電流調節(jié)亮度和色度。白熾燈和熒光燈等照明燈具中的電子驅動不能直接運用于LED照明燈具。為了最大限度的發(fā)揮LED的特長，需要進行適合LED的驅動電路設計。而且即使使用了發(fā)光效率很高的LED，如果驅動電路的效率不高，也會影響整個照明燈具的發(fā)光效率。LED照明燈具設計大致分為下面3個階段。1.光學設計，2.熱設計，3.LED驅動電路設計。在這里先介紹LED驅動電路設計。- 電阻型驅動電路下面介紹LED電阻型驅動設計的方法。LED、電阻、直流電壓源如圖4所示連接起來。以直流電壓源的電壓

19、值和壓降（正向電壓）為基礎，計算LED發(fā)光中相應電流的電阻值。計算公式如下：直流電壓源LED正向電壓 = 驅動電阻值LED電流例如，在5V的電壓源中驅動上述LXM3-PW71。該LED的正向電壓為3.0V，電流為350mA時，電阻應為5.71。圖4、圖5表示電路仿真運算中的電路及其解析結果。通過圖5，可以看到LED中的電壓大概為3.0V，電流約350mA。圖4 電阻型驅動電路圖5 瞬態(tài)分析結果- LED正向電壓的偏差該電路中不考慮作為LED電路的一個重要設計要素正向電壓的偏差。LED電子設計特性中必定會有偏差，即使是同一型號的設計，分別進行測量的話也不能得到相同的特性。偏差根據LED不同而有區(qū)

20、別，正向電壓中有偏差超過15的情況。LXM3PW71的正向電壓大概在42.5V之間波動。這樣，如果運用之前的電阻型驅動電路，LED的正向電壓不同，電流也會有很大的變化。大功率照明燈具通常情況下需要使用多顆LED。只是單純的串聯(lián)這些LED，進行電阻驅動的話會出現(xiàn)電路不通的情況。例如，串聯(lián)3個LXM3-PW71，用12V做驅動，如果3顆LED同時擁有最大的正向電壓，由于總電壓是12V，就會因電壓不足而不能運行。而且即使電流相同，也并不是說所有的LED都一樣發(fā)光。并聯(lián)LED也是如此。那么有沒有解決LED正向電壓偏差問題的方法呢？答案只有一個，對LED進行分級。在設計制造過程中，各個不同的特性會引起偏

21、差。在同一條件（同一條生產線，同一天）下批量生產，同一批量制造的產品之間的誤差通常比與其他批量制造的產品誤差小很多。LED分級是將同一型號的LED按照正向電壓的偏差次序排列。在LXM3-PW71的數據庫中記錄了對應正向電壓的Bin表（圖6）。例如，使用Bin Code C的LED時，正向電壓在2.793.03V之間。圖6 正向電壓相應的Bin表- 恒流源型驅動電路調節(jié)LED的光度需要增減LED的電流。由于人眼對光的感光度是對數關系，在調節(jié)電流時，電流的增減率與LED亮度呈指數函數變化。因此電阻型驅動電路并不最適合于照明燈具。即使電壓有偏差，為了恒定電流也需要使用恒流源型驅動電路。圖7 恒流源型

22、驅動電路圖8是運用半導體和二極管恒定電流電路的例子。供給電壓值改變，為了保持半導體的基極的電位恒定（約1.2V），需要使用2個二極管（D1、D2）。LED的電流連接發(fā)射極上的電阻。計算可知，半導體的集電極和發(fā)射極電流基本相同。本例中，為了使LED的電流維持在350mA，需要用到1.48歐姆的電阻。圖8 簡單的恒電流源型驅動電路即使輸入電壓改變，二極管D1、D2的電壓穩(wěn)定，半導體的基極電位穩(wěn)定，保證LED的電流為350mA。通過電路檢驗使實際的輸入電壓在5V到24V之間變化。檢驗結果如圖9所示。圖9 恒電流源驅動電路的電壓變化驗證結果當輸入電壓在5V24V之間變化時，二極管D1、D2的電壓也會發(fā)

