SSL照明技術與進展

路秋生

（北京信息職業技術學院，北京100050）

1 引言

自從1968年第一批LED開始進入市場以來，至今已有30多年。隨著新材料的開發和LED生產工藝的改進，LED趨于高亮度化和全色化。氮化鎵基底的藍色LED的出現，更是擴展了LED的應用領域。

美國從2000年起投資5億美元實施 “國家半導體照明計劃”，歐盟也在2000年7月宣布啟動類似的“彩虹計劃”。我國科技部在“863”計劃的支持下，2003年6月首次提出發展半導體照明計劃以加快LED產業的發展。

2 LED的發光原理

LED的發光原理就是將電能轉換為光的過程，將電流通過化合物半導體，通過電子與空穴的結合，過剩的能量將以光的形式釋出，達到發光的效果。通過LED的正向電流越大則LED的發光亮度越高，同時，通過LED發光電流的穩定性將影響LED的發光穩定性。因此，在實用中應采用可以提供精確穩定電流的LED驅動恒流源來為LED供電。

自1879年10月愛迪生研制成功世界上第一只實用白熾燈電光源以來，隨著科學技術的突飛猛進，各種人造電光源技術得到了迅速的發展，電光源技術經歷了第一代的熱輻射電光源（例如白熾燈和鹵鎢燈等）、第二代的低壓氣體放電電光源（例如熒光燈）、第三代的高壓氣體放電電光源（例如高壓汞燈、高壓鈉燈和金鹵燈等）和第四代的固體電光源（例如LED等）的變遷。

常用電光源發光效率對比如圖1所示[3]，常用電光源發光效率的進展如圖2所示[9]，通過技術進步使各種電光源發光效率的變遷如圖3[4]所示，通過圖3可以看出，通過加速研發到2020年SSL照明發光效率可高達到大于200 lm/W的能力 （據有關資料報導，美國GREE公司在2010年上半年就在實驗室推出了發光效率為208 lm/W的LED器件），通過技術進步到2020年，爭取使SSL照明的發光效率達到225 lm/W的水平。固體發光電光源（SSL）展示出了很好的發展前景。由表1[10]可以看出由于技術進步使各種新型電光源技術達到實用化的進程。

圖1 常用電光源發光效率對比

圖2 各種電光源發光效率的進展對比

圖3 通過技術進步使各種電光源發光效率的變遷

各種常用電光源的性能對比 （資料來源于2009-APFC-SP1.4-Datapoint Research）如圖4所示。

圖4 各種常用電光源的性能對比

表1 [10]競爭使電光源技術成熟

3 LED照明的主要優缺點

3.1 LED照明的主要優點

LED照明的優點主要體現在以下幾個方面。

（l） 體積小，重量輕；

（2）LED在生產過程中不需要添加“汞”，環保性能好；

（3）LED的體積可以做的非常小，便于各種設備的布置和設計；

（4）LED使用低電壓直流電就可以驅動，對使用條件要求較低；

（5）LED在結構上沒有玻璃外殼，不需要像白熾燈或者熒光燈那樣在燈管內抽成真空或沖入特定氣體，因此LED的抗震、抗沖擊性能好；

（6）LED的發光指向性非常強，封光束在一定角度（15°）內定向輻射，亮度衰減比傳統光源低很多；

（7）LED發出的光線能量集中度很高，發光亮度高，發光色彩豐富、純度高，發出的光線集中在較小的波長窗口內；

（8）LED的響應非常快，響應時間在微秒級，在任何使用情況下可以實現瞬時啟動，與白熾燈泡200 ms的響應時間相比，LED會在短短5 ns響應時間內發光，因此，目前LED已在汽車行業的剎車燈中得到了廣泛采用；

（9）使用壽命長，LED產品的壽命理論上可達10萬h，如果以5萬h計算，每天連續使用12 h，可以使用11.4 d；

（10）發光效率高，目前能實用LED的發光效率已達60～80 lm/W，實驗室水平已達208 lm/W左右（GREE公司在2010年初已實現）。

白光LED的出現，是LED從標識功能向照明功能跨出的實質性一步。白光LED發光最接近日光，更能較好地反映照射物體的真實顏色，所以從技術角度看，白光LED無疑是LED最尖端的技術。

