畢業(yè)設計---led照明系統的研究與設計

1、<p>　　學生畢業(yè)設計（論文）報告</p><p>　　系 別： 電子與電氣工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 微電子技術 </p><p>　　班 號： </p><p>　　學 生 姓 名：

2、 </p><p>　　學 生 學 號： </p><p>　　設計（論文）題目： LED照明系統的研究與設計 </p><p>　　指 導 教 師： </p><p>　　設 計 地 點：常州信息職業(yè)技術學院 </p><p>　　起

3、迄 日 期： 2010.5.4——2010.7.3 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　專業(yè) 微電子技術 班級 姓名 </p><p>　　一、課題名稱： LED照明系統的研究與設計

4、 </p><p>　　二、主要技術指標1、光效，理論上最大光效：683lm/W；2、色溫分級：暖色（<3300K）、中間色（3300K—300K）、 冷色（>5300K）；3、照度，低照度（約100—200lx以下）用暖色溫，中照度（約200—750lx）用中色溫；4、LED的顏色；5、LED的電流：一般小功率的LED的正向極限電流多在20mA。但大功率L

5、ED的功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W。1W LED的額定功率為350mA,3W LED的750mA；6、LED的正向電壓：LED的正極接電源正極,負極接電源負極；7、LED的反向電壓：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞；8、LED發(fā)光強度：光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的(發(fā))光強(度)，單位為坎德拉（cd）；9、LED光通量：光源在單位時間內發(fā)射出

6、的光量稱為光源的發(fā)光通量。單位為流明(lm)；10、LED光照度：1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產生的光照度.，單位為勒克斯(lx)；11、LED的使用壽命：LED一般可以使用50,000小時以上； </p><p>　　三、工作內容和要求：1、論述LED的發(fā)展史2、研究LED器件的光學特性、熱學特性、電學特性和工作原理。3、LED照明系統的電路設計4、分析PN結溫度升高對LED性能的影響

7、，討論LED燈具散熱的重要性，研究LED燈具的散熱途徑。5、分析LED照明系統模型并分析其組成部分——燈具、光源、控制器。最后，對全文的工作進行總結。 </p><p>　　四、主要參考文獻： </p><p>　　[1] 劉恩科，朱秉升，羅晉生等

8、 .半導體物理學．西安交通大學出版社 第7版,180--364 </p><p>　　[2] 王曉明，郭偉玲，高國，沈光地．LED—— 新一代照明光源．現代顯示，2005版，68--120</p><p>　　[3] 趙清泉，夏曉玲．半導體發(fā)光二極管的應用及其前景．大眾科技，20

9、05版，35--89 </p><p>　　[4] 周太明，電器照明設計.上海：復旦大學出版社，2001 年11 月 ，24--140 </p><p>　　學 生（簽名） 年 月 日</p><p>　　指 導 教師（簽名） 年

10、 月 日 </p><p>　　教研室主任（簽名） 年 月 日</p><p>　　系 主 任（簽名） 年 月 日</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）開題報告</p><p><b>　　目錄</b><

11、;/p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　第1章 前言…………………………………………………………..………….1</p><p>　　第2章 LED的發(fā)展及其基本知識………………………………………………1</p>

12、<p>　　2.1 LED的發(fā)展歷程………………………………………………………………1</p><p>　　2.2 LED的工作原理、特性及其分類……………………………………………3</p><p>　　第3章 LED照明系統的散熱性研究……………………………………………7</p><p>　　3.1 LED的結溫………………………………………………

13、……………………7</p><p>　　3.1.1 LED結溫的產生……………………………………………………………7</p><p>　　3.1.2 結溫對LED的影響…………………………………………………………8</p><p>　　3.2 LED的熱阻……………………………………………………………………10</p><p>　　3.2.1

14、 LED照明的熱阻模型及其構成特點………………………………………11</p><p>　　3.2.2 熱阻對LED芯片尺寸的影響………………………………………………12</p><p>　　3.2.3 常用熱阻測試方法…………………………………………………………12</p><p>　　3.2.4 減少LED熱阻值方法………………………………………………………13&

15、lt;/p><p>　　3.2.5 LED照明燈具散熱系統研究………………………………………………14</p><p>　　第4章 LED照明系統的電路設計………………………………………………16</p><p>　　4.1 照明用LED主要技術特性……………………………………………………16</p><p>　　4.2 LED驅動電路技術……

16、………………………………………………………17</p><p>　　4.2.1 LED驅動電路的基本原理…………………………………………………17</p><p>　　4.2.2 LED驅動電路的要求………………………………………………………19</p><p>　　4.2.3 LED驅動電路的設計………………………………………………………21</p>

17、<p>　　第5章 LED照明系統的組成……………………………………………………28</p><p>　　5.1 LED的照明燈具………………………………………………………………28</p><p>　　5.1.1 LED燈具的特點……………………………………………………………28</p><p>　　5.1.2 LED燈具的功能……………………………

18、………………………………29</p><p>　　5.1.3 LED燈具的基本介紹………………………………………………………29</p><p>　　5.1.4 LED燈具設計的指標………………………………………………………30</p><p>　　5.2 光源……………………………………………………………………………31</p><p>　

