LED照明與驅動

路秋生

(北京信息職業技術學院，北京 100050）

1 LED的主要特點與進展

1962 年 Nick Holonyak，Jr.(Nick Holonyak，Jr.是IEEE的資深會員(Fellow））和他的兩個研究生M.George Craford(M.George Craford是 LumiLeds(現Philips）的技術負責人）和Russell Dean Dupuis一起做出了世界上第一只LED。Nick Holonyak，Jr.是IEEE榮譽金獎的獲得者，自1963年以來是美國伊利諾伊州大學教授。

M.George Craford在1972年做出了第一只黃光LED，是目前美國僅有獲得國家技術金獎和國家科學金獎的13人之一。

至今，LED的技術性能有很大的提升，在手機、平板電視、室內外照明等領域得到了廣泛的應用。

LED具有發光效率高、易于使用、控制方便、易于實現調光控制、體積小、無環境污染等問題，所以LED照明技術是普遍被看好的第4代新照明技術。據有關資料介紹LED的最高發光效率可以高達370 lm/W，但是在實際使用中由于各種原因可能要低些，據有關資料報道，目前LED實驗室水平的發光效率已高達208 lm/W，并且隨著技術進步LED的發光效率還會進一步提高。

安捷倫的前任技術科學家Roland Haitz從1965年LED商業化至今的發展歷程觀察得出，LED的價格每10年將降為原來的1/10，性能則提高20倍。提出了關于LED發展的Haitz定律，給LED的發展留出很大的想象空間。實際工作中得出的結論與預測如圖1所示，能很好的和Haitz定律吻合。LED發展演進(DOE 2011 MYPP）如表1所示。

圖1 實際工作中得出的結論與預測

表1 LED發展演進(DOE 2011 MYPP）

2 LED照明的主要優點

(1）沒有燈絲，抗震性好;

(2）無汞等重金屬環境污染，環境友好;

(3）在低溫環境下工作效果更好，沒有冷啟動的問題;

(4）方向性好，沒有浪費的光，發光形式易于安排和設置;

(5）易于調光和控制，節能，可以創造出許多新的發光效果;

(6）啟動時間短(納秒級），而HID則需要不小于10 min的啟動時間;

(7）工作壽命長，L70(70%的起始發光輸出流明維持率）的條件下大于50000 h;

(8）發光效率高，目前實驗室的水平已達208 lm/W(2011年Cree公司給出的數據）等。

3 LED在使用中需注意的有關問題

由于LED是新一代的照明電光源產品，在具體使用中還存在進一步加深對LED使用的理解，積累有關使用經驗，正確使用LED的問題。例如，LED驅動電路的結構，LED驅動電路是否閉環控制，控制反饋參數主要有哪些被控參數，LED的散熱等問題都會對LED的使用壽命有很大的影響。表2是LED和其他照明電光源的有關數據比較表，可見在LED中輸入的所有能量分別以可見光(25%）和熱傳導(75%）的形式消耗掉，所以在LED的使用過程中散熱是確保LED可靠工作的一個關鍵問題，LED的功率越大這個問題越明顯。

表2 LED和其他照明光源的有關數據比較表

(1）LED的有關重要參數

在選用LED產品時需注意以下有關參數。

1）發光效率(lm/W）;

2）輸入功率(電流和電壓）;

3）輸出流明數;

4）芯片尺寸;

5）相關色溫(CCT）;

6）顯色指數(CRI）;

7）壽命/工作可靠性;

8）在熱平衡狀態下進行的熱工作性能;

9）有關性能數據是否有第三方測試機構參與等。

(2）熱設計

LED的結溫和環境之間的熱阻對LED的最大正向工作電流有很大的影響，減小這個熱阻對提高LED的工作壽命和改善LED的光學特性有很大的幫助。例如，LED隨著結溫TJ的上升，LED的正向電壓降VF下降，同時LED的輸入功率也下降。并且，LED的內部和外部環境的改變都會影響LED的正向電壓降VF和結溫TJ。LED驅動電路的印刷電路板(PCB）設計是否合理，機械部件的設計和安裝是否合理，LED的熱管理是否合理，LED驅動器的外殼設計和墊片/密封劑(密封材料）的安裝和設計是否合理，LED工作時的色漂移(LED工作溫度的變化對它的色漂移會有影響）等因素都會對LED的熱工作特性有所影響，LED的CCT和結溫TJ的關系曲線如圖2所示。