3.2 LED照明的主要缺點

（l）LED燈維修困難，維修時間長；

（2）LED驅動電路的工作效率還需進一步提高；

（3）目前LED芯片的主要材料鎵（Ga）這種金屬原材料稀少，成本高；

（4）光電轉換效率低，LED工作時70%-80%的電能轉換成熱，僅有20%-30%的電能轉換為光；

（5）LED燈的生產成本高，售價昂貴，目前LED燈的售價是白熾燈、氣體放電燈的十幾倍或幾十倍以上，這是目前LED燈的推廣瓶頸；

（6）LED的光色不太柔和，LED發出的光線中藍色的成分多，紅色成分少，不如白熾燈、熒光燈發出的光線柔和，有刺目、視覺不舒服等感覺；

（7）LED是點光源、發光面很小，光輸出過于集中，因此必須進行二次配光，才能達到實際使用的要求，光學系統的設計也會直接影響LED的使用效果；

（8）LED的實際使用壽命不及宣稱的那樣高，LED的光衰與使用壽命的影響因素不僅僅是工作溫度，還有LED封裝材料的老化、熒光粉的劣化與自身壽命的限制，照明系統中驅動電路所采用元器中的壽命與故障、工作環境等因素都會影響LED的使用壽命；

（9）LED工作時芯片結點產生的熱量大，溫度高，功率越大產生的熱量越大。若散熱問題解決不好，LED工作時芯片結點溫升會很高，過高的結溫不但會使LED工作壽命急劇衰減，還會影響LED的峰值波長、光效等參數。

4 LED的應用

LED在以下領域的得到了廣泛的應用。

（1） 汽車照明（車內、車外）；

（2）商用照明；

（3）LCD背光照明；

（4）光傳感器；

（5）便攜式電子設備；

（6）居室照明；

（7）信號燈照明；

（8）標識照明等。

LED的典型應用如圖5所示[8]。

圖5 LED的典型應用

5 LED的驅動

LED由于環保、使用壽命長、發光效率高等優點，因此，近年來在各行業得到了廣泛應用，而LED的驅動電路又是很重要的一個環節。LED具有類似于二極管的正向 V-I特性。在低于LED開啟閾值電壓（白光LED的開啟電壓閾值大約為 3.5 V）時，通常經過該LED的電流非常小。在高于該閾值電壓時，電流會以正向電壓形式成指數倍遞增。目前LED驅動方式主要有直流和交流驅動兩種方式，直流驅動LED目前應用最為廣泛。

5.1 LED的驅動方式

目前LED均采用直流電驅動，因此在市電與LED之間需要加一個LED驅動電源適配器。LED驅動電源適配器的功能是把交流市電轉換成適合LED驅動的直流電。現在常用的LED驅動電源有兩種：一是恒電流驅動電路，二是恒電壓驅動電路。

（1）恒電流驅動電路

在恒電流驅動工作方式下，又有兩種驅動工作方式，一個恒壓源供多個恒電流源，每個恒電流源單獨給每路LED供電。這種方式，組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高一點。另一種是直接由恒電流源供電，LED串聯或并聯運行。它的優點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個LED故障，不影響其他LED運行的問題。這兩種LED驅動電源形式，在一段時間內會并存。LED的多路恒電流輸出供電方式，在成本和性能方面會好些。

（2）恒電壓驅動電路

在確定恒電壓電路各項參數后，恒電壓電路輸出固定的直流電壓，輸出的直流電流隨LED負載的變化而變化。雖然恒電壓電路不怕負載開路，但是嚴禁負載完全短路，恒電壓電路輸出的電壓變化會影響LED的發光亮度；要使每串并聯以恒電壓電路驅動LED串發光亮度均勻，需加合適的電阻。