19、　5.3 驅動器…………………………………………………………………………33</p><p>　　第6章 LED照明系統的簡單應用………………………………………………34</p><p>　　第7章 結束語……………………………………………………………………37</p><p><b>　　答謝辭</b></p><p&

20、gt;<b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在當今全球能源緊缺的環(huán)境下，節(jié)約能源已成為大勢所趨。同時，國家也大力倡導節(jié)能減排，已結束的2008年北京奧運會和正在舉辦的2010年上海世博會都不約而同地以綠色節(jié)能為主題，這就給中國LED照明產業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的歷史機遇。LED與傳統光源相比，

21、具有節(jié)能、環(huán)保、響應時間短、效率高、體積小、壽命長、抗震性好等多項優(yōu)勢，因而受到人們的青睞,也成為當前各國半導體照明領域研究的熱點。本文圍繞LED用于照明燈的散熱設計、電路設計、燈具設計、照明系統設計等關鍵技術進行研究,具體完成的工作歸納如下：1.研究了LED器件的光學特性、熱學特性、電學特性。分析了LED的工作原理，對各項性能的研究。2.分析了PN結溫度升高對LED性能的影響，討論了LED燈具散熱的重要性,研究了LED燈具的散熱途徑。

22、分析了LED的熱阻及其模型，熱阻的測試和減小熱阻的方法。3.分析了LED照明系統的設計，研究了LED照明系統的電路設計、燈具設計，討論了驅動電路的工作原理和設計要求、燈具的設計功能和指標，通過燈具、光源、驅動器組成了一個照明系統。最后，對全文的工作進行了總結。</p><p>　　關鍵詞：LED；照明系統；驅動電路；散熱；</p><p><b>　　Abstract</b

23、></p><p>　　In today's environment of global energy shortage, energy conservation has become a trend. The state advocate energy saving, has ended the 2008 Beijing Olympic Games and is being held in Wor

24、ld Expo 2010 Shanghai Coincidentally, both the green energy theme this to the development of China's LED lighting industry brought great historical opportunity . Compared with the traditional light source LED, energy

25、 saving, environmental protection, response time, high efficiency, small size, long life and go</p><p>　　Keywords: LED；Lighting System；Drive circuit；Cooling</p><p><b>　　第1章 前言</b>&l

26、t;/p><p>　　LED被認為是21 世紀的照明光源。LED發(fā)光器件是冷光源，光效高，工作電壓低，而且能耗低，同樣亮度下，LED能耗為白熾燈的10%，熒光燈的50%。LED壽命可達10萬小時，是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍。用LED 替代白熾燈或熒光燈，環(huán)保無污染。使用安全可靠，便于維護。我國照明用電占總發(fā)電量的12%。目前，公共建筑的照明燈具控制大多采用手動開關，經常出現沒有及時開關的現象，從而造成大量的能

27、源浪費和使用上的不便。另外，不必要的使用，也會縮短燈具的使用壽命。</p><p>　　第2章 LED的發(fā)展及其基本知識 </p><p>　　LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由

28、兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光</p><p>　　的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。 </p><p>　　

29、2.1 LED的發(fā)展歷程</p><p>　　圖2-2LED發(fā)展史歷程</p><p>　　1907年Henry Joseph Round 第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現象。由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實際應用；研究被摒棄了。二十年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard 在德國使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光。再一次因發(fā)光暗淡而停止。</p&g

30、t;<p>　　1936年,George Destiau出版了一個關于硫化鋅粉末發(fā)射光的報告。隨著電流的應用和廣泛的認識，最終出現了“電致發(fā)光”這個術語。 LED光源的正式問世是在上世紀60年代，當時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。</p><p>　　70年代中期，引入元素In和N，使LED產生綠

31、光（λp=555nm）、黃光（λp=590nm）和橙色光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。 </p><p>　　80年代初，出現了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。</p><p>　　90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的發(fā)光效率得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)

32、（λp=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的發(fā)光效率可以達到50流明/瓦。</p><p>　　LED以其固有的特點，如省電、壽命長、耐震動，響應速度快、冷光源等特點，廣泛應用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領域，在我們的日常生活中處處可見，家用電器、電話機、儀表板照明、汽車防霧燈、交通信號燈等。但由于其亮度差、價格昂貴等條件的限制，無法作為通用光源推廣應用

33、。 </p><p>　　近幾年來，隨著人們對半導體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不斷進步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實現了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現，使LED應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。曾經有人指出，高亮度LED將是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之

34、一。 </p><p>　　目前在美國，戶外照明所消耗的電量約占其總發(fā)電量的4.4%。正是基于這一情況，美國眾議院最近提出了一份新議案，要求逐步淘汰能效低下的舊技術(如白熾燈和鹵素燈)，為能效更高、更具成本效益的新照明技術(如高亮度LED)的發(fā)展鋪平道路。</p><p>　　在全球范圍內，上至政府機構、工業(yè)和商業(yè)領域，下至普通大眾都在積極尋求降低能耗的有效途徑。最初的嘗試主要放在容易實現

