工程师十年总结：LED设计经典问题解答

　　通过十多年对LED设计的潜心研究和学习。本人收集了LED应用设计中一些经典性的基础问题分享给大家。其中涉及到内容有单个LED的流明效率与用LED 作光 源构成的灯具的流明效率异同分析，LED的结温原理及结温升高会对LED产生的影响问题，静电破坏的原理以及列举一些类型的LED容易受静电破坏导致失 效，探讨LED路灯防雷能用一个压敏电阻的问题，解读设计高品质LED驱动电路的方法和选择和设计LED驱动电源时要考虑哪些因素等问题。

　　问：单个LED的流明效率与用LED作光源构成的灯具的流明效率有什么异同?

　　答：针对某一个特定的LED，加上规定的正向偏置，如加上IF=20mA正向电流后(对应的VF≈3.4V)，测得的辐射光通量Φ=1.2lm，则这个 LED的流明效率为η=1.2lm×1000/3.4V×20mA=1200/68≈17.6lm/W。显然，对单个LED，如施加的电功率 Pe=VF×IF，那么在这个功率下测得的辐射光通量折算为每瓦的流明值即为单个LED的流明效率。

　　但是，作为一个灯具，不论LED PN结上实际加上的功率VF×IF是多少，灯具的电功率总是灯具输入端口送入的电功率，它包括电源部分(如稳压器、稳流源、交流整流成直流电源部分等)所消耗的功率。灯具中，驱动电路的存在使它的流明效率比测试单个LED的流明效率要下降。电路损耗越大，流明效率越低，因此，寻找一种高效率的LED驱动电 路就显得极为重要。

　　问：什么是LED的结温?结温升高会对LED造成什么影响?

　　答：LED基本结构是一个半导体的PN结。当电流流过LED器件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。

　　当PN结的温度(例如环境温度)升高时，PN结内部的杂质电离加快，本征激发加速。当本征激发产生的复合载流子的浓度远远超过杂质浓度时，本征载流子的数量增大的影响较之迁移率减小的半导体电阻率变化的影响更为严重，导致内量子效率下降，温度升高又导致电阻率下降，使同样IF下，VF降低。如果不用恒流源 驱动LED，则VF降将促使IF指数式增加，这个过程将使LED PN结上温升更加快，最终温升超过最大结温，导致LED PN结失效，这是一个正反馈的恶性过程。

　　PN结上温度升高，使半导体PN结中处于激发态的电子/空穴复合时从高能级向低能级跃迁时发射出光子的过程发生退化。这是由于PN结上温度升高时，半导体 晶格的振幅增大，使振动的能量也发生增加，当它超过一定值时，电子/空穴从激发态跃迁到基态时会与晶格原子(或离子)交换能量，于是成为无光子辐射的跃 迁，LED的光学性能退化。

　　另外，PN结上温度升高还会引起杂质半导体中电离杂质离子所形成的晶格场使离子能级裂变，能级分裂受PN结温度的影响，这就意味着由于温度影响晶格振动， 使其晶格场的对称性发生变化，从而引起能级分裂，导致电子跃迁时产生的光谱发生变化，这就是LED发光波长随PN 结温升而变化的原因。

　　综上所述，LEN PN结上的温升会引起它的电学、光学和热学性能的变化，过高的温升还会引起LED封装材料(例如环氧、荧光粉等)物理性能的变化，严重时会导致LED失效，所以降低PN结温升，是应用LED的重要关键所在。

　　问：什么是静电破坏?哪些类型的LED容易受静电破坏导致失效?

　　答：静电实际上是由电荷累积构成。人们在日常生活中，特别在干燥天气环境中，当用手去触摸门窗类物品时会感觉“触电”，这就是门窗类物品静电积累到一定程 度时对人体的“放电”。对于羊毛织品、尼龙化纤物品，静电积累起来的电压可高达一万多伏特，电压十分高，但静电功率不大，不会威胁生命，然而对于某些电子器件却可以致命，造成器件失效。

　　LED中用GN基构成的器件，由于是宽禁带半导体材料，它的电阻率较高，对于InGaN/AlGaN/GaN的双异质结蓝色光LED，其InGaN的有源 层的厚度一般只有几十纳米，再由于这种LED的两个正、负电极在芯片同一面上，之间距离很小，若两端静电电荷累积到一定值时，这一静电电压会将PN击穿， 使其漏电增大，严重时PN结击穿短路，LED失效。

　　正因为存在静电威胁，对于上述结构的LED芯片和器件在加工过程中对加工厂地、机器、工具、仪器，包括员工服装均要采取防静电措施，确保不损伤LED。另外，在芯片和器件的包装上也要采用防静电材料。