圖2 LED的CCT和結溫T J的關系曲線

4 LED光輸出流明維持率

(1）流明維持率的含義

LED的工作壽命很長，但是，LED的光輸出會隨著工作時間的增長而下降。LED的光輸出維持率LP是指隨著LED工作時間的增長，LED光輸出維持值與起始值的百分比的時間。例如，使用中常用L70(h）表示LED光輸出維持值是起始值70%的時間，L50(h）表示LED光輸出維持值是起始值50%的時間。

(2）流明維持率的計算

LM－21技術文件發布后，EPA利用指數模型來計算LED光輸出流明維持率LP。例如，一只LED在25000 h下的光輸出流明維持率為70%，即可用L70(25000）表示。可以利用下面的計算過程計算。首先，利用指數模型有下式成立。

這樣，在6000 h時的光輸出流明維持率L70(6000）可以計算出

5 影響LED照明產品工作可靠性的有關因素

主要有以下因素影響LED照明產品工作的可靠性。

例如，LED的應用場合是影響LED照明產品工作可靠性的一個因素，不同的用途、安裝方式、環境噪聲干擾、客戶服務和產品技術支持都會對LED照明產品工作可靠性有所影響。

在LED的電工作特性方面，例如，LED的V/I特性、LED的正向工作電壓VF、LED的封裝結構也會對LED的工作特性有所影響。

LED驅動電源的電路結構、輸入電壓、輸出電壓和輸出電流特性，LED驅動電源的散熱。LED的熱管理，LED驅動電源的有關元器件(例如，電解電容器的工作特性），LED燈具機械部件的機械應力、疲勞和抗震動性。LED的光學部件的光輸出、光顏色、發光角、LED分級和LED的一致性。再如，LED燈具的安全和工作環境的工作溫度范圍、干/濕工作環境、濕度、腐蝕性、抗U/V、抗化學腐蝕性、故障指示和不正常使用/誤用等因素對LED照明產品工作可靠性都會有所影響。

LED燈的結構圖如圖3所示，主要由驅動電源、散熱器、LED驅動控制芯片和光學部件等部分組成，LED燈具的工作可靠性也由這4部分決定。

圖3 LED燈的結構圖

6 LED的驅動電路與有關要求

(1）對LED驅動器的主要技術要求

1）瞬態工作特性(開/關）;

2）閉環反饋控制，輸出穩定;

3）工作效率和工作溫度范圍;

4）穩態過電壓和過電流工作特性;

5）高工作效率、工作可靠性高，對 DC、AC/DC LED驅動器的工作效率＞85%;

6）輸出紋波小(電流和電壓紋波），最好有精確的電流控制(電流紋波變化＜5%）。

對更高級的LED驅動器應具有可以監測和報告系統所有工作參數的功能，智能電壓控制的功能，例如，可以實現對LED的VF值無需分級、對由于LED驅動器和LED燈具之間的線路電壓降進行自動檢測和補償、光學反饋、自動進行白光LED的CCT(相關色溫）控制、多色LED與白光LED的CCT(相關色溫）控制的控制功能。

同時對LED的驅動電路還可以進行有效的熱管理，例如，實現對LED驅動電源的溫度實現智能管理和對LED燈具的熱管理功能。

在使用過程中，LED驅動電路的工作效率在較高負載率條件下具有較高的工作效率，而在輕載工作條件下LED驅動器的工作效率要低些，如圖4所示。

圖4 LED驅動器工作效率與負載率的關系曲線

(2）LED驅動器應給出的主要技術指標

使用中LED驅動器應給出以下有關的主要技術指標。

1）工作溫度范圍;

2）在給定輸出功率、負載和溫度條件下的工作效率;

3）輸入和輸出電壓的變化范圍;

4）關態功耗;

5）加電到有光輸出時間;

6）電源輸出過沖;

7）瞬態和過電壓保護特性;

8）與有關調光控制協議的兼容性;

9）與有關環境光傳感器的兼容性;

10）電源的諧波失真;

11）在給定溫度、電壓等工作條件下的輸出電流變化情況;

12）最大輸出功率;

13）功率因數(有無功率因數校正）等。

(3）EPA能源之星對LED燈的技術要求

例如，EPA能源之星對LED燈還做出了CCT、色保持、CRI、質量保證、使用條件、功率因數(對≤5 W不作要求，＞5 W的LED燈PF必須≥0.70）、最低工作溫度、LED工作頻率(120 Hz～150 Hz）、電磁和射頻干擾、瞬態保護和工作電壓(標稱電壓）等技術要求。