35、的目標上，比如選擇適當的住宅隔熱材料、使用太陽能板以及節(jié)約能源等。如今，已有相對完善的法律規(guī)定，要求我們必須使用高能效的白色家電、適配器和充電器、消費類電子產品以及辦公設備。近些年來，隨著高亮度LED成本的不斷下降，人們也開始對諸如標準家用燈泡等以前所接受的產品重新進行評估。在許多國家(包括美國、德國、英國、愛爾蘭和澳大利亞)，新制定的能效標準已上升為法律，將有效禁止白熾照明的繼續(xù)使用。</p><p>　　美國

36、眾議院加利福尼亞州第36號選區(qū)議員Jane Harman在2009年3月26日發(fā)表演講，提出了一項“戶外照明能效法案”，該法案計劃通過解決街道照明問題來逐步淘汰標準燈泡。新提案獲得眾議院通過后，第一期標準將會于2011年制定完成，隨后的標準將分別于2013年和2015年制定完成。屆時，美國能源部將會進一步提高能效標準。該法案還要求戶外照明燈的亮度必須是可控制的，以便于用戶更改它們的發(fā)光量，原因是人們在黃昏和深夜時分所需要的亮度水平是不同

37、的。這一功能非常重要，因為它將賦予城市、縣鎮(zhèn)和其他用戶對其用電水平更大的控制權。這項法案參照了加利福尼亞州已實施的相關法律以及其他州早已通過的戶外照明標準。</p><p>　　LED燈最早亮相街頭要追溯到上世紀90年代，那時，城市當局開始使用固態(tài)照明設計來替換白熾交通信號燈。為了實現LED交通信號燈在其街道照明系統中的能源及維護節(jié)省，許多城市紛紛開展了范圍廣泛的LED路燈試驗。</p><p

38、>　　2.2 LED的工作原理、特性及其分類</p><p>　　（一）LED發(fā)光原理 </p><p>　　發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注

39、入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發(fā)光，如圖2-3所示。</p><p>　　假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高

40、。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結面數μm以內產生。 </p><p>　　理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度Ｅg有關，即</p><p>　　λ≈1240/Eg（mm） </p><p>　　式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導體材料的Eg應在3.26～

41、1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。 </p><p>　　（二）LED的特性 </p><p>　　1．極限參數的意義 </p><p>　　（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。 </p>

42、<p>　?。?）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。 </p><p>　?。?）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。</p><p>　　（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。 </p><

43、p><b>　　2．電參數的意義 </b></p><p>　　（1）光譜分布和峰值波長：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖2所示。 </p><p>　　由圖2-4可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長λ0的光強最大，該波長為峰值波長。 </p><p>　?。?）發(fā)光強度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線（對圓柱形發(fā)光

44、管是指其軸線）方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/sr時，則發(fā)光1坎德拉（符號為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉(mcd)作單位。 </p><p>　　（3）光譜半寬度Δλ:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔. </p><p>　?。?）半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與

45、發(fā)光軸向（法向）的夾角。 </p><p>　　半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。</p><p>　　圖2-5給出的二只不同型號發(fā)光二極管發(fā)光強度角分布的情況。中垂線（法線）AO的坐標為相對發(fā)光強度（即發(fā)光強度與最大發(fā)光強度的之比）。顯然，法線方向上的相對發(fā)光強度為1，離開法線方向的角度越大，相對發(fā)光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。 </p><p>　

46、　（5）正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應根據需要選擇IF在0.6·IFm以下。 </p><p>　?。?）正向工作電壓VF：參數表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時，VF將下降。</p><p>　?。?）V-I特性：發(fā)光二極管的電壓與電流

47、的關系可用圖2-6表示。</p><p>　　在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數。正向的發(fā)光管反向漏電流IR<10μA以下。 </p><p>　?。ㄈ㎜ED的分類 </p><p>　　1．按發(fā)光管發(fā)光顏色分 </p&g

48、t;<p>　　按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。 </p><p>　　根據發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。 </p><p>　　2．按發(fā)光管出光面特征

49、分 </p><p>　　按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。 </p><p>　　由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分

50、有三類： </p><p>　?。?）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。 </p><p>　?。?）標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。 </p><p>　?。?）散射型。這是

51、視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。 </p><p>　　3．按發(fā)光二極管的結構分 </p><p>　　按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。 </p><p>　　4．按發(fā)光強度和工作電流分 </p><p>　　按發(fā)光強度和工作電流分有普通

52、亮度的LED（發(fā)光強度<10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強度>100mcd）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。 </p><p>　　一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。 </p><p>　　除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。</p><p&

53、gt;　　第3章 LED照明系統的散熱性研究</p><p>　　LED在工作時會大量發(fā)熱，散熱不良將導致芯片結溫迅速上升，環(huán)氧樹脂炭化變黃，LED加速光衰，降低了LED的壽命，因而要解決散熱問題。常用鋁質基來給LED散熱，這就牽涉到絕緣問題，如果絕緣不好會導致大量LED不通或者損毀。另外，用于隧道、偏遠地區(qū)等潮濕、灰塵大的場合還要考慮放水、防塵等工藝。</p><p>　　LED器件的