6 對LED驅動電路的主要要求

由于LED是V/I特性敏感的半導體器件，又具有負溫度工作特性。因而在應用過程中需要對工作狀態進行穩定和保護。LED驅動電路的質量是LED長壽高效的關鍵保障。對LED驅動電路主要有以下技術要求。

（1）LED驅動電源要符合安全規范和電磁兼容的有關要求；

（2）驅動電源的工作壽命要與LED的使用壽命相適配；

（3）對外安裝型燈具，LED驅動電源結構要防水、防潮功能，燈具外殼要耐曬功能；

（4）特別像LED路燈的驅動電源，安裝在高空，維修不方便，維修的花費大，需要高工作可靠性；

（5）LED驅動電源要符合有關安規和電磁兼容的技術要求；

（6）LED驅動電源除了常規的保護功能外，如在恒電流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED的工作溫度過高，對延長LED的使用壽命有利；

（7）LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網負載的啟/停和雷擊的感應，從電網系統會侵入各種電浪涌，有些電浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制電浪涌的侵入，確保LED正常工作而不致由于浪涌的輸入而損壞；

（8）功率因數是電網對負載的要求。一般對70 W以下的用電器沒有強制性指標要求。雖然功率不大的單個LED驅動電源功率因數低一些對電網的影響不大，但晚上大家都用電照明，同類負載非常集中，會對電網產生較嚴重的污染。據報道，對30～40W的LED驅動電源，不久的將來也許會對功率因數方面有一定的指標要求；

（9）LED是節能產品，LED驅動電源的工作效率要高。對于LED驅動電源安裝在燈具內的結構，尤為重要。因為LED的發光效率隨著LED工作溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。LED驅動電源的工作效率高，它的功率損耗就小，在燈具內的發熱量就小，也就相應降低了燈具的溫升，這對延緩LED的光衰有利。

7 LED驅動電路拓撲的選擇

實用中有多種LED驅動電源電路拓撲可供選擇，表2給出了這些可供選擇的常用LED驅動電源電路拓撲的特點，表2給出的有關信息有助于LED驅動電源電路拓撲的選擇。除這些拓撲之外，還可使用簡易的限流電阻器或線性穩壓器來驅動LED，但是這類驅動方法的工作效率很低。在設計LED驅動電源電路所需考慮的有關因素有輸入供電電壓變化范圍、所驅動LED的數量、LED的工作電流、輸入輸出是否需要隔離、EMI抑制以及LED驅動電源電路的工作效率等因素。

8 LED的調光

LED的調光應用是一件經常遇到的事。例如LED背光照明的LCD顯示屏亮度調節和建筑物燈亮度調節的應用場合。實現LED調光控制的常用方法有兩種：即調節通過LED的正向工作電流來實現LED發光亮度的調節和調節通過LED正向工作電流的脈沖占空比來實現LED發光亮度的調節。

第一種LED調光控制方法采用模擬調光控制方法，在模擬調光控制下，通過調節LED的正向工作電流來實現LED的調光控制，調光控制范圍可達10：1。

由于LED的光輸出并非完全與LED正向工作電流呈線性關系，因此調節通過LED的正向工作電流的調光控制方法工作效率很低。并且，LED的發光色譜通常會在電流低于額定值時發生改變。

第二種LED調光控制方法就是采用數字或叫PWM的調光控制法，通過脈寬調制(PWM)來調節LED正向工作電流的脈沖占空比的調光控制方法更為精確。PWM調光控制法以大于100 Hz的開關工作頻率，以脈寬調制的方法改變LED驅動電流的脈沖占空比來實現LED的調光控制，選用大于100 Hz開關調光控制頻率主要是為了避免人眼感覺到調光閃爍現象，在LED的PWM調光控制下，LED的發光亮度正比于PWM的脈沖占空比，在這種調光控制方法下可以在高調光比范圍內保持LED的發光顏色不變，采用PWM的LED調光控制的調光比范圍可達3 000：1。

