LED照明與驅(qū)動(dòng)

路秋生

(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100050）

1 LED的主要特點(diǎn)與進(jìn)展

1962 年 Nick Holonyak，Jr.(Nick Holonyak，Jr.是IEEE的資深會(huì)員(Fellow））和他的兩個(gè)研究生M.George Craford(M.George Craford是 LumiLeds(現(xiàn)Philips）的技術(shù)負(fù)責(zé)人）和Russell Dean Dupuis一起做出了世界上第一只LED。Nick Holonyak，Jr.是IEEE榮譽(yù)金獎(jiǎng)的獲得者，自1963年以來(lái)是美國(guó)伊利諾伊州大學(xué)教授。

M.George Craford在1972年做出了第一只黃光LED，是目前美國(guó)僅有獲得國(guó)家技術(shù)金獎(jiǎng)和國(guó)家科學(xué)金獎(jiǎng)的13人之一。

至今，LED的技術(shù)性能有很大的提升，在手機(jī)、平板電視、室內(nèi)外照明等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

LED具有發(fā)光效率高、易于使用、控制方便、易于實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制、體積小、無(wú)環(huán)境污染等問(wèn)題，所以LED照明技術(shù)是普遍被看好的第4代新照明技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料介紹LED的最高發(fā)光效率可以高達(dá)370 lm/W，但是在實(shí)際使用中由于各種原因可能要低些，據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，目前LED實(shí)驗(yàn)室水平的發(fā)光效率已高達(dá)208 lm/W，并且隨著技術(shù)進(jìn)步LED的發(fā)光效率還會(huì)進(jìn)一步提高。

安捷倫的前任技術(shù)科學(xué)家Roland Haitz從1965年LED商業(yè)化至今的發(fā)展歷程觀察得出，LED的價(jià)格每10年將降為原來(lái)的1/10，性能則提高20倍。提出了關(guān)于LED發(fā)展的Haitz定律，給LED的發(fā)展留出很大的想象空間。實(shí)際工作中得出的結(jié)論與預(yù)測(cè)如圖1所示，能很好的和Haitz定律吻合。LED發(fā)展演進(jìn)(DOE 2011 MYPP）如表1所示。

圖1 實(shí)際工作中得出的結(jié)論與預(yù)測(cè)

表1 LED發(fā)展演進(jìn)(DOE 2011 MYPP）

2 LED照明的主要優(yōu)點(diǎn)

(1）沒(méi)有燈絲，抗震性好;

(2）無(wú)汞等重金屬環(huán)境污染，環(huán)境友好;

(3）在低溫環(huán)境下工作效果更好，沒(méi)有冷啟動(dòng)的問(wèn)題;

(4）方向性好，沒(méi)有浪費(fèi)的光，發(fā)光形式易于安排和設(shè)置;

(5）易于調(diào)光和控制，節(jié)能，可以創(chuàng)造出許多新的發(fā)光效果;

(6）啟動(dòng)時(shí)間短(納秒級(jí)），而HID則需要不小于10 min的啟動(dòng)時(shí)間;

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

(8）發(fā)光效率高，目前實(shí)驗(yàn)室的水平已達(dá)208 lm/W(2011年Cree公司給出的數(shù)據(jù)）等。

3 LED在使用中需注意的有關(guān)問(wèn)題

由于LED是新一代的照明電光源產(chǎn)品，在具體使用中還存在進(jìn)一步加深對(duì)LED使用的理解，積累有關(guān)使用經(jīng)驗(yàn)，正確使用LED的問(wèn)題。例如，LED驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)，LED驅(qū)動(dòng)電路是否閉環(huán)控制，控制反饋參數(shù)主要有哪些被控參數(shù)，LED的散熱等問(wèn)題都會(huì)對(duì)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(guān)數(shù)據(jù)比較表，可見(jiàn)在LED中輸入的所有能量分別以可見(jiàn)光(25%）和熱傳導(dǎo)(75%）的形式消耗掉，所以在LED的使用過(guò)程中散熱是確保LED可靠工作的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，LED的功率越大這個(gè)問(wèn)題越明顯。

表2 LED和其他照明光源的有關(guān)數(shù)據(jù)比較表

(1）LED的有關(guān)重要參數(shù)

在選用LED產(chǎn)品時(shí)需注意以下有關(guān)參數(shù)。

1）發(fā)光效率(lm/W）;

2）輸入功率(電流和電壓）;

3）輸出流明數(shù);

4）芯片尺寸;

5）相關(guān)色溫(CCT）;

6）顯色指數(shù)(CRI）;

7）壽命/工作可靠性;

8）在熱平衡狀態(tài)下進(jìn)行的熱工作性能;

9）有關(guān)性能數(shù)據(jù)是否有第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)參與等。

(2）熱設(shè)計(jì)