54、散熱途徑主要是熱傳導和熱對流。</p><p>　　3.1 LED的結溫</p><p>　　LED是個光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。例如，1個10W白光LED若其光電轉換效率為20%，則有8W的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結溫（TJ）上

55、升超過最大允許溫度時（一般是150℃），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。</p><p>　　3.1.1 LED結溫的產生</p><p>　　LED的基本結構是一個半導體的P-N結。實驗指出，當電流流過LED器件時，P-N結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把P-N結區(qū)的溫度視之為結溫。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把

56、LED芯片的溫度視之為結盟。在LED工作時，可存在以下四種情況促使結溫不同程度的上升：</p><p>　　1、器件不良的電極結構，窗口層襯底或結區(qū)的材料以及導電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構成LED器伯的串聯電阻。當電流流過P-N結時，同時也會流過這些電阻，從而產生焦耳熱，引致芯片溫度或結溫的升高。</p><p>　　2、由于P-N結不可能極端完美，器件的注入效率不會達

57、到100%，也即是說，在LED工作時除P區(qū)向N區(qū)注入電荷（空穴）外，N區(qū)也會向P區(qū)注入電荷（電子），一般情況下，后一類的電荷注入不會產生光電效應，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會全部變成光，有一部分與結區(qū)的雜質或缺陷相結合，最終也會變成熱。</p><p>　　3、實踐證明，出光效率的限制是導致LED結溫升高的主要原因。目前，先進的材料生長與器件制造工藝已能使LED極大多數輸入電能轉換成光

58、輻射能，然而由于LED芯片材料與周圍介質相比，具有大得多的折射系數，致使芯片內部產生的極大部分光子（>90%）無法順利地溢出界面，而在芯片與介質面產生全反射，返回芯片內部并通過多次內部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動的形式變成熱，促使結溫升高。</p><p>　　4、顯然，LED器件的熱散失能力是決定結溫高低的又一個關鍵條件。散熱能力強時，結溫下降，反之，散熱能力差時結溫將上升。由于環(huán)氧膠是低熱

59、導材料，因此P-N結處產生的熱量很難通過透明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層，PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關材料的導熱能力將直接影響器件的熱散失效率。一個普通型的LED，從P-N結區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在300-600℃/w之間，對于一個具有良好結構的功率型LED器件，其總熱阻約為15-30℃/w。巨大的熱阻差異表明普通型器件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦級甚

60、至更高。</p><p>　　3.1.2 結溫對LED的影響</p><p>　?。?）對LED光輸出的影響</p><p>　　實驗指出，LED的光輸出均明顯依賴于器件的結晶。當LED的結溫升高時，器件的輸出光強度將逐漸減小，而光結溫下降時，光輸出強度將增大。</p><p>　　表（3-1）列出了相對于25℃而言100℃結溫時不同波長響

61、應的InGaAlP與InGaN LED的光輸出通量的相對變化值。這種變化的數字表達式如式（1-1）所示</p><p>　　φv(T2 )= φv(T1)e-k△T (1-1)</p><p>　　其中φv(T2 )與φv(T1)分別表示結溫T2與T1的光通量輸出，k為溫度系數，△T= T2 - T1 。一般情況下，K值可由實驗測定，對

62、于InGaAlP LED,K值約為1×10-2，隨發(fā)光波長的變短略有增加。式（1-2）指出了光輸出通量結溫變化的另一種表示形式</p><p>　　φT2=φT1e-( T2- T1 /T0) (1-2)</p><p>　　表3-1 100℃結溫時相對于25℃結溫LED光通量的相對變化</p><

63、p>　　這里T0表一種特征溫度，T值與材料有關。實驗指出，對于紅色的InGaAlP LED，T0 =85℃，對于琥珀色InGaAlP LED，T0 ≈55℃。而對于InGaN LED，T0 值約為840℃，表明InGaN器件的溫度系數遠小于發(fā)紅、黃光的InGaAlP器件，也即光通量隨溫度增加而減小的速率比InGaAlP小得多。</p><p>　　一般情況下，光輸出通量隨結溫的增加而減小的效應是可逆的，也即

64、當溫度回復到初始溫度時，光輸出通量會有一個恢復性的增長。這種效應的發(fā)生機制顯然是由于材料的一些相關參數會隨溫度變化，從而導致器件參數的變化。如隨溫度的增加，電子與空穴的濃度會增加，禁帶寬度會變小，電子遷移率也將減小。這些參量的變化必定引致器件輸出光通量的改變。然而當溫度恢復至初態(tài)時，器件參數的變化也將隨之消失，輸出光通量也會回復至初態(tài)值。</p><p>　?。?）對發(fā)光波長和顏色的影響</p>&

65、lt;p>　　LED的發(fā)光波長一般可分成峰值波長與主波長二類，前者表示光強最大的波長，而主波長可由X、Y色度坐標決定，反映了人眼可感知的顏色。顯然，結溫所引致的LED發(fā)光波長的變化將直接造成人眼對LED發(fā)光顏色的不同感受。對于一個LED器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長或顏色。InGaAlP與InGaN材料屬III-V族化合物半導體，它們的性質與GaAs相仿，當溫度升高時，材料的禁帶寬度將減小，導致器件發(fā)光波長變

