【技术应用】LED照明设计基础全攻略

近年来，LED照明逐渐地得到了社会各界的推广和应用。LED家庭能够消费的LED灯都是由各大照明制造商销售的灯泡型LED灯，很多公司也都陆续研发出了荧光灯型的LED灯，LED灯与白炽灯、荧光灯等传统光源有着不同的特性。要做好LED灯，仅仅依靠LED封装并不能制作出良好的照明灯具。为了设计出更好的LED照明灯具，必须对LED进行区别于传统光源的正确的电路设计。

　　本文就围绕LED照明灯具的设计进行介绍，具体包括是从LED发光原理及主要参数、驱动电路、散热分析等方面进行讲解。

　　一．LED发光原理及主要参数

　　1．LED发光原理

　　LED是电子二极管的一种，主要构造是PN结。如图1，当向LED的两端施加电压，电子就会吸收能量并向价电子带转移，然后再将吸收的能量释放出来。这个被释放出的能量就是光。放出的光的波长和颜色是由半导体的电势差决定的。

图1 LED运作原理

　　LED具有一般硅二极管的类似特性，在正负极之间施加电压。当外加电压达到一个临界值，LED中产生电流，开始发光。当电压超过这个临界值时，电流急剧增加。白色LED的临界电压值约3.5V。红色、绿色、蓝色的LED临界电压值如表1所示。

表1 LED灯概括图

　　我们用电路仿真来说明LED的电子特性以及驱动电路。电路仿真是对LED和电阻等的电子设计进行建模并在计算机上模拟计算电路运行的一种简易方法。这里使用的是Cadence公司的电路仿真PSpiceA/D。同时使用了飞利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。

　　首先运用图2的电路来验证LED的电子特性。要得到电压－电流特性，需要进行直流解析。

图2 验证电压－电流特性电路

　　解析结果如图3所示

图3 根据PSpiceA/D所得到的解析结果：电压－电流特性

　　验证LXM3-PM71电压－电流特性的结果显示：在3.0V情况下电流约354mA。

　　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RGB3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RGB3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。

图4 LED驱动器的基本工作电路示意图

　　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。

图5 LED驱动器分类

　　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。

图6 电阻型与线性驱动器对比

　　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。

图7 常见的DC—DCLED驱动方式

　　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（foldback），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。LEDDC-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24Vdc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12Vdc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12Vdc或12Vac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1LED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。

图8 LED灯概括图

　　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。