摘要：被視為本世紀(jì)省電環(huán)保照明之星的高亮度LED,已經(jīng)成為各國廠商積極進(jìn)入的領(lǐng)域,未來白光LED的應(yīng)用市場將非常廣泛,包括手電筒、裝飾燈、LCD背光源、汽車內(nèi)部照明市場、投影燈源等,不過最被看好以及最大的市場還是取代白熾鎢絲燈泡及熒光燈。
　　關(guān)鍵詞：LED，新光源應(yīng)用技術(shù)
　　1.LED光源的概念
　　LED（LightEmittingDiode），又稱發(fā)光二極管，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生光。
　　應(yīng)用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光的原理制成的LED問世于20世紀(jì)60年代初，1964年首先出現(xiàn)紅色發(fā)光二極管，之后出現(xiàn)黃色LED。直到1994年，藍(lán)色、綠色LED才研制成功。1996年開發(fā)出白色LED。
　　2.LED發(fā)光原理
　　發(fā)光二極管主要有PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。起發(fā)光體—晶片的面積為10.2mil（1mil=0.0254平方毫米），目前國際上出現(xiàn)大量晶片LED，其晶片面積達(dá)40mil。
　　其發(fā)光過程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中，當(dāng)電子經(jīng)過該晶片時(shí)，帶負(fù)電的電子移動(dòng)到帶正電的空穴域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時(shí)產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應(yīng)，可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)色光、紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。
　　3.LED的主要特點(diǎn)
　　3.1發(fā)光效率高：LED經(jīng)過幾十年的技術(shù)改良，其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明／瓦，熒光燈50～70流明／瓦，鈉燈90～140流明／瓦，大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經(jīng)改良后將達(dá)到達(dá)50～200流明／瓦，而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。
　　3.2耗電量少：LED單管功率0.03～0.06瓦，采用直流驅(qū)動(dòng)，單管驅(qū)動(dòng)電壓1.5～3.5伏，電流15～18毫安，反應(yīng)速度快，可在高頻操作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的八分之一，熒光燈管的二分之一。
　　3.3使用壽命長：采用電子光場輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點(diǎn)。而采用LED燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易破碎。平均壽命達(dá)10萬小時(shí)。光衰為初始的50%。LED燈具使用壽命可達(dá)5～10年，可以大大降低燈具的維護(hù)費(fèi)用，避免經(jīng)常換燈。
　　3.4安全可靠性強(qiáng)：能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和，無眩光；不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。內(nèi)置微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強(qiáng)度，調(diào)整發(fā)光方式，實(shí)現(xiàn)光與藝術(shù)結(jié)合。
　　3.5有利于環(huán)保：LED為全固體發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品，也便于安裝和維護(hù)。
　　3.6響應(yīng)時(shí)間短：白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級。
　　4．LED的主要應(yīng)用
　　LED廣泛應(yīng)用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域，在我們的日常生活中處處可見。但由于其亮度差、價(jià)格高，一直不能大范圍的推廣使用，特別對于大功率的白光LED的開發(fā)應(yīng)用對未來照明具有革命性的意義。
　　5．LED的發(fā)展進(jìn)程
　　2006年初，國務(wù)院發(fā)布了《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，“高效節(jié)能、長壽命的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品”被列入中長期規(guī)劃第一重點(diǎn)領(lǐng)域（能源）的第一優(yōu)先主題（工業(yè)節(jié)能），在國內(nèi)外引起廣泛關(guān)注。2006年10月，國家“十一五”863計(jì)劃“半導(dǎo)體照明工程”重大項(xiàng)目正式啟動(dòng)。我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入自主創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大歷史機(jī)遇期。
