工程師十年總結(jié)：LED驅(qū)動設(shè)計經(jīng)典問題解答

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)合載流子的濃度遠遠超過雜質(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。

問：LED被靜電擊穿的原理和過程是怎么樣的?會有何影響?

答：LED屬于半導(dǎo)體類元件，它的PN結(jié)是直接裸露在外頭的，很容易接觸靜電。當(dāng)LED兩個電極上極性不同的電荷積累(產(chǎn)生電荷或者轉(zhuǎn)移過來的電荷)到一 定的程度，又得不到及時釋放，電荷能量一旦超過LED芯片最大承受值時，電荷將以極短的瞬間(納秒級別)在LED兩個電極層之間進行放電，產(chǎn)生功率焦耳的熱量，在導(dǎo)電層之間局部(往往是電阻值最小、電極周邊的)會形成1400℃以上的高溫，高溫將會把導(dǎo)電層之間熔融成一些小孔，從而造成漏電、暗亮、死燈、電性飄移等現(xiàn)象。

這個擊穿LED的靜電能量它并非就是一個高壓，學(xué)術(shù)的講是一個能量，它取決于電荷的量和的時間長短這兩個核心系數(shù)。放電剎那的時間越短威力越大，電荷越多威力也越大。靜電擊穿LED是個非常復(fù)雜的過程，因此，測試LED抗靜電時的模擬設(shè)計也是一項很復(fù)雜、很嚴謹?shù)臏y試。

被靜電擊損后的LED如果是比較嚴重的往往是死燈、漏電。輕微的靜電損傷，LED一般沒有什么異常，但此時，該LED已經(jīng)有一定的隱患，當(dāng)它受到二次靜電損傷時，那就會出現(xiàn)暗亮、死燈、漏電增大啦。

問：如何設(shè)計高品質(zhì)LED驅(qū)動電路?

答：LED光源是一種長壽命光源，理論壽命可達50000($4.1464)小時，但應(yīng)用電路設(shè)計不合理、電路元器件選用不當(dāng)、LED光源散熱不好，都會影響它的使用壽命。 特別是在應(yīng)用電路里，作為AC/DC整流橋的輸出濾波器的電解電容器，它的使用壽命在5000小時以下，這就成了制造長壽命LED燈具技術(shù)的攔路虎，設(shè)計 生產(chǎn)可在應(yīng)用電路里省去電解電容器的新一代LED驅(qū)動IC是可行的解決方案。

此外，對新一代LED驅(qū)動IC的設(shè)計必須打破傳統(tǒng)的DC/DC拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，如采用恒功率、不采用磁滯控制的降壓型而采用定頻定電流控制、解決使用鹵 素?zé)綦娮幼儔浩魉a(chǎn)生的燈源閃爍和多燈并聯(lián)不亮問題等等;還必須解決LED驅(qū)動IC在多種應(yīng)用電路中能過EMC、安規(guī)、CE、UL等認證;應(yīng)用電路應(yīng)力求 簡潔、使用元器件少;隔離與非隔離的應(yīng)用歷來是商家在安全與效率之爭焦點;提高PWM控制器的占空比等等。

問：選擇和設(shè)計LED驅(qū)動電源時要考慮哪些因素?

答：LED驅(qū)動電源是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動LED發(fā)光的電壓轉(zhuǎn)換器，通常情況下：LED驅(qū)動電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓 直流、高壓直流、低壓高頻交流(如電子變壓器的輸出)等。而LED驅(qū)動電源的輸出則大多數(shù)為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED驅(qū)動電源的特性要求，在選擇和設(shè)計LED驅(qū)動電源時要考慮到以下幾點：

1.高可靠性：特別像LED路燈的驅(qū)動電源，裝在高空，維修不方便，維修的花費也大。2.高效率：LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。3.高功率因素：功率因素是電網(wǎng)對負載的要求。一般70瓦以下的用電器，沒有強制性指標(biāo)。雖然功率小的單個用電器功率因素低一點對電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點燈，同類負載太集中，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴重的污染。對于30瓦~40瓦的LED驅(qū)動電源，據(jù)說不久的將來，也許會對功率因素方面有一定的指標(biāo)要求。4.驅(qū)動方式：現(xiàn)在通行的有兩種：一種是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路LED供電。此方式，組合很靈活，一路LED故障，不影響其他 LED的工作，但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)點是成本低一點，但是靈活性差，還要解決某個LED故障，不影響其他LED運行的問題。這兩種形式，在一段時間內(nèi)并存。多路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向。5.浪涌保護：LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負載的啟 甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。6.保護功能 電源除了常規(guī)的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。7.防護燈具外安裝型，電源結(jié)構(gòu)要防水