LED照明与驱动

路秋生

(北京信息职业技术学院，北京 100050）

1 LED的主要特点与进展

1962 年 Nick Holonyak，Jr.(Nick Holonyak，Jr.是IEEE的资深会员(Fellow））和他的两个研究生M.George Craford(M.George Craford是 LumiLeds(现Philips）的技术负责人）和Russell Dean Dupuis一起做出了世界上第一只LED。Nick Holonyak，Jr.是IEEE荣誉金奖的获得者，自1963年以来是美国伊利诺伊州大学教授。

M.George Craford在1972年做出了第一只黄光LED，是目前美国仅有获得国家技术金奖和国家科学金奖的13人之一。

至今，LED的技术性能有很大的提升，在手机、平板电视、室内外照明等领域得到了广泛的应用。

LED具有发光效率高、易于使用、控制方便、易于实现调光控制、体积小、无环境污染等问题，所以LED照明技术是普遍被看好的第4代新照明技术。据有关资料介绍LED的最高发光效率可以高达370 lm/W，但是在实际使用中由于各种原因可能要低些，据有关资料报道，目前LED实验室水平的发光效率已高达208 lm/W，并且随着技术进步LED的发光效率还会进一步提高。

安捷伦的前任技术科学家Roland Haitz从1965年LED商业化至今的发展历程观察得出，LED的价格每10年将降为原来的1/10，性能则提高20倍。提出了关于LED发展的Haitz定律，给LED的发展留出很大的想象空间。实际工作中得出的结论与预测如图1所示，能很好的和Haitz定律吻合。LED发展演进(DOE 2011 MYPP）如表1所示。

图1 实际工作中得出的结论与预测

表1 LED发展演进(DOE 2011 MYPP）

2 LED照明的主要优点

(1）没有灯丝，抗震性好;

(2）无汞等重金属环境污染，环境友好;

(3）在低温环境下工作效果更好，没有冷启动的问题;

(4）方向性好，没有浪费的光，发光形式易于安排和设置;

(5）易于调光和控制，节能，可以创造出许多新的发光效果;

(6）启动时间短(纳秒级），而HID则需要不小于10 min的启动时间;

(7）工作寿命长，L70(70%的起始发光输出流明维持率）的条件下大于50000 h;

(8）发光效率高，目前实验室的水平已达208 lm/W(2011年Cree公司给出的数据）等。

3 LED在使用中需注意的有关问题

由于LED是新一代的照明电光源产品，在具体使用中还存在进一步加深对LED使用的理解，积累有关使用经验，正确使用LED的问题。例如，LED驱动电路的结构，LED驱动电路是否闭环控制，控制反馈参数主要有哪些被控参数，LED的散热等问题都会对LED的使用寿命有很大的影响。表2是LED和其他照明电光源的有关数据比较表，可见在LED中输入的所有能量分别以可见光(25%）和热传导(75%）的形式消耗掉，所以在LED的使用过程中散热是确保LED可靠工作的一个关键问题，LED的功率越大这个问题越明显。

表2 LED和其他照明光源的有关数据比较表

(1）LED的有关重要参数

在选用LED产品时需注意以下有关参数。

1）发光效率(lm/W）;

2）输入功率(电流和电压）;

3）输出流明数;

4）芯片尺寸;

5）相关色温(CCT）;

6）显色指数(CRI）;

7）寿命/工作可靠性;

8）在热平衡状态下进行的热工作性能;

9）有关性能数据是否有第三方测试机构参与等。

(2）热设计

LED的结温和环境之间的热阻对LED的最大正向工作电流有很大的影响，减小这个热阻对提高LED的工作寿命和改善LED的光学特性有很大的帮助。例如，LED随着结温TJ的上升，LED的正向电压降VF下降，同时LED的输入功率也下降。并且，LED的内部和外部环境的改变都会影响LED的正向电压降VF和结温TJ。LED驱动电路的印刷电路板(PCB）设计是否合理，机械部件的设计和安装是否合理，LED的热管理是否合理，LED驱动器的外壳设计和垫片/密封剂(密封材料）的安装和设计是否合理，LED工作时的色漂移(LED工作温度的变化对它的色漂移会有影响）等因素都会对LED的热工作特性有所影响，LED的CCT和结温TJ的关系曲线如图2所示。

