節(jié)能新技術(shù)與應(yīng)用led基礎(chǔ)知識(shí)

1、LED熱量控制和驅(qū)動(dòng) 在1962年發(fā)明LED的Nick Holonyak Jr.，他當(dāng)時(shí)只是美國大廠通用電氣公司(General Electric Company，GE，又稱為奇異)的一名普通研究人員，打造出了第一顆紅光LED，而且他還認(rèn)為未來能夠發(fā)出其他波長的光，意味著LED將有很多種不同的顏色光，未來白炙燈一定會(huì)被LED取代掉。 一.LED基本知識(shí) LED最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命、低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的

2、白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計(jì)的燈中，Lumileds公司采用了18個(gè)紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。 一.LED基本知識(shí) 發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)施加反向電壓時(shí)，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的

3、架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，即固體封裝，所以能起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。一.LED基本知識(shí)指示燈型發(fā)光二級管SMD發(fā)光二級管中功率發(fā)光二級管大功率發(fā)光二級管Super Flux發(fā)光二級管一.LED基本知識(shí)1.光通量光通量是指某一光源向四周空間發(fā)射出的總光能量，單位為流明（lm） 2.光強(qiáng)不同光源發(fā)出的光通量在空間的分布是不同的。發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉，符號為cd，它表示光源在某單位球面度立體角(該物體表面對點(diǎn)光源形成的角)內(nèi)發(fā)射出的光通量。 4.色溫當(dāng)光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時(shí)，黑體的溫度就稱為該光源的色溫，用絕對溫度K（開爾文，開氏度 =

4、 攝氏度 + 273.15 ）表示。 3.波長在某一固定的頻率里，沿著波的傳播方向、在波的圖形中，離平衡位置的“位移”與“時(shí)間”皆相同的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的最短距離。波長反映了波在空間上的周期性。在物理學(xué)，波長普遍使用希臘字母來表示。 一.LED基本知識(shí)日亞化學(xué)歐司朗半導(dǎo)體流明半導(dǎo)體科銳晶圓光電豐田合成通用電氣首爾半導(dǎo)體三星半導(dǎo)體一.LED基本知識(shí)LED日常應(yīng)用二.LED驅(qū)動(dòng)二.LED驅(qū)動(dòng) 為精確驅(qū)動(dòng)LED，需控制電流，而與電壓無關(guān)，光輸出基本也取決于電流而不是電壓，因?yàn)長ED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，因此，采用恒流源驅(qū)動(dòng)可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較

5、大，電壓的微小變化會(huì)引起較大的電流變化，從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，LED通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)。二.LED驅(qū)動(dòng)線性恒流驅(qū)動(dòng) 電路簡單 成本低廉 無EMI輻射常用線性驅(qū)動(dòng)方案 LM317,3端子可調(diào)節(jié)正電壓穩(wěn)壓器 (1)一個(gè)功率開關(guān)，為 NPN 晶體管；(2)一個(gè)電壓參考模塊，它提供1.25V參考電壓；(3)一個(gè)控制功率開關(guān)的運(yùn)算放大器。該運(yùn)算放大器使輸出電壓等于調(diào)整引腳(ADJ)的電壓與參考電壓的差。 LM317典型電路 為了產(chǎn)生某一個(gè)恒定的輸出電壓，在輸出引腳(OUT)與ADJ引腳之間連有反饋電阻，而且在AD

6、J引腳與地之間接有陷流電阻，兩個(gè)電阻組成一個(gè)分壓電路。接到輸出端的電容也有助于穩(wěn)定。為了使LM317及其派生器件正確工作，輸入輸出間需要一最小電壓差。這個(gè)電壓差取決于流過電壓調(diào)節(jié)器的電流(電流越大要求的電壓差越大)，其典型值為13V。因?yàn)檩敵鲆_OUT的電壓與參考電壓相等，所以輸入輸出間的電壓差等子內(nèi)部恒流源兩端的電壓。二.LED驅(qū)動(dòng)二.LED驅(qū)動(dòng)TLE4242G驅(qū)動(dòng)方案 英飛凌基礎(chǔ)LED驅(qū)動(dòng)器是設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)汽車低中電流LED的線性電流源。這些產(chǎn)品經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可在不受供電電壓或LED正向電壓等級的影響下，為電流高達(dá)500mA的恒流LED供電。這為連接的LED創(chuàng)造了適合的運(yùn)行條件，確保了恒定的