表2 常用LED驅動電源電路的拓撲

9 交流LED(AC LED）驅動的電路結構與工作原理

9.1 交流LED(AC LED）驅動的電路結構

AC LED驅動的重大技術突破是超細LED晶粒在封裝時采用特殊交錯的矩陣排列組合技術，同時利用LED PN結的二極管特性兼作整流，半導體制作過程在其中扮演著相當重要的角色。AC LED通過半導體制作過程整合成一堆采用交錯矩陣式排列工藝的微小晶粒，并加人橋式電路至芯片設計，使交流電流通過LED可以雙向導通，實現LED的發光。AC LED晶粒的排列如圖6所示，因此只需要二根導線引人交流電源即可使AC LED發光工作。

圖6 ACLED晶粒排列示意圖

9.2 交流LED(AC LED）驅動的工作原理

交流LED驅動的工作原理圖如圖7所示，將一堆LED微小晶粒采用交錯的矩陣式排列工藝均分為五串，五串交流LED晶粒組成類似一個整流橋的電路，整流橋的兩端分別連接110 V/220 V交流市電電源，交流LED的另兩端連接一串LED晶粒，交流市電的正半周沿1號通路流動，3串LED晶粒發光，負半周沿2號通路流動，又有3串LED晶粒發光，四個橋臂上的LED晶粒輪流發光，中間一串LED晶粒同時發光。四個臂上的LED以每秒50/60次的頻率輪替點亮。通過整流橋的直流電流是脈動直流電流，LED的發光是閃動的，由于LED有斷電余輝續光的特性，余輝時間可以保持幾十納秒，并且由于人眼的視覺停留作用，使人眼對LED的發光感覺是連續發光。

目前世界上美國、韓國和中國臺灣有AC LED技術，臺灣工研院開發出白光、藍光及綠光AC LED的制成技術，不僅與國際同步，也是全球領先者之一。

圖7 交流LED(AC LED）驅動工作原理圖

10 OLED照明

10.1 OLED的工作原理

OLED(Organic Light Emitting Diode）是指有機半導體材料和有機發光材料在電場的驅動下，通過載流子注入和復合導致發光的技術，其工作原理是用ITO玻璃 （Indium Tin Oxides）（銦錫氧化物半導體）透明電極和金屬電極分別做為OLED器件的陽極和陰極，在一定電壓驅動下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電子傳輸層和空穴傳輸層，然后分別遷移到發光層，相遇后形成激子使發光分子激發，后者經過輻射后發出可見光。輻射光可以從ITO玻璃板一側觀察到，金屬電極膜同時也起到了發射層的作用，工作原理如圖8所示。

圖8 OLED結構與發光原理

根據使用有機功能材料的不同，OLED器件可以分為低（小）分子OLED器件和高分子OLED器件（PLED）兩大類。低（小）分子OLED技術發展較早（1987年），并且技術已經達到商業化水平。高分子OLED發展始于1990年，目前該技術尚未成熟。

根據驅動方式不同，OLED器件又可以分為無源驅動型（又稱為被動驅動PM，Passive Matrix）和有源驅動型 （又稱為主動驅動AM，Active Matrix）兩種。無源驅動型OLED不采用薄膜晶體管（TFT）基板，一般適用于中小尺寸顯示；有源驅動型則采用TFT基板，適用于中大尺寸顯示，特別是大尺寸全彩色動態圖像的顯示。目前，無源驅動型OLED技術已比較成熟，商業化的產品都是無源驅動型；有源驅動型OLED技術發展很快，但是還需要幾年的時間才能推出商用化產品。

