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2．LED的主要参数与特性

一般而言，用于照明的LED大多是白色。LED照明很大程度上依赖蓝光LED芯片的发明和发光效率的提高。

实现白光LED主要有两种方式。一种是使用LED芯片和荧光粉，另外一种是使用RGB 3色LED芯片。目前主要是采取第一种方式。

使用荧光粉一般都是在蓝色LED芯片上涂覆黄色荧光粉。从LED芯片中发出的蓝色光遇到荧光粉时，部分光转换为黄色光。这部分转换的黄色光和蓝色光参杂在一起，就变成了白色光。通过调整荧光粉的量可以控制白光LED的色温，因此发光颜色在制作时就已经决定，后期不能调整。

同时，混合蓝色光和黄色光的话，由于红色和绿色的成分不足，造成显色性不佳。这样，可以通过在蓝色LED芯片中参杂红色和绿色荧光粉或者是在紫外LED芯片中参杂RGB荧光粉，来提高其显色性。

使用RGB 3色LED芯片的优势在于RGB可以调整各种色度，所以不仅能够产生白光，还能产生其他各种颜色的光。但是，LED芯片使用量增大，成本也就会上升。

LED的三大特性：

（1）热的特性

虽然LED发热很少，但是由于LED照明中，需要使用多颗数瓦级的LED，所以就会产生很高的热量。虽然LED效率比较高，但是高效率仅支持在微小电流中的运行。大电流、高温状态下，效率较低。

另外，荧光粉型的LED，在转换波长的时候会损失能量，从而产生热量。持续高温就会导致LED芯片、荧光粉、封装树脂寿命降低。因此，为了使LED的“高效率”、“长寿命”的优势保持下去，就必须控制LED的结温。

（2）电的特性

 LED电源与白炽灯、荧光灯有很大的区别。白炽灯可以直接连接到220V的交流电上。荧光灯虽然有镇流器和转换开关，但也使用220V的交流电。而LED 的电源则需要直流的恒定电流，所以需要将220V的交流转换为直流。电源的效率不高将直接影响到整个照明灯具的效率，因此提高电源效率对于提高LED照明 效率来说显得尤为重要。

调节LED光的方法主要有两种。一种是改变恒定电流，一种是改变脉冲调制。LED是电子与空穴再结合时发光，光束依赖于电流。电流小的情况下，光束和电流基本是成正比的，但当LED电流增大，热量随之增大，导致发光效率变低，光束和电流就不成正比了。

在改变脉冲占空比的方法中，由于Talbot-Plateau 效应（反复接受瞬间闪光后，人眼会感受到反复时间内的平均亮度），可以根据脉冲占空比改变亮度。

（3）光特性

与白炽灯和荧光灯相比，1颗LED发出的光比较少，所以需要使用多颗LED。同时，由于LED的发光面积小，亮度高，人眼直视的话很容易眩晕。为了降低亮度，需要使用扩散板。但是，使用扩散板的话，光向各个方向发散，降低了光的效率。
LED、白炽灯、荧光灯的配光分布各不相同。所谓配光分布是指光源的方向以及各方向的发光强度。即使是相同光束的光源，如果配光分布不同，照度分布也会不同。有时也会出现本来想要照射的地方照度减小，其余部分反而照度增加的情况。

要减少光的浪费，控制配光分布，需要使用透镜和反光镜。LED本身就具有发光面积小、光的放射范围在半球内、配光分布旋转对称等优点，再加上透镜和反光镜，就能构成一个好的光源。

其他在光源属性中，还有光谱。LED的发光光谱集中在特定波长的一个很窄的范围，不放射红外线。因此，在不想使照射物变热的时候，使用LED较好。但是，LED自身会发热，所以需要注意防止其导热。另外还需要注意，荧光粉类型的LED，温度变化，色温也会随之变化。

二、LED照明驱动电路基本设计

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4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。
  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驱动器分类及设计

