LED照明技术之LED基础知识

　　现阶段节能已经成为一种硬性的要求，不是一种选择，而其中一部分需要采用环保绿色的方式去实现节能。对于照明来说，我们可以很容易的设想全球照明提高10%的效率后所带来的影响，但是提高1000%呢？最近高效率发光二极管（LED）可能实现这种效率的改进，并且能够以良好的表现力和高可靠性取代现阶段所用的产品。这篇文章有四部分，第一部分我们关注LED 的物理结构，发光范围，效率，发光二极管驱动和应用。

　　物理解析

　　物理层面上，LED 类似于p-n 结二极管。作为p-n 结，当将阳极（p 区域）和阴极（n 区域）之间加正电压时，电子和空穴向截面移动。一旦电子和空穴复合将释放出能量，p-n 材料的物理特性决定了释放能量的形式，至于分立电路中用到的标准二极管，它们释放能量的方式可以是没有辐射的或者以可见光的方式向外释放。对于LED，它所发射出光的波长（也就是光的颜色）由p-n 结材料的禁带宽度特性来决定。要想提高性能，LED 材料要有低的反向击穿电压，也就是低的禁带宽度。

　　颜色

　　在20 世纪60 年代晚期，红光LED 在商业上最早得到了应用，但是当时发出的光非常的弱。尽管有这样的不足，红光LED 还是被广泛的应用到七段显示器上。由于材料科学上的进步，如今商业上应用的LED 已经可以发出多种色光，而其中一部分光，如果你直接盯着看的话，能使你的眼睛失明。

　　蓝光LED 在几年前得到了广泛的应用。将蓝光LED，绿光和红光LED 所产生的光混合将产生白光，这种可以产生白光的技术可以提供很宽的色域，光动态调谐特性好，显色性能出色（CRI），非常适合高端背光应用。用蓝光LED 和荧光粉的方式产生白光可以更简单更经济，它可以使一部分蓝光转换成黄光。黄光可以模仿眼睛所感受到的红光和绿光，因此蓝光和黄光混合就可以产生白光。这种方案可以提供良好的显色性能，但是由于制作工艺的差异和荧光粉厚度不同，使得这种方式产生的白光遭受着色温不一致的困扰。

图1：LED 几种基本颜色的比色图表

　　效率

　　对于LED 光源来说高效率是一个术语，当提到照明时，效率被定义为单位功率所产生的光，因此，在公制中，是用流明每瓦来衡量。最近一些LED 产品在介绍时承诺效率可以高达150 流明/瓦，比较而言，白炽灯为15 流明/瓦，荧光灯可以提供70 流明/瓦。因此LED 就会在不久的将来取代白炽灯和荧光灯吗？有可能，但是不幸的是一些LED 的效率数据只是停留在规格书上。问题在于LED 产生的相当一部分光在封装材料表面被反射回了LED 芯片，对于这样的事实LED 本身也无能为力。这部分反射回来的光可能是被半导体材料吸收然后转换成热量一样。

　　抗放射涂层，和将反射角降到最低都可以减少光的反射量和提高效率，降低反射角可以通过使用半球体封装，将LED 芯片放在中央来实现。然而这些技术还要取决于制作工艺的变化程度和比较高的额外费用来确保性能稳定。因此尽管LED在工业上正在被快速的采纳，但LED 的发展还有很长的路要走。

　　应用

　　很多因素使得LED 成为令人关注的高性能现代电子技术。例如，更高的输出效率延长了电池寿命，这样非常适合便携产品的应用。此外，LED 快速的开关特性在机动车尾灯的应用上可以得到完美的体现。尤其是刹车灯上的应用，它可以给驾驶者提供更多的反映时间，提高驾车的安全性。由于LED 不含有铅和汞，在背光应用上，红绿蓝三原色LED 满足了ROHS 标准。由于具有较宽的色域，LED 照明使全光谱光源变得容易。LED 的独特之处是它的寿命很长，这一特性使得它可以应用到对长期的稳定性能有较高要求的地方，例如交通灯。视觉处理系统需要聚焦，闪光，和单色光源——LED 非常适合应用这种场合。LED 由于它简单易实现，

　　光动态调谐特性好，在卧室里，当你要放松时，你可以将它设置成绿光，当要看斗牛节目的时候，可以设置成红光。

　　驱动

　　LED 本质是电流驱动器件，也就是说，它的光强度随着正向电流IF 的变化而变化。光的颜色同样也是由正向电流来决定，LED 正向电压VF ，也会影响颜色的变化。于是，为了达到所需要光的颜色和亮度，有必要采用恒流驱动LED。一个简单的LED 驱动的框架可以由一个电压源和一个限流电阻组成（图2a）。这种方法最适合于窄输入电源，小电流的应用，这时候的LED 的正向压降略低于输入电压。但是当输入电压变化或者LED 的正向压降升高时，电流就会变化，因此光的强度和颜色就会改变。

图2：简单的LED 驱动框图

　　A．电源源和限流电阻 B.线性稳压电源 C.开关电容 D. 开关稳压电源线性稳压电源常被应用在降压比率比较小的情况下，对LED 电流进行紧密控制（如图2b）。在要求小电流升高的情况下，可以利用开关电容电路（图3c）。

　　至于宽输入范围，大电流应用，像上面的方法实现的简单驱动结构会导致功耗非常高，效率非常低。所以将需要更高效和相应更复杂的解决方案，像开关稳压电源（图2d）。开关稳压电源通过切断功率流和控制占空比大小来实现功率控制，这种方式可以得到有规律振动的电流电压。可以将开关稳压电源设置成隔离或非隔离的方式来实现电压或电流的降低(buck)或升高(boost),或两种功能同时发生(buck-boost)。

　　总之，设计者在选择开关稳压电源时，在给定功率转换要求下要对成本和性能进行折中选择。另一方面，为了正常驱动LED，开关稳压电源应当设置在恒流工作模式。