图2 LED的CCT和结温T J的关系曲线

4 LED光输出流明维持率

(1）流明维持率的含义

LED的工作寿命很长，但是，LED的光输出会随着工作时间的增长而下降。LED的光输出维持率LP是指随着LED工作时间的增长，LED光输出维持值与起始值的百分比的时间。例如，使用中常用L70(h）表示LED光输出维持值是起始值70%的时间，L50(h）表示LED光输出维持值是起始值50%的时间。

(2）流明维持率的计算

LM－21技术文件发布后，EPA利用指数模型来计算LED光输出流明维持率LP。例如，一只LED在25000 h下的光输出流明维持率为70%，即可用L70(25000）表示。可以利用下面的计算过程计算。首先，利用指数模型有下式成立。

这样，在6000 h时的光输出流明维持率L70(6000）可以计算出

5 影响LED照明产品工作可靠性的有关因素

主要有以下因素影响LED照明产品工作的可靠性。

例如，LED的应用场合是影响LED照明产品工作可靠性的一个因素，不同的用途、安装方式、环境噪声干扰、客户服务和产品技术支持都会对LED照明产品工作可靠性有所影响。

在LED的电工作特性方面，例如，LED的V/I特性、LED的正向工作电压VF、LED的封装结构也会对LED的工作特性有所影响。

LED驱动电源的电路结构、输入电压、输出电压和输出电流特性，LED驱动电源的散热。LED的热管理，LED驱动电源的有关元器件(例如，电解电容器的工作特性），LED灯具机械部件的机械应力、疲劳和抗震动性。LED的光学部件的光输出、光颜色、发光角、LED分级和LED的一致性。再如，LED灯具的安全和工作环境的工作温度范围、干/湿工作环境、湿度、腐蚀性、抗U/V、抗化学腐蚀性、故障指示和不正常使用/误用等因素对LED照明产品工作可靠性都会有所影响。

LED灯的结构图如图3所示，主要由驱动电源、散热器、LED驱动控制芯片和光学部件等部分组成，LED灯具的工作可靠性也由这4部分决定。

图3 LED灯的结构图

6 LED的驱动电路与有关要求

(1）对LED驱动器的主要技术要求

1）瞬态工作特性(开/关）;

2）闭环反馈控制，输出稳定;

3）工作效率和工作温度范围;

4）稳态过电压和过电流工作特性;

5）高工作效率、工作可靠性高，对 DC、AC/DC LED驱动器的工作效率＞85%;

6）输出纹波小(电流和电压纹波），最好有精确的电流控制(电流纹波变化＜5%）。

对更高级的LED驱动器应具有可以监测和报告系统所有工作参数的功能，智能电压控制的功能，例如，可以实现对LED的VF值无需分级、对由于LED驱动器和LED灯具之间的线路电压降进行自动检测和补偿、光学反馈、自动进行白光LED的CCT(相关色温）控制、多色LED与白光LED的CCT(相关色温）控制的控制功能。

同时对LED的驱动电路还可以进行有效的热管理，例如，实现对LED驱动电源的温度实现智能管理和对LED灯具的热管理功能。

在使用过程中，LED驱动电路的工作效率在较高负载率条件下具有较高的工作效率，而在轻载工作条件下LED驱动器的工作效率要低些，如图4所示。

图4 LED驱动器工作效率与负载率的关系曲线

(2）LED驱动器应给出的主要技术指标

使用中LED驱动器应给出以下有关的主要技术指标。

1）工作温度范围;

2）在给定输出功率、负载和温度条件下的工作效率;

3）输入和输出电压的变化范围;

4）关态功耗;

5）加电到有光输出时间;

6）电源输出过冲;