如今在市场上典型的LED驱动器包括两类，即线性驱动器和开关驱动器；大概的适用范围见图5.如电流大于500mA的大电流应用采用开关稳压器，因为线性驱动器限于自身结构原因，无法提供这样大的电流；而在电流低于200mA的低 电流应用中，通常采用线性稳压器或分离稳压器；而在200至500mA的中等电流应 用中，既可以采用线性稳压器，也可以采用开关稳压器。

开关稳压器的能效高，且提供极佳的亮度控制。线性稳压器结构比较简单，易于设计，提供稳流及过流保护，且没有电磁兼容性（EMC）问题。

 在低电流LED应用中，电阻型驱动器尽管成本较低且结构简单，但这种驱动器在低电压条件下，正向电流较低，会导致LED亮度不足，且在负载突降等瞬态条件下，LED可能受损；并且电阻是耗能元件，整个方案的能效较低，见图6。

例如在采用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，基本的应用示意图见图7。

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。
 
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 或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。

三、LED散热处理方案及基础

在LED灯具设计中，如果仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。本环节主要从热分析方面对如何运用LED特性的设计进行解说。虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大，但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去，光源的发热少；而LED，除了作为可视光消耗的能量，其它能量都转换成了热。另外，由于LED封装面积小，通过对流和辐射的散热少，从而积累了大量的热。

热解决方案简单的说就是解决因为热产生的各种问题。主要有：

1.因为热膨胀导致弯曲和龟裂

电子设备由多个零件构成，每个零件的材质都不一样，热胀冷缩的尺度也不一样。因此，当各种材质组合在一起的时候就有可能使材质发生弯曲，膨胀时，产品在连接处因为应力过多就会产生龟裂。

2.电子电路的运行障碍

一般来说，作为热源的半导体元件，有这样一个特性，即当电子设备中的半导体元件温度上升，电的阻抗就会变小。这样就容易陷入“温度上升－阻抗下降－电流增加－热增加－温度上升”的恶性循环，进而容易发生烧断的现象。

3.材料品质的恶化

一般说来，电子设备中使用的材料容易氧化，温度越高氧化越快，如果让这些材料反复经过高温氧化，就会缩短其寿命。同时，反复加热，材料多次膨胀，多次冷缩，会降低材料的强度，从而破坏了材料。

LED的热解决方案

要避免电子设备的发热有多种方法。比如，加散热器，在热源周围安置能提供冷气的风扇。前者是通过增加散热面积，来增加散热的通道，后者是使热不在热源周围聚集。但是，正如图1 LED灯的概括图所示，LED封装时不能直接连接散热器，也没有安装风扇的位置。而且内部电源电路板也会产生热量，因此LED灯的散热问题可以说是一个非常棘手的问题。这样，如何有效使用LED安装材质和散热器就变得很重要。

那么如何有效利用LED安装材质和散热器呢？首先必须把握产生热的传热路径。

LED元件产生的热通过封装的导线向电路板移动，然后再通过散热器放热。电源电路板产生的热也是如此，通过电路板周围的空气和填充材质，透过散热器向外部散热。

热解决方案中重要的是排除传热路径中阻碍传热的因素，比如可以考虑在传热路径中使用导热性能好的材质、扩大路径的断面面积（例如，粗的铜线比细的铜线更容易导热）、涂导热润滑剂使产品的连接部位不留空隙。

另外，即使通过这些提高了导热特性，但如果散热器不向外部散热，内部还是会聚集很多热。因此也必须提高散热器表面的放热特性。典型的方法就是在表面多安装几个散热片，扩大散热器的放热面积。

LED应用

LED具有发光效率高、 寿命长、轻便、不含有害物质等优点。高发光效率可以增加电池的使用寿命，对于随身携带的产品来说很适合。LED的使用寿命是一般白炽灯的2～3倍 (有些资料显示是40倍)， 因为寿命长而使用LED的一个典型例子就是交通信号灯。另外，由于LED灯的反应速度非常快，所以也适合用于汽车的刹车灯。LED灯具的设计自由度非常高，不仅能调节亮度，还能调节色度。