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LED遙控燈光源驅動電路設計學 院：信息科學與工程學院專 業(yè) 班 級：0911班學 號：2009337學 生 姓 名：宋中正指 導 教 師：揣榮巖 （教授） 2011年 8月1課題研究的目的及意義半導體技術已經改變了世界，半導體照明技術將再一次改變我們的世界。作為一種全新的照明技術，LED是利用半導體芯片作為發(fā)光材料、直接將電能轉換為光能的發(fā)光器件。自20世紀60年代世界第一個半導體發(fā)光二極管誕生以來，LED照明由于具有壽命長、節(jié)能、色彩豐富、安全、環(huán)保的特性，被譽為人類照明的第三次革命。節(jié)能是LED最大的特點，在我國具有非常重要的現(xiàn)實意義。中國照明用電約占總電量的12，保守估計2010年我國總發(fā)電量將達到30000億度，照明用電將達到約3600億度，如能節(jié)約一半的照明用電就是1800億度，相當于兩個三峽電站的年發(fā)電量。照明節(jié)能產生了兩方面益處：能源消耗的節(jié)約和二氧化碳氣體排放的減少。LED照明技術正處于一個迅速發(fā)展的階段，發(fā)光效率不斷改善，根據(jù)海茲定律，每18到24個月單個LED封裝器件輸出的光通量將翻一倍?，F(xiàn)在白光LED的發(fā)光效率已達到白熾燈2倍以上，到2010年將超過熒光燈，到2020年將達到熒光燈的2倍，屆時LED將成為全球照明的主要光源。2國內外發(fā)展現(xiàn)狀2011年將是北半球國家LED應用市場的元年。具備產業(yè)優(yōu)勢的國家將大舉搶占自己的國內市場以及產業(yè)、進行先封鎖再開放的布局；沒有產業(yè)優(yōu)勢的國家將紛紛向中國靠攏、甚至于求救。我所在的全國高科技企業(yè)LED專業(yè)委員會已經接到兩個友好鄰國政府的請求，他們希望親自來北京洽談LED節(jié)能照明的合作事項； 世界LED市場在2011年將全面快速開放，中國將成為全球最大的制造供應地，但依然面臨著自主品牌和技術支持的生存性問題。 2010年隨著多數(shù)地區(qū)對傳統(tǒng)白熾燈的強力停止使用后，對于節(jié)能類的燈具無疑是打了一劑高劑量的腎上腺素，LED產業(yè)在這些地區(qū)的市場活動逐漸活躍。但是面對消費者，LED的問題也被逐漸放大，所以如何教育消費者和如何改善品質是同等重要的。歐盟在更進一步地探討是否要求“無汞”照明，這將是決定LED燈進入家用照明市場時間表的下一個重要指標，預計將在2011年出現(xiàn)決定性的結論，這值得我們共同關注。面對這樣的變化和資訊，我們自己在品牌和規(guī)模這兩項工作上有些落后，全球目前還沒有壟斷型的LED燈大品牌，對我國LED企業(yè)來說是機遇，但是對我國LED產業(yè)缺乏核心自主產權和恐懼創(chuàng)立品牌的習性來說也是一大危機。2011年全球LED照明市場的開放度可能會遠遠超過國內市場的動態(tài)和規(guī)模，這一點非常值得關注。 除照明外，LED還有背光和顯示兩大區(qū)塊也將會在2011年出現(xiàn)變化。背光市場隨著顯示屏的面積加大，封裝和背光模組的需求相對快速增加，這意味著，封裝廠不可避免地將會進入規(guī)模成本和客制技術競爭白熱化。國內現(xiàn)有的封裝企業(yè)能否有機會獲勝、或結合同行業(yè)強者共同生存，將是前所未有的考驗。另外，隨著國外芯片廠大規(guī)模投資，國內的中上游競爭開始，我國LED產業(yè)扁平化的問題將更明顯。 全球對LED產業(yè)和其節(jié)能優(yōu)勢的認識正在逐步提高，LED節(jié)能效率、商品穩(wěn)定性和成本控制將在2011年上半年成為LED產業(yè)最大的挑戰(zhàn)。 目前，國內企業(yè)在上游端的自主技術尚不完善，LED芯片封裝及電源等元件又將面臨國際相關大廠高調“入侵”的挑戰(zhàn)，技術門檻瞬間提高帶來的沖擊，是否會給國內企業(yè)競爭力和競爭模式帶來結構性的改變，是一個非常值得關注的問題。