7）瞬态和过电压保护特性;

8）与有关调光控制协议的兼容性;

9）与有关环境光传感器的兼容性;

10）电源的谐波失真;

11）在给定温度、电压等工作条件下的输出电流变化情况;

12）最大输出功率;

13）功率因数(有无功率因数校正）等。

(3）EPA能源之星对LED灯的技术要求

例如，EPA能源之星对LED灯还做出了CCT、色保持、CRI、质量保证、使用条件、功率因数(对≤5 W不作要求，＞5 W的LED灯PF必须≥0.70）、最低工作温度、LED工作频率(120 Hz～150 Hz）、电磁和射频干扰、瞬态保护和工作电压(标称电压）等技术要求。

(4）LED的相关驱动技术

1）目前有多种LED驱动技术可供选用;

2）每种LED驱动技术既有优点也有缺点;

3）直流LED驱动时LED的发光颜色稳定，并且工作效率也高;

4）PWM调光——可以产生多种颜色;

5）PAM调光——可以产生多种颜色;

6）PFM调光——可以产生多种颜色;

7）以上各种驱动技术的变种。

(5）LED的驱动电路存在问题

目前，质量一般的LED灯具中的LED驱动电路不采用闭环反馈控制技术，工作可靠性差，但是价格较低。

7 有关LED标准的开发

LED有关标准的制定对LED产业的发展有很重要的意义，例如，世界上有许多标准制定组织都对LED有关标准的制定有很重要的影响。例如，美国目前在LED照明的色度(色品）、光通量、光输出降级(寿命）、固态照明(SSL）的有关定义、色质量、光合生理特性、安全(如眼睛的安全）和电安全方面都开展了多项LED标准的开发。

再如，能源之星(Energy Star）对LED照明的有关要求和对能效产品的自愿标识计划。DOE关于SSL照明计划，针对SSL照明的商业化开展了SSL照明的测试计划和SSL照明现实状况的评估等活动。

同时，为了使SSL产业健康发展，美国也成立了许多相关机构对SSL照明产品的性能进行检测和对比，鼓励质量优秀的产品进入市场。例如，Lighting for tomorrow，GATEWAY Demonstrations，Lighting facts，Next Generation LUMINAIRES和L－PRIZESM等活动。

同时为了使中国的SSL照明市场规范化，中国政府也对市场上的有关SSL照明产品进行质量检测，鼓励高质量SSL产品在国内外市场的推广应用。

世界上制定 LED标准的主要组织如IEC，IES，CSA International，CIE，CE，ANSI(美国国家标准研究院:American National Standards Institute），UL，IEEE，Zhaga，NIST(美国国家标准和技术研究院:National Institute of Standards and Technology），NEMA(美国电气制造商协会:National Electrical Manufactures Association）和中国有关的标准化制定机构等。例如，美国NEMA标准化制定组织就针对SSL照明制定了表3所示的有关技术文件。

表3 NEMA负责生成的有关SSL技术文件

8 LED驱动电路常遇到的有关干扰

在设计LED驱动电路时需对LED驱动电路的抗干扰性给予足够的重视，确保LED驱动电路的可靠工作。LED驱动电路常见的电干扰和产生原因如表4所示。

表4 LED驱动电路常见的电干扰

9 小结

今后，SSL产品的发展趋势是进一步降低SSL产品的每流明输出的单价(￥/lm）、降低SSL产品的造价、提升单颗LED的输出流明值、更为鲁棒的封装、更大的工作电流和更小的封装外形因子。

为了更好地推广SSL照明的应用，在推广过程中应学习CFL的推广历史，总结有关经验和教训，同时还应改进暖色温LED的性能，推广LED照明在室内的应用，注意对SSL发光一致性和发光颜色的控制，改进LED的生产过程及减少LED的分级，进一步改善和提高LED的性能，降低LED的生产成本和注重有关LED标准的开发，降低SSL照明产品的成本和改善SSL照明产品的性能。这样才有利于SSL市场的推广和达到节能和环保的目的。

［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