7、亮度和更長的LED使用壽命。 二.LED驅(qū)動(dòng)二.LED驅(qū)動(dòng)車輛后部燈的光通量在未踩剎車踏板的尾燈點(diǎn)亮?xí)r與剎車燈點(diǎn)亮?xí)r是不一樣的。羅姆為車輛后部燈專用LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置了使電流量分為2級進(jìn)行切換的電路。其光通量可以靈活改變以便與可自由設(shè)定的尾燈設(shè)計(jì)和安裝的LED燈數(shù)相匹配。 車輛運(yùn)行中的震動(dòng)等原因往往造成LED電路板短路，或LED脫開之類而導(dǎo)致意外事故。羅姆的尾燈專用LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置有時(shí)常監(jiān)視LED連接電路的電壓、電流以檢測異常情況的保護(hù)電路。LED出現(xiàn)短路 / 開路情況時(shí)就使LED電流停止流通，將異常情況通知ECU。 二.LED驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)需要的保護(hù)功能 1.開路保護(hù)LED開路會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路中

8、其他元器件的損壞，開路狀態(tài)切斷電路，保護(hù)電路中的器件?，F(xiàn)在很多的IC都已經(jīng)加入開路保護(hù)功能。2.過壓保護(hù)汽車啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的高壓，有可能會(huì)損壞LED驅(qū)動(dòng)電路，一般在輸入端加入TVS管抑制浪涌電壓。二.LED驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)需要的保護(hù)功能 3.過溫保護(hù)LED是溫度敏感元件，其溫度的升高影響著LED的壽命和光通量，所以要嚴(yán)格控制LED的結(jié)溫。一般使用PTC電阻進(jìn)行溫度控制。PTC是Positive Temperature Coefficient 的縮寫，意思是正的溫度系數(shù)， 泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過一定的溫度（居里溫度）時(shí)，

9、它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。 二.LED驅(qū)動(dòng)線性電源的最大缺點(diǎn)：效率低，發(fā)熱大。開關(guān)電源（DC/DC）高效率開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。 所謂開關(guān)電源，顧名思義，就是這里有一扇門，一開門電源就通過，一關(guān)門電源就停止通過，那么什么是門呢，開關(guān)電源里有的采用可控硅，有的采用開關(guān)管，這兩個(gè)元器件性能差不多，都是靠基極、（開關(guān)管）控制極（可控硅）上加上脈沖信號來完成導(dǎo)通和截止的，脈沖信號正半周到來，控制極上電壓升高，開關(guān)管或可控硅就導(dǎo)通，通過開關(guān)變壓器傳到次級，再

10、通過變壓比將電壓升高或降低，供各個(gè)電路工作。 開關(guān)電源的工作方式開關(guān)電源電路類型1： BUCK降壓變換器 二.LED驅(qū)動(dòng)上圖是晶體管開關(guān)變換器（BUCK）電路，其中晶體管Q為開關(guān)器件，L為濾波電感，C為濾波電容，D為續(xù)流二極管。在晶體管導(dǎo)通時(shí)間段內(nèi)，L內(nèi)的電流逐漸增加，當(dāng)導(dǎo)通結(jié)束后，進(jìn)入晶體管截止時(shí)間段，這時(shí)由于L內(nèi)的達(dá)到了最大值，電感中的電流不能突變，所以繼續(xù)有電流流過，二極管D充當(dāng)截止時(shí)間的續(xù)流元件。當(dāng)截止時(shí)間結(jié)束后，電感中的電流達(dá)到最小值，重新開始新的周期。二.LED驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源電路類型2： BOOST升壓變換器 BOOST變換器是由BUCK變換器經(jīng)過對偶變換后得到的。其原理圖見上圖。B