目前國內LED相關企業(yè)對于知識產權一般都不重視或存在僥幸和觀望的心態(tài)，這一現(xiàn)象不僅令人對產業(yè)正向發(fā)展產生疑慮，也因為這個心態(tài)讓企業(yè)無法痛下決心投資發(fā)展自有技術。如何善用國內高等研究院校的技術力量、并將其轉化為產業(yè)能力；企業(yè)如何能夠在與動輒擁有數(shù)以千篇封鎖性專利優(yōu)勢的國際大廠競爭的情況下持續(xù)發(fā)展，這將是國內企業(yè)面臨的嚴峻考驗。相比幾家國際大廠積極在國內建立大型研發(fā)中心而言，國內企業(yè)經營者必須把研發(fā)戰(zhàn)略和研發(fā)管理提升為2011年的主要工作，這將比目前許多企業(yè)忙著圈地圈資金投資來得更為重要。 自電子產業(yè)發(fā)展以來，全球產業(yè)龍頭一直是由技術先進的歐美國家掌控著。龍頭企業(yè)除了在中國投產加代工外，與中國并不存在關鍵技術合作發(fā)展的關系。 可以說，LED產業(yè)發(fā)展給了中國一個新的契機，但也帶來嚴峻的競爭壓力。2011年，國際LED幾個龍頭都將會大力布局中國投資和市場戰(zhàn)略，中國區(qū)“大戰(zhàn)”即將打響，科瑞2009年底在惠州落戶、臺灣晶電在常州設廠等只是大廠在國內布局體現(xiàn)出來的冰山一角，日亞化和臺灣億光這些臺面上的龍頭大廠無不積極地在中國布局，而且這些投資將都是在已經擁有下一階段市場掌控下高執(zhí)行力、高效率完成的。而國內企業(yè)尚未解決自身技術和市場問題卻到處圈地投資，這樣做或許日后可以在土地保值的機制上有所收益，但是想要成就一個科技產業(yè)就應該要集中資源，包含資金、人才和時間，專注把自己做強，做不強就先想著做大，這對科技電子產業(yè)而言反倒是危機。如何在知名LED企業(yè)高度被信任的品牌優(yōu)勢下能搶占技術、市場、人才、知識產權等方面資源、以及獲得政策傾斜，這些因素才是國內現(xiàn)有中小型LED企業(yè)必須切實關注的。然而在這些“大恐龍”開始在國內競爭的同時，國內的“小龍頭”廠商能否有機會出線，我想除了政策扶持的美夢外，更應武裝好自己、準備打一場公平競爭的硬戰(zhàn)，這才是能否創(chuàng)造中國乃至華人LED自有品牌的正確思考模式。 2010年第四季度，已經不時傳出有大型LED及相關電子企業(yè)以上億美元為單位，對LED產業(yè)進行大規(guī)模投資的消息。 2011年這一現(xiàn)象將會更密集和緊湊地出現(xiàn)。目前國內LED企業(yè)多屬中小型規(guī)模，這些企業(yè)是否可以形成合力對抗？還是將面臨被擠壓的命運？這是需要提早布局和規(guī)劃的事情。過去，芯片和封裝器件多數(shù)是由國外直接采購而來的，相對的價格和供應廠之間關系都比較透明。但是，隨著這些大廠在國內落戶后，供應鏈關系會形成更緊密的合作和更尖銳的對立競爭。到那時，國內的應用廠商除了像過去一樣的買貨之外，是否還會面臨更多的關系；結盟、衛(wèi)星集團、聯(lián)合支持、聯(lián)合對抗都是可能面對的。在缺乏經濟規(guī)模型的橫向產業(yè)結構的問題將隨著2011年大規(guī)模投資進入市場得到解決的時刻，國內中小規(guī)模的LED廠、和缺乏技術根底轉投資的集團，都將馬上面臨強大的壓力。隨著這些大型的、真正有量產實力廠商的投資，地方政策是會讓市場更加開放？還是更形成保護，以確保自己區(qū)域的龍頭大廠能做大做強？這是國內體質本來就較弱的企業(yè)應該有所警覺和提早規(guī)劃以應對的1。 3 LED結構和發(fā)光原理LED主要由PN 結芯片、電極和光學系統(tǒng)組成。當在電極上加上正偏壓之后，電子和空穴對分別注入P 區(qū)和N 區(qū)。當非平衡少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時，就會以輻射光子的形式將多余的能量轉換為光能。