　　问：LED路灯防雷能用一个压敏电阻吗

　　答：关于路灯的防雷设计并非是一个简单的问题。首先要了解你的路灯系统方案全貌架构，如采用AC--》开关电源--》恒流源 --》LED光源的方案，那么，你应该首先考虑开关电源的防雷，雷击的侵入往往是由AC电线导入的，先被侵害的主体应该是开关电源，经开关电源输出 的直流电压理论上是一干净的电源，至此雷击对恒流源的影响已经很小了。LED路灯一般是买现成的开关电源来配套，因此你在选用时特别选购能防雷击的开关电 源，即在开关电源的输入端已设置防雷击电路。

　　问：隔离型与非隔离型驱动方案各有何优缺点?应用中如何选择?

　　答：所谓隔离，是指输入与输出间没有直接的电气连接关系，从安全的要求讲，一般要求输入/输出间耐压在3KV以上。目前的隔离型方案多是以变压器作为隔离元件的AC/DC的反激式(Flyback)电路方案，因此相对电路较复杂、成本较高。而非隔离型基本是采用功率电感的DC/DC的升压(Boost)或 降压(Buck)电路，相对电路较简单，因而成本也相对较低。

　　由于电路上差异较大，大多数的芯片都不具备同时实现两种方案的可能。从恒流精度上看，隔离型可以做到±5%以内，而非隔离型则很难做到。

　　目前在以市电为输入电源的LED灯具中(特别是驱动与光源一体的灯具)，本着安全第一的原则，基本已不需再采用非隔离型方案。但也有例外，LED日光灯管 由于受到结构和空间的制约，仍还用非隔离型方案。在低压供电的LED灯具中，以效率和成本优先的原则，非隔离型方案是最佳的选择。

　　问：LED被静电击穿的原理和过程是怎么样的?会有何影响?

　　答：LED属于半导体类元件，它的PN结是直接裸露在外头的，很容易接触静电。当LED两个电极上极性不同的电荷积累(产生电荷或者转移过来的电荷)到一 定的程度，又得不到及时释放，电荷能量一旦超过LED芯片最大承受值时，电荷将以极短的瞬间(纳秒级别)在LED两个电极层之间进行放电，产生功率焦耳的热量，在导电层之间局部(往往是电阻值最小、电极周边的)会形成1400℃以上的高温，高温将会把导电层之间熔融成一些小孔，从而造成漏电、暗亮、死灯、电性飘移等现象。

　　这个击穿LED的静电能量它并非就是一个高压，学术的讲是一个能量，它取决于电荷的量和的时间长短这两个核心系数。放电刹那的时间越短威力越大，电荷越多威力也越大。静电击穿LED是个非常复杂的过程，因此，测试LED抗静电时的模拟设计也是一项很复杂、很严谨的测试。

　　被静电击损后的LED如果是比较严重的往往是死灯、漏电。轻微的静电损伤，LED一般没有什么异常，但此时，该LED已经有一定的隐患，当它受到二次静电损伤时，那就会出现暗亮、死灯、漏电增大啦。

　　问：如何设计高品质LED驱动电路?

　　答：LED光源是一种长寿命光源，理论寿命可达50000($4.1464)小时，但应用电路设计不合理、电路元器件选用不当、LED光源散热不好，都会影响它的使用寿命。 特别是在应用电路里，作为AC/DC整流桥的输出滤波器的电解电容器，它的使用寿命在5000小时以下，这就成了制造长寿命LED灯具技术的拦路虎，设计 生产可在应用电路里省去电解电容器的新一代LED驱动IC是可行的解决方案。

　　此外，对新一代LED驱动IC的设计必须打破传统的DC/DC拓扑结构设计理念，如采用恒功率、不采用磁滞控制的降压型而采用定频定电流控制、解决使用卤 素灯电子变压器所产生的灯源闪烁和多灯并联不亮问题等等;还必须解决LED驱动IC在多种应用电路中能过EMC、安规、CE、UL等认证;应用电路应力求 简洁、使用元器件少;隔离与非隔离的应用历来是商家在安全与效率之争焦点;提高PWM控制器的占空比等等。

　　问：选择和设计LED驱动电源时要考虑哪些因素?

　　答：LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流(即市电)、低压 直流、高压直流、低压高频交流(如电子变压器的输出)等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。根据电网的用电规则和LED驱动电源的特性要求，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，也就降低了灯具的温升。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。虽然功率小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瓦~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：一种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。此方式，组合很灵活，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，但是灵活性差，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。