66、長，顏色發(fā)生紅移。通常可將波長隨結溫的變化表示如下：</p><p>　　λ（T2）=λ（T1）+ΔTK（nm/℃） （1-3） </p><p>　　其中：λ（T2） 結溫T2時的波長</p><p>　　λ（T1） 結溫T1時的波長</p><p>　　Kd，Kp 主波長與峰值波長隨溫度的變化系數&

67、lt;/p><p>　　表3-2 LED波長偏移系數</p><p>　　表3-2指出了InGaAlP與InGaN器件主波長與峰值波長的K值，由表可知，對于InGaN與InGaAlPLED，峰值波長隨溫度的變化要大于主波長隨溫度的變化，其中InGaAlPLED尤甚。</p><p>　　人眼對不同波長的顏色感知靈敏度是存在著很大差異的，在藍、綠、黃區(qū)域，很小的波長變化

68、就將引致人眼感覺上的變化，從而對藍、綠、黃器件的溫升效應提出了更高的要求，一般來說，2-5nm的波長變化人眼就可以感覺到，而對紅光波長的變化，人眼的感覺就要相對遲鈍一些，但也能感覺到15nm的波長差異。為定量地表明人眼對不同波長顏色的感知程度，有些公司的產品將顏色倉的波長間隔分得很細，僅為2-3nm，但對于紅色區(qū)域，其間隔擴大到15nm。這就是說，為什么對黃色交通信號燈的顏色標定與均勻度的要求較高，而紅色交通信號燈的顏色要求相對要低得多

69、。</p><p>　　（3）LED的正向電壓與結溫之間存在的關系</p><p>　　正向電壓是判定LED性能的一個重要參量，它的數值取決于半導體材料的特性、芯片尺寸以及器件的成結與電極制作工藝。相對于20mA的正向電流，通常InGaAlP LED的正向電壓在1.8V～2.2V之間，而發(fā)藍、綠光的InGaN LED的正向電壓處在3.0V～3.5V之間。在小電流近似下，LED器件的正向壓降

70、由式（1-4）表示：</p><p>　　V1 =（nkT/q）In（I1 /I0）+RsIf (1-4)</p><p>　　式中V1 為正向電壓、If為正向電流，I0 為反向飽和電流，q為電子電荷，K是玻爾茲曼常數，Rs是串聯電阻，n是表征P-N結完美性的一個參量，處在1-2之間。分析式（1-3）的右邊發(fā)現，只是反向飽和

71、電流I0與溫度密切相關，I0 值隨結溫的升高而增大，導致正向電壓 V1 值下降，實驗指出，在輸入電流恒定的情況下，對于一個確定的LED器件，二 正向壓降與溫度的關系可由式（1-5）表示：</p><p>　　VfT =VfT0+K（T-T0 ） (1-5)</p><p>　　式中VfT與V fT0分別表示結溫為T與T0時的正向壓降，

72、K是壓降隨溫度變化的系數對于InGaAlP與InGaAlP與InGaN LED其K值大致可由表1-3所示。</p><p>　　表3-3 InGaAlP與InGaN LED的電壓溫度系數</p><p>　　溫度的變化是可恢復的，但在高溫情況下，由于結區(qū)缺陷與雜質的大量增殖與集聚，也將造成額外復合電流的增加，而使正向電壓下降，甚至出現惡性循環(huán)。通常，恒流是LED工作的較好的模式，如在恒壓

73、條件下，由于溫升效應使正向電壓下降與正向電增加，并形成惡性循環(huán)，最終導致器件損壞。</p><p>　　3.2 LED的熱阻</p><p>　　通常將二個節(jié)點間單位熱功率輸運所產生的溫度差定義為該二個節(jié)點間的熱阻。其數學表達式為：</p><p>　　R0=ΔT/PD （1-6）&l

74、t;/p><p>　　其中R0為節(jié)點1與2之間的熱阻，ΔT為節(jié)點1與2之間的溫差，PD為二點間的熱功率流，熱阻的單位為℃/W，即二點間流過單位熱功率流（W）所產生的溫度差。顯然，熱阻R0越大，散熱能力越差；反之，R0越小，散熱能力越強。當電功率W=VF?IF施加到LED上后，在器件的P-N結處將會產生大量的熱，致使芯片溫度迅速升高。由于器件良好的熱特性，大部分熱量將通過銀漿、管殼、散熱基板、PCB散發(fā)到周圍環(huán)境中去，

75、從而抑制了器件芯片的升溫。</p><p>　　類同于電學中的電阻特性，熱阻也存在著相同的運算法則。當n個熱阻R01，R02……R0n相串聯時，系統的總熱阻為所有熱阻值的相加，即</p><p>　　R0總= R01+ R02+ R03+……+R0n （1-7）</p><p>　　當n個熱阻R01、R02、R03…

76、…R0n相并聯時，系統總熱阻的倒數等于各個熱阻的倒數之和。</p><p><b>　　即</b></p><p>　　1/R0總= 1/R01+ 1/R02+ 1/R03+……1/+R0n （1-8）</p><p>　　顯然，熱阻是熱學中的一個重要參量，實驗上，只要我們測得二節(jié)點間的熱功率流以及二個