LED 的基本結構是將一塊電致發(fā)光的半導體材料置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯片的作用，所以LED的抗震性能好。其結構示意圖如圖： 圖3-1 子彈頭型LED結構圖圖3-2 大功率LED結構圖圖3-1是常見的子彈頭形LED，這是LED的早期產品。其中兩根引線較長一根為正極，應接電源正極。有的子彈頭形LED 兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，則靠近小舌的是正極。LED 的發(fā)光體為圖中的LED 芯片，它既是由AlGaAs、AlInGaP 等材料制成2。子彈頭形LED 往往功率較小，通常不需要專門的散熱措施來維持其工作。圖3-2是大功率LED 的結構2。與子彈頭形LED 相比的主要區(qū)別在于增加了很多散熱措施。圖中的硅基板，粘膠，絕緣層都具有較好的導熱性，散熱片通常使用的是鋁基板，可以散出大量的熱量。金導線導熱導電性能都相當好，也能通過這它將部分熱量傳導到周圍線路中散發(fā)掉。LED 芯片是由III-V 族化合物，如GaAs、GaP、GaAsP 等半導體制成的，其核心是PN結。因此，它具有一般PN結的伏安特性，即正向導通、反向截止、擊穿特性。在正電壓作用下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)的一部分與多數(shù)載流子(多子)復合而發(fā)光，如圖3-3所示： 圖3-3 LED發(fā)光原理示意圖假設發(fā)光是在P區(qū)中產生的，那么注入的電子與價帶直接復合而發(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、價帶中間附近)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)光的復合量比例越大，光量子的效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)生的，所以光僅在靠近PN 結面幾微米以內產生。理論和實踐證明，發(fā)光的波長或頻率取決于選用的半導體材料的能隙Eg，Eg 的單位為電子伏(eV)。 Eg = hv / q = hc /(q) (2-1) = hc /(qE ) =1240 / E (nm) (2-2)式中：v 為電子運動速度；h 為普朗克常數(shù)；q 為載流子所帶電荷；c 為光速； 為發(fā)光波長。若能產生可見光(波長范圍380780nm)，則半導體材料的Eg 應在1.633.26eV 之間。比紅光波長長的光為紅外光。現(xiàn)在有紅外、紅光、黃光、綠光及藍光LED，其中藍光LED 的成本很高，應用不普遍。PN結的端電壓構成一定的勢壘；當加正向偏置電壓時勢壘下降，P區(qū)和N 區(qū)的多數(shù)載流子向對方擴散3。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以出現(xiàn)大量電子向P 區(qū)擴散，構成P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合，復合時得到的能量以光能的形式釋放出去。這就是PN結發(fā)光的原理。4 LED的主要參數(shù)與特性LED的電學特性(1)Iv特性Iv特性是表征LED芯片PN結性能的主要參數(shù)。LED的I_v特性具有非線性和單向導電性，即外加正偏壓表現(xiàn)為低電阻，反之為高電阻。如圖2-4所示。 圖2-4 I-V特性曲線正向死區(qū)(圖ob或Ob段)a點對于vo為開啟電壓，當Vo時，VvF的正向工作區(qū)，IF隨VF指數(shù)上升 反向死區(qū)：V0時PN結加反向偏壓；V=-VR時，反向漏電流IR(V=5V)時，GaP為0V，GaN為10uA。