(4）LED的相關驅動技術

1）目前有多種LED驅動技術可供選用;

2）每種LED驅動技術既有優點也有缺點;

3）直流LED驅動時LED的發光顏色穩定，并且工作效率也高;

4）PWM調光——可以產生多種顏色;

5）PAM調光——可以產生多種顏色;

6）PFM調光——可以產生多種顏色;

7）以上各種驅動技術的變種。

(5）LED的驅動電路存在問題

目前，質量一般的LED燈具中的LED驅動電路不采用閉環反饋控制技術，工作可靠性差，但是價格較低。

7 有關LED標準的開發

LED有關標準的制定對LED產業的發展有很重要的意義，例如，世界上有許多標準制定組織都對LED有關標準的制定有很重要的影響。例如，美國目前在LED照明的色度(色品）、光通量、光輸出降級(壽命）、固態照明(SSL）的有關定義、色質量、光合生理特性、安全(如眼睛的安全）和電安全方面都開展了多項LED標準的開發。

再如，能源之星(Energy Star）對LED照明的有關要求和對能效產品的自愿標識計劃。DOE關于SSL照明計劃，針對SSL照明的商業化開展了SSL照明的測試計劃和SSL照明現實狀況的評估等活動。

同時，為了使SSL產業健康發展，美國也成立了許多相關機構對SSL照明產品的性能進行檢測和對比，鼓勵質量優秀的產品進入市場。例如，Lighting for tomorrow，GATEWAY Demonstrations，Lighting facts，Next Generation LUMINAIRES和L－PRIZESM等活動。

同時為了使中國的SSL照明市場規范化，中國政府也對市場上的有關SSL照明產品進行質量檢測，鼓勵高質量SSL產品在國內外市場的推廣應用。

世界上制定 LED標準的主要組織如IEC，IES，CSA International，CIE，CE，ANSI(美國國家標準研究院:American National Standards Institute），UL，IEEE，Zhaga，NIST(美國國家標準和技術研究院:National Institute of Standards and Technology），NEMA(美國電氣制造商協會:National Electrical Manufactures Association）和中國有關的標準化制定機構等。例如，美國NEMA標準化制定組織就針對SSL照明制定了表3所示的有關技術文件。

表3 NEMA負責生成的有關SSL技術文件

8 LED驅動電路常遇到的有關干擾

在設計LED驅動電路時需對LED驅動電路的抗干擾性給予足夠的重視，確保LED驅動電路的可靠工作。LED驅動電路常見的電干擾和產生原因如表4所示。

表4 LED驅動電路常見的電干擾

9 小結

今后，SSL產品的發展趨勢是進一步降低SSL產品的每流明輸出的單價(￥/lm）、降低SSL產品的造價、提升單顆LED的輸出流明值、更為魯棒的封裝、更大的工作電流和更小的封裝外形因子。

為了更好地推廣SSL照明的應用，在推廣過程中應學習CFL的推廣歷史，總結有關經驗和教訓，同時還應改進暖色溫LED的性能，推廣LED照明在室內的應用，注意對SSL發光一致性和發光顏色的控制，改進LED的生產過程及減少LED的分級，進一步改善和提高LED的性能，降低LED的生產成本和注重有關LED標準的開發，降低SSL照明產品的成本和改善SSL照明產品的性能。這樣才有利于SSL市場的推廣和達到節能和環保的目的。

［1］2011，02，APEC Cree PPT

［2］James R.Brodrick，Ph.D.DOE，Lightfair International May 11，2010，PPT P4

［3］http://apps1.eere.energy/buildings/publications/ssl/thermal_white_leds.pdf

［4］Dr Geoff Archenhold，An Incredible Year for LED’s The story so far!，Aston Science Park/SSLRC 2007 PPT

［5］Mark Hodapp，Philips Lumileds，2011 Municipal Solid-State Street Lighting Consortium，USA，PPT，P3

［6］Jim Anderson，Smart Lighting for Accelerating LED Market Adoption and Increased Energy Saving，DOE R＆D Conference，2011，PPT

［7］Palph C.Tuttle，White LED Chromaticity Control-The state of the Art，Transformations in Lighting 2011 DOE Solid-State Lighting R＆D Workshop， Cree LED Lighting PPT，P12