LED的結(jié)溫和環(huán)境之間的熱阻對(duì)LED的最大正向工作電流有很大的影響，減小這個(gè)熱阻對(duì)提高LED的工作壽命和改善LED的光學(xué)特性有很大的幫助。例如，LED隨著結(jié)溫TJ的上升，LED的正向電壓降VF下降，同時(shí)LED的輸入功率也下降。并且，LED的內(nèi)部和外部環(huán)境的改變都會(huì)影響LED的正向電壓降VF和結(jié)溫TJ。LED驅(qū)動(dòng)電路的印刷電路板(PCB）設(shè)計(jì)是否合理，機(jī)械部件的設(shè)計(jì)和安裝是否合理，LED的熱管理是否合理，LED驅(qū)動(dòng)器的外殼設(shè)計(jì)和墊片/密封劑(密封材料）的安裝和設(shè)計(jì)是否合理，LED工作時(shí)的色漂移(LED工作溫度的變化對(duì)它的色漂移會(huì)有影響）等因素都會(huì)對(duì)LED的熱工作特性有所影響，LED的CCT和結(jié)溫TJ的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 LED的CCT和結(jié)溫T J的關(guān)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(zhǎng)，但是，LED的光輸出會(huì)隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。LED的光輸出維持率LP是指隨著LED工作時(shí)間的增長(zhǎng)，LED光輸出維持值與起始值的百分比的時(shí)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(shí)間，L50(h）表示LED光輸出維持值是起始值50%的時(shí)間。

(2）流明維持率的計(jì)算

LM－21技術(shù)文件發(fā)布后，EPA利用指數(shù)模型來(lái)計(jì)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(jì)算過(guò)程計(jì)算。首先，利用指數(shù)模型有下式成立。

這樣，在6000 h時(shí)的光輸出流明維持率L70(6000）可以計(jì)算出

5 影響LED照明產(chǎn)品工作可靠性的有關(guān)因素

主要有以下因素影響LED照明產(chǎn)品工作的可靠性。

例如，LED的應(yīng)用場(chǎng)合是影響LED照明產(chǎn)品工作可靠性的一個(gè)因素，不同的用途、安裝方式、環(huán)境噪聲干擾、客戶服務(wù)和產(chǎn)品技術(shù)支持都會(huì)對(duì)LED照明產(chǎn)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(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)LED的工作特性有所影響。

LED驅(qū)動(dòng)電源的電路結(jié)構(gòu)、輸入電壓、輸出電壓和輸出電流特性，LED驅(qū)動(dòng)電源的散熱。LED的熱管理，LED驅(qū)動(dòng)電源的有關(guān)元器件(例如，電解電容器的工作特性），LED燈具機(jī)械部件的機(jī)械應(yīng)力、疲勞和抗震動(dòng)性。LED的光學(xué)部件的光輸出、光顏色、發(fā)光角、LED分級(jí)和LED的一致性。再如，LED燈具的安全和工作環(huán)境的工作溫度范圍、干/濕工作環(huán)境、濕度、腐蝕性、抗U/V、抗化學(xué)腐蝕性、故障指示和不正常使用/誤用等因素對(duì)LED照明產(chǎn)品工作可靠性都會(huì)有所影響。

LED燈的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要由驅(qū)動(dòng)電源、散熱器、LED驅(qū)動(dòng)控制芯片和光學(xué)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(jié)構(gòu)圖

6 LED的驅(qū)動(dòng)電路與有關(guān)要求

(1）對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的主要技術(shù)要求

1）瞬態(tài)工作特性(開(kāi)/關(guān)）;

2）閉環(huán)反饋控制，輸出穩(wěn)定;

3）工作效率和工作溫度范圍;

4）穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流工作特性;

5）高工作效率、工作可靠性高，對(duì) DC、AC/DC LED驅(qū)動(dòng)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(duì)更高級(jí)的LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有可以監(jiān)測(cè)和報(bào)告系統(tǒng)所有工作參數(shù)的功能，智能電壓控制的功能，例如，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的VF值無(wú)需分級(jí)、對(duì)由于LED驅(qū)動(dòng)器和LED燈具之間的線路電壓降進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和補(bǔ)償、光學(xué)反饋、自動(dòng)進(jìn)行白光LED的CCT(相關(guān)色溫）控制、多色LED與白光LED的CCT(相關(guān)色溫）控制的控制功能。

同時(shí)對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)電路還可以進(jìn)行有效的熱管理，例如，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的溫度實(shí)現(xiàn)智能管理和對(duì)LED燈具的熱管理功能。

在使用過(guò)程中，LED驅(qū)動(dòng)電路的工作效率在較高負(fù)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(qū)動(dòng)器的工作效率要低些，如圖4所示。

圖4 LED驅(qū)動(dòng)器工作效率與負(fù)載率的關(guān)系曲線

(2）LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)給出的主要技術(shù)指標(biāo)

使用中LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)給出以下有關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)。

1）工作溫度范圍;

2）在給定輸出功率、負(fù)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(guān)態(tài)功耗;

5）加電到有光輸出時(shí)間;

6）電源輸出過(guò)沖;