11、OOST變換器為為并聯(lián)開關(guān)變換器，與上面BUCK變換器不同的是，BOOST型電感在輸入端，BUCK型電感在輸出端。BOOST型變換器的輸出電壓Vo總是大于輸出電壓Vi。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管D關(guān)閉，電感L與開關(guān)管的節(jié)點(diǎn)電壓為零。當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電感L兩端的電勢翻轉(zhuǎn)，所以電感L與開關(guān)管與的節(jié)點(diǎn)電壓大于輸入電壓Vi，電感電流通過二極管D續(xù)流，使得Vo大于Vi?？梢宰C明Vo=Vi*T/(T-Ton)，T是開關(guān)脈沖周期，Ton是導(dǎo)通時(shí)間。二.LED驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源電路類型3： BUCK-BOOST變換器 將BUCK，BOOST兩種形式的變換器結(jié)合起來，產(chǎn)生一種新的變換器，叫做BUCK-BOOST變換器，其

12、結(jié)構(gòu)如上圖所示。這種形式的變換器輸出電壓同輸入電壓是反相的。在BUCK型和BOOST型變換器中，存在一個(gè)能量直接從電源流向負(fù)載的時(shí)間，而在BUCK-BOOST變換器中，能量先儲(chǔ)存在電感中，然后再流向負(fù)載，這是他們的主要區(qū)別。二.LED驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源電路類型4： CUK變換器 將BUCK-BOOST變換器進(jìn)行對偶變換，可以得到CUK變換器，其電路形式如上圖所示。其中C是傳遞能量的耦合電容。原理分析是這樣的：當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，電容C的能量通過L2、C2、R回路釋放，同時(shí)向C2、L2儲(chǔ)能，同時(shí)電源向L1儲(chǔ)存能量。在三極管關(guān)閉時(shí)，L1上的電流通過二極管D續(xù)流，同時(shí)向C充電，如此循環(huán)。二.LED驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源

13、的缺點(diǎn)：開關(guān)電源電路存在非常嚴(yán)重的電磁干擾，對于汽車這種環(huán)境來說，需要進(jìn)行全面的EMC處理，所需要的成本也會(huì)比較高。三.LED散熱LED結(jié)溫：一般指LED芯片的中心溫度 與傳統(tǒng)光源一樣，半導(dǎo)體發(fā)光二極體（LED）在工作期間也會(huì)產(chǎn)生熱量，其多少取決于整體的發(fā)光效率。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致發(fā)光，在PN結(jié)附近輻射出來的光還需經(jīng)過芯片（chip）本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達(dá)外界（空氣）。綜合電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、芯片外部光取出效率等，最終大概只有30-40%的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能，其余60-70%的能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化熱能。 LED的結(jié)溫

14、影響著LED的壽命，只有將LED的結(jié)溫控制在一定的范圍內(nèi)，LED才能發(fā)揮高效，長壽的特點(diǎn)!這個(gè)問題在大功率LED上尤為突出。三.LED散熱1. 從空氣中散熱2. 熱能直接由System circuit board導(dǎo)出3. 經(jīng)由金線將熱能導(dǎo)出4. 若為共晶及Flip chip制程，熱能將經(jīng)由通孔至系統(tǒng)電路板而導(dǎo)出)三.LED散熱大功率LED封裝形式三.LED散熱LED散熱方法1：金屬散熱鰭片 這是最常見的散熱方式，用金屬散熱鰭片做為外殼的一部分來增加散熱面積。 名詞：熱阻導(dǎo)熱過程的阻力。為導(dǎo)熱體兩側(cè)溫差與熱流密度之比。對于我們LED來說，肯定是要減小熱阻來加強(qiáng)導(dǎo)熱。 三.LED散熱減小熱阻的兩個(gè)