77、節(jié)點處的溫度，我們就可根據式（1-6）求得該二個節(jié)點間的熱阻。同樣，只要知道某系統二個節(jié)點間的熱阻與熱功率流數值，我們就可以求得二點間的溫差，并且可以根據某點處的溫度，求得另一個節(jié)點的溫度值。</p><p>　　3.2.1 LED器件的熱阻模型及其構成和特點 </p><p>　　從LED器件的結構，可以建立它的熱阻構成的模型。圖3-1是一個典型的LED器件結構示意圖。由圖知，暫不計L

78、ED芯片有源層到襯底間的熱阻，則芯片內部主要是襯底的熱阻，我們用RθS來表示；第二，襯底與引線支架間由于存在粘結層，因此襯底到支架有一個粘結材料引人的熱阻，用Rθx來表示；第三，安放芯片的支架到自由空間的熱阻Rθf，這三個熱阻構成LED芯片PN結到空氣之間的總熱阻Rθ，于是：

79、 </p><p>　　(1)襯底到支架的熱阻。</p><p>　　假定芯片襯底是一個200μm的正方形，銀膠的厚度為100μm,已知銀膠的導熱</p><p>　　系數為20W/m*k,可求得芯片襯底到支架的熱阻為：</p><p>　　Rθx=h/ρ銀膠

80、*s=0.1mm/20W/m*k*0.2mm*0.2mm≈125℃/W</p><p>　　(2)LED襯底的熱阻。</p><p>　　若LED襯底是GaAs，則ρGaAs≈18W/m*k,當厚度為0.2mm時，襯底的熱阻：</p><p>　　RθS=0.2mm/18W/m*k*0.2*0.2*10-8M2≈138℃/W</p><p>

81、<b>　　(3)支架的熱阻。</b></p><p>　　鐵支架到空氣的熱阻可求得為4.2℃/W，這個LED的總熱阻Rθ=RθS+Rθx+Rθf=267℃/W。這個LED當使用環(huán)境溫度為65℃時，它最多能承受的電功率小于0.2W。</p><p>　　上面討論中，還未計人芯片有源層本身的熱阻，只是這一層比較薄，盡管也是GaAs材料，由于厚度公幾十微米，其熱阻較襯底4

82、～5倍，約在30℃/W左右?？梢钥闯?，普通封裝的LED其總熱阻在300℃/W左右，只適用于小功率使用。</p><p>　　根據上述的熱阻模型，LED的熱阻的主要貢獻在于襯底和襯底到支架間的粘合材料引起的熱阻，對于功率LED要降低熱阻除加大襯底面積（即芯片面積）外，用高導熱系數材料作襯底，及用高導熱系數的合金材料作粘結料是降低LED熱阻的主要途徑。例如，用導熱系數為75W/M*K的硅材料作襯底，在芯片面積為1mm

83、2,硅襯底厚度為0.8mm時，襯底的熱阻RθS為：</p><p>　　RθS=h/ρsi*s=0.3*10-3/75*1*10-6≈4℃/W</p><p>　　這就比常規(guī)0.2mm*0.2mm面積的GaAs襯底熱阻低得多。若再用純錫（Sn）作襯底與支架的焊料時，粘結層熱阻Rθx就為：</p><p>　　Rθx=h/ρsi*s=0.2*10-3/76W/m*k*

84、1*10-6≈2.6℃/W</p><p>　　這樣，功率LED的總熱阻有望可以控制在4～6℃/W以內， 此時熱阻主要貢獻在于芯片材料本身。目前已有熱阻低于40℃/W的封裝，但這要求LED芯片在襯底材料和粘合材料上改進，前者用硅作襯底，后者用AuSn或鉛錫（PbSn）等合金材料用合金工藝來將芯片粘結在引線支架上，取代常規(guī)的銀膠。</p><p>　　3.2.2 熱阻對LED芯片尺寸的影響

85、 </p><p>　　倒裝焊更有利于散熱，但凸焊點的熱阻還需減小。</p><p>　　導熱銀膠的熱阻有待改善。</p><p>　　封裝材料方面，傳統的環(huán)氧膠高溫性能不佳。</p><p>　　圖3-2 熱阻對LED芯片影響</p><p>　　功率芯片尺寸的增加受限于器件導熱能力；</p><

86、p>　　常規(guī)的工藝與材料，則芯片功率1瓦較為合適；</p><p>　　單個器件功率的增加將以縮短壽命為代價；</p><p>　　3.2.3 常用熱阻測試方法</p><p>　　根據LED的熱阻公式：</p><p>　　Rθ= △ T / W （1-10）</p><p

87、>　　式中，△T結=T— T環(huán)境 ，W為輸入電功率，一般情況下，W=V*I，其中V是外加電壓，I為正向電流。由于式（1-10）中，T 是可以測得的，W也可通過計算求得。因此我們只要測出PN結T，就可以求得LED的總熱阻值Rθ，一個簡單而直接的辦法是采用微型熱偶或紅外測溫顯微鏡，直接測得LED芯片表面的溫度，并將此溫度視為芯片結溫。然而，此方法顯然有些粗糙，并且對于一個現成的LED管難于直接測量芯片表面的溫度。通常可利用確定電流下的