7）瞬態(tài)和過(guò)電壓保護(hù)特性;

8）與有關(guān)調(diào)光控制協(xié)議的兼容性;

9）與有關(guān)環(huán)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(shù)(有無(wú)功率因數(shù)校正）等。

(3）EPA能源之星對(duì)LED燈的技術(shù)要求

例如，EPA能源之星對(duì)LED燈還做出了CCT、色保持、CRI、質(zhì)量保證、使用條件、功率因數(shù)(對(duì)≤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(tài)保護(hù)和工作電壓(標(biāo)稱電壓）等技術(shù)要求。

(4）LED的相關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

1）目前有多種LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)可供選用;

2）每種LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn);

3）直流LED驅(qū)動(dòng)時(shí)LED的發(fā)光顏色穩(wěn)定，并且工作效率也高;

4）PWM調(diào)光——可以產(chǎn)生多種顏色;

5）PAM調(diào)光——可以產(chǎn)生多種顏色;

6）PFM調(diào)光——可以產(chǎn)生多種顏色;

7）以上各種驅(qū)動(dòng)技術(shù)的變種。

(5）LED的驅(qū)動(dòng)電路存在問(wèn)題

目前，質(zhì)量一般的LED燈具中的LED驅(qū)動(dòng)電路不采用閉環(huán)反饋控制技術(shù)，工作可靠性差，但是價(jià)格較低。

7 有關(guān)LED標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)

LED有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定對(duì)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很重要的意義，例如，世界上有許多標(biāo)準(zhǔn)制定組織都對(duì)LED有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定有很重要的影響。例如，美國(guó)目前在LED照明的色度(色品）、光通量、光輸出降級(jí)(壽命）、固態(tài)照明(SSL）的有關(guān)定義、色質(zhì)量、光合生理特性、安全(如眼睛的安全）和電安全方面都開(kāi)展了多項(xiàng)LED標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)。

再如，能源之星(Energy Star）對(duì)LED照明的有關(guān)要求和對(duì)能效產(chǎn)品的自愿標(biāo)識(shí)計(jì)劃。DOE關(guān)于SSL照明計(jì)劃，針對(duì)SSL照明的商業(yè)化開(kāi)展了SSL照明的測(cè)試計(jì)劃和SSL照明現(xiàn)實(shí)狀況的評(píng)估等活動(dòng)。

同時(shí)，為了使SSL產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，美國(guó)也成立了許多相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)SSL照明產(chǎn)品的性能進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)比，鼓勵(lì)質(zhì)量?jī)?yōu)秀的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。例如，Lighting for tomorrow，GATEWAY Demonstrations，Lighting facts，Next Generation LUMINAIRES和L－PRIZESM等活動(dòng)。

同時(shí)為了使中國(guó)的SSL照明市場(chǎng)規(guī)范化，中國(guó)政府也對(duì)市場(chǎng)上的有關(guān)SSL照明產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，鼓勵(lì)高質(zhì)量SSL產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的推廣應(yīng)用。

世界上制定 LED標(biāo)準(zhǔn)的主要組織如IEC，IES，CSA International，CIE，CE，ANSI(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究院:American National Standards Institute），UL，IEEE，Zhaga，NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院:National Institute of Standards and Technology），NEMA(美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì):National Electrical Manufactures Association）和中國(guó)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化制定機(jī)構(gòu)等。例如，美國(guó)NEMA標(biāo)準(zhǔn)化制定組織就針對(duì)SSL照明制定了表3所示的有關(guān)技術(shù)文件。

表3 NEMA負(fù)責(zé)生成的有關(guān)SSL技術(shù)文件

8 LED驅(qū)動(dòng)電路常遇到的有關(guān)干擾

在設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路時(shí)需對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾性給予足夠的重視，確保LED驅(qū)動(dòng)電路的可靠工作。LED驅(qū)動(dòng)電路常見(jiàn)的電干擾和產(chǎn)生原因如表4所示。

表4 LED驅(qū)動(dòng)電路常見(jiàn)的電干擾

9 小結(jié)

今后，SSL產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步降低SSL產(chǎn)品的每流明輸出的單價(jià)(￥/lm）、降低SSL產(chǎn)品的造價(jià)、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(yīng)用，在推廣過(guò)程中應(yīng)學(xué)習(xí)CFL的推廣歷史，總結(jié)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，同時(shí)還應(yīng)改進(jìn)暖色溫LED的性能，推廣LED照明在室內(nèi)的應(yīng)用，注意對(duì)SSL發(fā)光一致性和發(fā)光顏色的控制，改進(jìn)LED的生產(chǎn)過(guò)程及減少LED的分級(jí)，進(jìn)一步改善和提高LED的性能，降低LED的生產(chǎn)成本和注重有關(guān)LED標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)，降低SSL照明產(chǎn)品的成本和改善SSL照明產(chǎn)品的性能。這樣才有利于SSL市場(chǎng)的推廣和達(dá)到節(jié)能和環(huán)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