15、措施：增加兩物體接觸面的壓力，使物體交界面上的突出部分變形，從而減小縫隙增大接觸面。在兩物體交界面處涂上有較高導(dǎo)熱能力的膠狀物體導(dǎo)熱脂。 三.LED散熱LED散熱方法2：導(dǎo)熱塑料殼 在塑料外殼注塑時(shí)填充導(dǎo)熱材料，增加塑料外殼導(dǎo)熱、散熱能力。 LED散熱方法3：表面輻射散熱處理燈殼表面做輻射散熱處理，簡單的就是涂抹輻射散熱漆，可以將熱量用輻射方式帶離燈殼表面。 LED散熱方法4：空氣流體力學(xué) 利用燈殼外形，制造出對流空氣，這是最低成本的加強(qiáng)散熱方式。 三.LED散熱LED散熱方法5：風(fēng)冷主動(dòng)散熱 燈殼內(nèi)部用長壽高效風(fēng)扇加強(qiáng)散熱，造價(jià)低，效果好。不過要換風(fēng)扇就是麻煩些，燈具密封性差，也不適用于戶外

16、，環(huán)境溫度升高也會(huì)制約風(fēng)冷的效果，這種設(shè)計(jì)較為少見。 LED散熱方法6：液冷主動(dòng)散熱（水冷） 通過液體在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)制循環(huán)帶走散熱器的熱量，通常使用水作為導(dǎo)熱液體；與風(fēng)冷相比，具有安靜，降溫穩(wěn)定，對環(huán)境依賴小等優(yōu)點(diǎn)。但是價(jià)格相對較高，體積也大。 三.LED散熱三.LED散熱LED散熱方法7：熱管散熱 利用導(dǎo)熱管技術(shù)，將熱量由LED芯片導(dǎo)到外殼散熱鰭片。在大型燈具，如路燈等是常見的設(shè)計(jì) 。熱管的概念：封閉的管殼中充以工作介質(zhì)并利用介質(zhì)的相變吸熱和放熱進(jìn)行熱交換的高效換熱元件。它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)

17、熱能力。 三.LED散熱LED散熱新技術(shù)展望：合成射流技術(shù) 合成射流替代了傳統(tǒng)的風(fēng)扇；對于LED散熱來說是一個(gè)極佳的選擇。通過隔膜的運(yùn)動(dòng)，引起氣流在開口處的周期性吸入與發(fā)射，從而形成了射流；如上圖所示。圖中前三個(gè)畫面顯示了氣體的發(fā)射階段：此階段形成了帶有旋渦的射流；射流處氣體向下對流。一旦旋渦流向下行，開口處附近的空氣就會(huì)被帶動(dòng)，從而形成射流；如圖中后兩個(gè)畫面所示。 該急速湍流空氣每秒脈沖數(shù)可達(dá)30至200，沖破熱界面層，提高從熱源（主要是LED散熱片）出散發(fā)的大部分熱量；從而排放掉大量的熱。這種高速脈沖氣流能精確放置于需要冷卻的地方，例如散熱片翼；從而進(jìn)一步提高合成射流的散熱效率。 這種合成

18、射流的規(guī)格耐久性高，對維持LED燈具的高壽命很有幫助。該模組部件移動(dòng)沒有任何摩擦，從而使得這種設(shè)計(jì)更可靠、壽命更長、更抗灰塵和污染、并且無任何噪音。 四.星宇車燈電子部目前產(chǎn)品類型1、大功率LED前轉(zhuǎn)向燈High Power Front Turn LED Lamp2、大功率LED日間行車燈High Power Daytime Running LED Lamp3、奇瑞系列LED高位剎車燈Chery CHMSL LED Lamp4、奇瑞系列LED后燈Chery LED Rare Lamp5、大眾系列LED高位剎車燈VW CHMSL LED Lamp2 、研發(fā)中產(chǎn)品Developing productionAUDI LED 高位