23、生微小的變化。從圖9的中央波形可以看到，這個微小的變化出現(xiàn)在二極管的基極。從最上面的波形讀取LED中的電流及變化情況。為了最大限度的發(fā)揮LED的優(yōu)勢，驅動電路設計中應采用PWM型驅動電路設計方法。下一章節(jié)的LED驅動電路設計應用篇,我們將主要圍繞PWM型驅動電路進行講解。四 PWM型驅動電路在上一期的“LED驅動電路設計基礎篇”中，介紹了LED的電子特性和基本的驅動電路。遺憾的是，阻抗型驅動電路和恒電流源型驅動電路，大范圍輸入電壓和大電流中性能并不強，有時并不能發(fā)揮出LED的性能。相反，用脈沖調制方法驅動LED電路，能夠發(fā)揮LED的多個優(yōu)點。這次主要針對運用脈沖調制的驅動電路進行說明。44.1

24、 PWM是什么？脈沖調制英文表示是Pulse Width Modulation，簡稱PWM。PWM是調節(jié)脈沖波占空比的一種方式。如圖1所示，脈沖的占空比可以用脈沖周期、On-time、Off-time表示，如下公式： 占空比On-time（脈沖的High時間）/ 脈沖的一個周期（On-time + Off-time）Tsw（一周期）可以是開關周期，也可以是Fsw=1/Tsw的開關頻率。圖1 Pulse Width Modulation (PWM)在運用PWM的驅動電路中，可以通過增減占空比，控制脈沖一個周期的平均值。運用該原理，如果能控制電路上的開關設計（半導體管、MOSFET、IGBT等）的

25、打開時間（關閉時間），就能夠調節(jié)LED電流的效率。這就是接下來要介紹的PWM控制。PWM信號的應用 PWM控制電路的一個特征是只要改變脈沖幅度就能控制各種輸出。圖2的降壓電路幫助理解PWM的控制原理。在這個電路中，將24V的輸入電壓轉換成12V，需要增加負載。負載就是單純的阻抗。電壓轉換電路的方法有很多，運用PWM信號的效果如何呢？圖2 降壓電路在圖2的降壓電路中取PWM控制電路，如圖3所示。MOSFEL作為開關設計使用。當PWM信號的轉換頻率數為20kHz時，轉換周期為50s。PWM信號為High的時候，開關為On，電流從輸入端流經負載。當PWM信號處于Low狀態(tài)時，開關Off，沒有輸入和輸

26、出，電流也斷掉。這里嘗試將PWM信號的占空比固定在50，施加在開關中。開關開著的時候電流和電壓施加到負載上。開關關著的時候因為沒有電流，所以負載的供給電壓為零。如圖4綠色的波形、V（OUT）可在負載中看到輸出電壓。圖3 運用PWM信號的降壓電路圖4 解析結果 占空比：50輸入電壓是直流，通過脈沖信號得到輸出電壓在負載的前端（開關的后端）插入平滑電路，就可以得到如圖4所示的茶色的波形。輸出脈沖的平均值約12V時，直流電壓可以供給負載。但如果不是12V，而是想得到6V的輸出電壓時，應該怎么做？PWM控制的優(yōu)點實際就在此。只需改變脈沖幅度就可以了。實際上，只需設定占空比為25就可以得到平均輸出6V的

27、電壓。圖5和圖6表示的是這種情況下的電路和解析結果。圖5 運用PWM信號的降壓電路圖6 解析結果 占空比約25以上結果標明，降壓電路中，輸入輸出電壓的關系可以表示為：輸出電壓PWM信號的占空比輸入電壓也就是說只要改變PWM信號的占空比，就可以得到任意的輸出電壓。接下來介紹在實際產品設計中運用降壓轉換器電路驅動LED的方法。4.2 PWM驅動電路例子如圖7所示，在前述的降壓電路中追加線圈、電容、二極管的電路。在這里沒有考慮反饋電路。這里使用的是飛利浦照明的LUXEON系列的LXM3-PW71 LED。LED（負載）的前端插入的線圈和電容構成平滑電路，通過轉換使得脈沖輸出平均化。線圈前端的二極管即使在開關關著的時候也能持續(xù)向線圈供給電流。降壓轉換器通常作為電壓轉換電路使用，但是在驅動LED時，則需要控制電流而不是電壓。圖7 PWM驅動電路降壓轉換的例子確認圖7的電路構成。當脈沖信號處于On的狀態(tài)，也就是開關設計處于On的狀態(tài)時，電流按照輸入信號開關線圈負載的順序流動。當開關設計處于Off的狀態(tài)時，電流按