88、正向偏壓與結溫之間正比變化的關系來判定LED的結溫。</p><p>　　根據PN結的電流公式，LED的VF可以表示為：</p><p>　　VF=KT/q*InIF/IF(0)=KT/q*C （1-11）</p><p>　　式中用C=In IF/IF(0)，當IF為常數（即恒流情況下）時C為常數。對（1-11）式求溫度T的導數可以得

89、：</p><p>　　dVF / dT = k / q * C （1-12） </p><p>　　對一個LED來講，（1-12）式是線性關系，大量測試證明LED的VF溫度系數：</p><p>　　dVF/dT ≈－1.8 –mv/℃～－2mv℃范圍內的負溫度系數，基本上是一個可預知的數。一般可取dVF/DT=－2mv/°

90、,作工程近似計算數值。</p><p>　　我們在被測LED上施加不足以引起PN結溫升的恒定較小的電流（例如IF=1MA），并將被測LED放置在溫度可調節(jié)的恒溫槽（或箱）內測出不同Tj下的VF值。可以發(fā)現它符合（1-12）式的規(guī)律，可做由圖1所示的VF－T 曲線：</p><p>　　假設被測LED在Tj = 100℃時，其VF=1.7V,在20℃時,其VF = 1.7V80℃*2mv/℃

91、=1.86V。</p><p>　　第二步可以對被測LED在常溫下施加足夠大的電功率P0，使其溫生提高，當達到溫度平衡時，此時快速切斷這一電功率，并轉換成IF在小電流狀態(tài)，迅速測出其VF，例如測得VF=1.70V，則可以知道，在功率P0使然下，LED PN 結溫上升達到100℃，p0作用下溫度從常溫25℃上升到Tj=100℃。于是就可以計算出這個LED PN結到空氣間的熱阻（總熱阻）假設P0=1W時有：</

92、p><p>　　Rθ=△Tj/P4=（100℃－25℃）/1W=75℃/W</p><p>　　以上就是測量熱阻的一個更為常用的方法。</p><p>　　3.2.4 減小LED的熱阻值方法</p><p>　　對于一個LED管，設法降低PN結與應用環(huán)境的熱阻是提高器件散熱能力的根本途徑。由于環(huán)氧膠是低熱導材料，因此PN結處產生的熱量很難通過透

93、明環(huán)氧向上散熱到環(huán)境中去、大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘結層、PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然、相關材料的導熱能力將直接影響器件的熱阻與散熱性能。</p><p>　　表3-4 LED襯底材料的熱導系數：</p><p>　　表3-5常用熱沉材料的熱導系數：</p><p>　　表3-4、表3-5指出了若干常用的襯底與熱沉材料的導熱系數值。銀漿與環(huán)氧的數據未在表中

94、列出，他們的導熱系數值分別為20–30 w/m·k與15–25 w/m·k。知道了材料的熱導系數，即可根據下式計算熱阻值：</p><p><b>　　Rθ=h/ρ*s</b></p><p>　　式中 為物體的熱導系數，單位為w/m·k（瓦/米*度）。S為物體截面積單位為㎡（平方米）。H為導熱路徑上二個節(jié)點間的距離，單位為m（米）。顯然

95、為減小LED的總熱阻，應設法減小芯片PN結到環(huán)境之間的距離，增大散熱通道面積及采用高熱導的材料，由于LED的襯底材料GaAs、藍寶石以及環(huán)氧、銀漿與粘結劑均是一些低熱導的材料，為減小熱阻，近年來相繼開發(fā)了去除GaAs襯底、采用倒裝結構以及改用金屬直接替代膠結等新技術。目前這些技術逐漸成熟，并大量投入生產。</p><p>　　由表3-5可知，純銅與純鋁是二種具有極高熱導的適與制造LED支架與熱沉的材料。材料確定后

96、，散熱通道的截面積與散熱片表面積的大小決定了器件的總熱阻。實驗指出，散熱面積越大，熱阻越低。另外，通過風扇使環(huán)境氣氧產生了強制交換，也是減小阻的有效途徑。</p><p>　　3.2.5 LED照明燈具散熱系統研究</p><p>　　散熱是led路燈要重點解決的問題。led是冷光源，不象白熾燈那樣產生灼熱的高溫，但是，led本身耐溫能力比較差，所以必須將發(fā)光管工作時產生的熱量有效的散發(fā)到

97、空氣中去，保證芯片工作在安全的溫度環(huán)境下，這樣led燈才能真正的體現出長壽命的優(yōu)勢。led的管芯和涂覆的熒光粉都是在幾百度的高溫條件下生產出來的，本身有一定的耐溫能力。但是，led的外殼和管芯之間存在熱阻，這個熱阻使led在使用時外殼和管芯之間出現溫差，管芯的溫度會高于外殼溫度。</p><p>　　由于發(fā)光管生產技術的進步，大功率發(fā)光管內部的熱阻越來越低，目前1瓦的發(fā)光管的熱阻普遍在15度/瓦以下，也就是說，給