OLED無需背光源，可以自己發光，并且可視角度和亮度較高，厚度更薄，結構也相對簡單，如采用可撓式基板，則可以變化成不同形狀。并且OLED能夠顯著節省電能。

OLED的發展已由單色到全色、從硬屏到軟屏，屏面尺寸也由小到大。目前，OLED主要用于平面顯示，已開始向照明領域擴展[1]。

10.2 OLED的特點

（l） 成本低；

（2） 視角廣；

（3）耗電量少；

（4）發光反應速度快；

（5）應用比較簡單方便；

（6）工作時產生的熱量低；

（7）抗震動、耐沖擊性能好；

（8）不含汞、環保、無汞污染；

（9）制造工藝比較簡單，易于大規模生產；

（10）重量輕、厚度薄、為平面型、可以卷起來；

（11）使用壽命長：目前已達5 000-20 000 h，理論上可達20萬h；

（12）發光效率高，目前OLED的發光效率已達60 lm/W，預計可達200 lm/W以上；

OLED要進入照明領域，取代某種電光源，還需要進一步提高它的發光效率，延長使用壽命，降低使用成本。

10.3 OLED發展的趨勢

OLED是繼LED之后又發現的一種更為優秀的固體電光源，不遠的將來它將會很好的應用于照明應用場合，將會逐步瓜分LED和部分氣體放電光源的應用市場，而成為照明領域的主要電光源之一。OLED的應用演進圖如圖9所示，透明OLED的UDC原型如圖10所示，利用OLED可以改變我們的常用顯示方式[10]，如圖11所示。

圖9 OLED的應用演進圖

圖10 透明OLED的UDC原型

圖11 利用OLED可以改變我們的常用顯示方式（10）

11 結語

通過以上的討論和分析可以看出（例如圖3所示的關于各種電光源發光效率的進展對比曲線），在目前我們所用的各類電光源中，LED電光源發光效率的提升速度非常快，LED的推廣應用和LED的封裝、散熱、LED燈具的具體制作等方面都有很大的關系，但是隨著技術的進步，LED照明具有很好的應用前景。

[1]李廣安.電光源發展的趨勢與我國幾的策略 [J].照明,2010，（1）：11-15.

[2]U S Energy Department.Voices for SSL Efficiency 2009,Solid-State Lighting Market Introduction Workshop.July 13-15,2009 Chicago,Illinois P30.

[3]Iris Sulyma&Ken Tiedemann.Energy savings potentials in domestic ventilation products and the necessary technologies.BC Hydro Vancouver Canada Volkmar Uebele Bosch und Siemens Hausgerate GmbH,EEDAL‘09 Energy Efficiency in Domestic Appliances and Lighting 16-18 June 2009,Berlin.P8.

[4]P Marc Lafrance.Looking Towards a more Cost Effective.Energy Efficient Future Energy Efficiency in Domestic Appliances and Lighting Conference 2009 Berlin,Germany,16 June 2009.P9.

[5]John Betten和 Robert Kollman.德州儀器（TI）www.ti.com.cn LED照明的電源拓撲結構.P3.

[6]James R Brodrick,Ph D U S.Department of Energy DOE Solid-State Manufacturing Workshop Chicago.Illinois July 14,2009,P5.

[7]Mike Hack，The History and Future Trends.Uni versal Display corporation OLEDs.Chicago,Illinois July 14,2009,P25.

[8]James R Brodrick,Ph D.DOE Solid State Lighting Status and Future.US Department of Energy Building Technologies Program August 3，2004 SPIE 49thAnnual Meeting Denver,Colorado,P14.

[9] Bruce Kinzey.LED and Cost-Effectiveness.Frankly Speaking Bruce Kinzey GATEWAY Program Manager Pacific Northwest National Laboratory Voice for SSL Efficiency 2009 July 15,2009-Chicago,IL.P4.

[10]Mike Krames.Lumileds The Potential is There with LEDs.Voices for SSL Efficiency 2009-Chicago,IL,.P21.

[11]James R Brodrick,Ph D.ENERGY STAR Solid-State Lighting Stakeholder Meeting US Department of Energy Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Buildings Technologies Program February 8 2007,P6.

[12]Marc Ledbetter.ENERGY STAR SSL:Introduction and Approach Pacific Northwest National Laboratory ENERGY STAR SSL Stakeholders Meeting February 8，2007,P7.

[13]Jon Gamble.The global lighting revolution-Market Forecasts for Lamps.Ballasts&SemiconductorsSenior Analyst,Datapoint Research Ltd.APEC SP1.4,2009,P9.