反向擊穿區(qū)：vVR，VR稱為反向擊穿電壓。與VR對應的電流IR為反向漏電流。當反向偏壓一直增加到使V一vR時，IR將突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于所用化合物材料種類不同。各種LED的反向擊穿電壓vR也相同。（2）C-V特性LED 芯片有多種規(guī)格，而對應的PN 結面積也大小不一，而其結電容(零偏壓)Cn+pF4。LED 的CV 特性呈二次函數(shù)關系，如圖2-5所示(由1MHz 交流信號用CV 特性測試儀測得)。 圖2-5 LED的C-V特性曲線(3) 響應時間LED 的響應時間是標志反映速度的一個重要參數(shù)，尤其是在脈沖驅動或電壓調制時顯得非常重要。響應時間是指輸入正向電流后LED開始發(fā)光(上升)和熄滅(衰減)的時間。響應時間用于表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢LCD(液晶顯示)的響應時間為10-310-5s，CRT、PDP、LED 的響應時間都達10-610-7s(s 級)。LED的上升時間隨著電流的增大近似地按指數(shù)規(guī)律衰減。直接躍遷的材料(比如GaAs1-xPx)的響應時間僅為幾納秒，而間接躍遷材料(如GaP)的響應時間則僅僅是100ns。LED可利用交流供電或脈沖供電獲得調制光或脈沖光，調制頻率可高達幾十兆赫。這種直接調制技術使LED在相位測距儀，能見度儀及短距離通信中得到應用。從使用角度看，響應時間就是LED 點亮與熄滅所延遲的時間，如圖2-6中的tr、tf。中的t0 值很小，可忽略。LED 的響應時間主要取決于載流子壽命、器件的結電容及電路阻抗4。 圖2-6 LED的響應時間示意圖LED 的點亮時間(及上升時間)tr 是指從接通電源使發(fā)光亮度達到正常值的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的90%所經歷的時間。LED 的熄滅時間(即下降時間)tf 指的是從正常發(fā)光到發(fā)光亮度減弱至原來的10%所經歷的時間。用不同的材料制得的LED 的響應時間各不相同，如GaAs、GaAsP、GaAlAs 的響應時間小于10-9s，GaP 為10-7s，因此它們可用于10100MHz 的高頻系統(tǒng)。2.2.2 LED的光學特性LED 有紅外光和可見光兩個系列，非可見光系列LED可用輻射量來度量其光學特性。(1) 發(fā)光法向光強及其分布角 ILED 的光強用于表征它在某個方向上的發(fā)光強弱，由于LED 在不同的空間角度上光強相差很多，隨之而來人們研究了LED 的光強分布特性。此參數(shù)具有很大的意義，直接影響到LED 顯示裝置的最小觀察角度【3】。發(fā)光強度(法向光強)表征發(fā)光器件發(fā)光強度的重要性能。有的LED 采用的是圓柱形、圓球形封裝，由于凸透鏡的作用，通常具有很強的指向性，而以法向方向上的光強最大，其與水平面的交角為90。當偏離正法向方向不同角度時，光強也隨之變化。將發(fā)光強度按偏離法向方向的角度表示在圖2-7中就可以得到光強分布圖。 圖2-7 某種LED發(fā)光強度角分布圖發(fā)光強度的角分布用于描述LED 在空間各個方向上的光強分布，上圖就是一種LED 的發(fā)光強度的角分布圖18。它主要取決于封裝的工藝(包括支架、模粒頭以及環(huán)氧樹脂中是否添加散射劑)。為獲得高指向性的的角分布，可以使LED 的管芯位置離模粒頭遠一些，使用子彈頭形的模粒頭，且在LED 的環(huán)氧樹脂中不添加散射劑。這樣可以使LED 的散射角為6左右，大大提高了指向性。常用的圓形封裝的LED 的散射角為5、10、30、45。 （2）光通量、發(fā)光效率與照度輻射能量頻譜中只有可見光范圍(380780nm)的電磁輻射才能起到照明作用。而人眼對于可見光范圍內不同電磁波的響應是不同的，例如對于輻射強度相同的紅光和綠光，人眼會明顯感覺綠光較亮。所以