98、1瓦的發(fā)光管加1瓦的電功率，管芯比管殼的溫度只高15度。按照目前發(fā)光管管芯材料的耐溫水平，管芯溫度不超過150度就能長期安全的工作。這樣推算，外殼溫度135度時可以安全使用。但是，由于外殼封裝材料的限制，實際使用中的管殼溫度最好不超過70度，這樣管芯溫度只有85度，發(fā)光管的透明封裝材料也不會快速老化。長期穩(wěn)定工作沒有問題。因此，沒有必要將半導體燈工作時的溫度降得很低，但必須減小發(fā)光管外殼和燈體外殼之間的熱阻，這樣就可以以比較小的體積和比

99、較低的成本生產穩(wěn)定工作的半導體燈。</p><p>　　要有效的散熱，減小燈的體積和生產成本，燈體必須有合理的散熱結構。問題是怎樣合理的把發(fā)光管產生的熱量傳導到外殼上，怎樣有效的增大外殼和空氣的接觸面，并且有利于空氣在外殼表面上的流動，就是燈體熱結構設計要解決的問題。</p><p><b>　　燈具結構</b></p><p>　　組成結構：

100、一般led路燈由鋁合金壓鑄燈體，led模塊，鋼化玻璃透光罩，AC/DC恒流驅動器，電器室蓋板五部分組成。見圖3-3：</p><p>　　功能結構：散熱燈體，光源室，電器室三部分組成。</p><p><b>　　散熱研究</b></p><p>　　散熱材料的選擇：為了做好led路燈，首先我們對散熱材料進行選擇，目前散熱器所采用的基本為金屬材

101、料，這主要出于三方面的考慮：</p><p>　?、賹嵝阅芎谩鄬ζ渌腆w材料，金屬具有更好的熱傳導能力；</p><p>　?、谝子诩庸ぁ诱剐院?，高溫相對穩(wěn)定，可采用各種加工工藝；</p><p>　　③易獲取——雖然金屬也屬不可再生資源，但供貨量大，不需特殊工序，價格也相對低廉；依此確定了散熱片所用材料類型，具體種類的確定同樣需以此為標準。</p&

102、gt;<p>　　表3-6散熱片慣用材料與常見金屬材料的熱傳導系數</p><p>　　上表3-6中熱傳導系數的單位為W/mK，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（1K＝1℃）時的熱傳導功率。</p><p>　　數自然是越高越好，但同時還需要兼顧到材料的機械性能與價格。熱傳導系數很高的金、銀，由于質地柔軟、密度過大、及價格過于昂貴而無法廣泛采用；鐵則由于

103、熱傳導率過低，無法滿足高熱密度場合的性能需要，不適合用于制作高性能散熱片。銅的熱傳導系數同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在散熱片中使用較少。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導系數較高、密度小、價格低而受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應用領域中通常會摻加各種配方材料制成鋁合金，為此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片加工材料的理想選擇。</p><p>　　d．目前常

104、用的散熱方式有：</p><p>　　1.散熱膠配合散熱片使用但有弧度，內部空間有限，不能加散熱片的就不能使用，我們也都見過散熱片的體積是很大的。</p><p>　　2.使用風扇風扇不僅受弧度和內部空間的制約，還會產生噪聲大，震動的問題。</p><p><b>　　3.使用液冷</b></p><p>　　雖然不受弧

105、度和內部空間的影響，但成本太高了，還要經常換液。</p><p>　　4.進口高性質導熱膠。</p><p>　　第4章 LED照明系統的電路設計</p><p>　　LED是利用化合物材料制成PN結的光電器件。它具備PN結結型器件的電學特性、光學特性。</p><p>　　4.1 照明用LED主要技術特性</p><

106、p><b>　　1、電學特性</b></p><p>　　I-V特性：表征LED芯片PN結性能主要參數。LED的伏安特性具有非線性和單向導電性，即外加正向偏壓表現為低電阻，反之為高電阻。如圖1所示。</p><p>　　圖4-1 伏安特性曲線</p><p>　　（1）正向死區(qū)（圖1中的oa段或o’a’段）。a點電壓Va點對于o點電壓Vo

107、為開啟電壓，當V<Va時，外加電場尚未克服少數載流子擴散而形成勢壘電場，此時電阻R很大。開啟電壓對不同的LED其值不同，GaAs為1V，紅色GaAsP為1.2V，GaP為1.8V，GaN為2.5V。（2）正向工作區(qū)，工作電流IF與外加電壓呈指數關系：</p><p><b>　　(1-13)</b></p><p>　　式中：IS為反向飽和電流。在V>VF

108、的正向工作區(qū)，IF隨VF的增大呈指數規(guī)律上升：</p><p><b>　　(1-14)</b></p><p>　　正向電流IF是指LED正常發(fā)光時的正向電流值，在實際使用時應該根據需要選擇IF的值的大小，在0.6IFm（IFm為正向工作電流最大值）以下。正向工作電壓VF是在給定正向電流下得到的，一般在時測得的。LED的正向工作電壓VF為1.4-3V。在環(huán)境溫度升高