　　“十一五”國家半導(dǎo)體照明工程的發(fā)展，將重點(diǎn)圍繞半導(dǎo)體普通白光照明的目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新性，突破白光照明技術(shù)的部分核心專利，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)跨越；強(qiáng)化技術(shù)集成，圍繞重大戰(zhàn)略產(chǎn)品，產(chǎn)學(xué)研上下游聯(lián)合攻關(guān)，解決制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共性關(guān)鍵技術(shù)；實(shí)施產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟與人才培養(yǎng)、基地建設(shè)戰(zhàn)略，建立完善的技術(shù)創(chuàng)新體系與特色產(chǎn)業(yè)集群，提升產(chǎn)業(yè)持續(xù)創(chuàng)新的能力，最終形成有自主知識產(chǎn)權(quán)和中國特色的半導(dǎo)體照明新興產(chǎn)業(yè)。
　　隨著不可再生資源存量日漸減少并帶來污染，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重受到影響，市場著眼點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)投至再生清潔能源的發(fā)展，以及所造就綠色經(jīng)濟(jì)的投資機(jī)遇。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，新能源在低碳經(jīng)濟(jì)正扮演一個(gè)相當(dāng)重要的角色，當(dāng)中l(wèi)ed技術(shù)可望成為國家其一關(guān)鍵性的領(lǐng)域。由此，國際上的一些專業(yè)從事照明的大公司投入巨資，對大功率、高亮度LED進(jìn)行了研究和開發(fā)，使其亮度得到了大幅度的提高，成本進(jìn)一步降低。這將給新光源與新能源照明制造企業(yè)帶來巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
　　新光源與新能源照明行業(yè)是個(gè)朝陽產(chǎn)業(yè)，其增長速度之快可以說是極為驚人。我國國內(nèi)新光源與新能源照明行業(yè)也正處于高速發(fā)展階段。隨著新光源與新能源照明產(chǎn)品技術(shù)不斷更新與進(jìn)步，新光源與新能源照明將會取代傳統(tǒng)光源在照明行業(yè)中得到普及，從而將引發(fā)照明行業(yè)的一場革命。
　　目前我們國家的“十城萬盞”LED應(yīng)用試點(diǎn)示范城市建設(shè)正在如火如荼進(jìn)行中，這些對LED新光源的產(chǎn)業(yè)有著積極的推動(dòng)作用。由此，本文對高亮度LED的照明驅(qū)動(dòng)提出個(gè)別方案，供大家交流探討。
　　6．LED驅(qū)動(dòng)方案
　　根據(jù)驅(qū)動(dòng)電源的不同，LED照明通常可以劃分為交流-直流(AC-DC)LED照明、直流-直流(DC-DC)LED照明電源以及電池供電的LED手電筒等不同類型，LED燈具及其功率也各不相同，如3WPAR16、3×2WPAR20、10W/15WPAR30、15W/22WPAR38、1WG13、3WGU10、1WMR11、3WMR16、3W/9W/15W嵌燈、1WLED閱讀燈等。
　　AC-DCLED照明應(yīng)用中，小功率的LED應(yīng)用通常以恒流(CC)來驅(qū)動(dòng)，而恒壓(CV)功能是在輸出開路的情況下作為保護(hù)功能。大功率的LED應(yīng)用可能需要在電路中增加功率因數(shù)校正(PFC)，其中的AC-DC轉(zhuǎn)換與LED驅(qū)動(dòng)兩部分電路既可能采用整體式(integral)配置，即兩者融合在一起，均位于照明燈具內(nèi)，也可以采用分布式(distributed)配置，從而簡化安全考慮，并增加系統(tǒng)靈活性。
　　從應(yīng)用的具體功率范圍來看，AC-DCLED照明應(yīng)用主要包括：
　　• 1W-8W：G13/GU10/PAR16/PAR20照明；8W-25W：PAR30/PAR38照明
　　• 50W-150W：區(qū)域照明;100W-300W：區(qū)域照明
　　7．8W-25WAC-DCLED照明驅(qū)動(dòng)方案
　　美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR™)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何功率等級皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品，如嵌燈、櫥柜燈及臺燈，其中，住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)須大于0.7，而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9。但這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)，即可以選擇不遵從或是遵從。
　　相應(yīng)地，在8W-25WAC-DCLED照明應(yīng)用中，我們考慮兩種情況，一種是應(yīng)用沒有功率因數(shù)要求，即不需采用PFC控制器，另一種是要求采用PFC控制器。在不需要PFC的應(yīng)用中，我們假定輸入電壓規(guī)格為90~132Vac或180~264Vac(或通用輸入)，能效達(dá)85%，提供短路保護(hù)及開路保護(hù)等保護(hù)特性，輸出電流為350mA、700mA及1A恒流，相應(yīng)地可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1028或NCP1351。其中，NCP1028是一款增強(qiáng)型單片開關(guān)穩(wěn)壓器，適用于在通用主電源輸入的應(yīng)用中提供數(shù)瓦至15W的輸出功率。NCP1028的導(dǎo)通阻抗比NCP101x更低，提供800mA峰值電流，具備NCP101x的諸多特性，此外還提供過功率保護(hù)、內(nèi)置斜坡補(bǔ)償及輸入欠壓保護(hù)等特性。NCP1351則是一款固定導(dǎo)通時(shí)間、可變關(guān)閉時(shí)間脈寬調(diào)制(PWM)控制器，適用于成本至關(guān)重要的低功率離線反激開關(guān)電源應(yīng)用。這器件支持頻率反走，還具有閂鎖輸入、自然的頻率抖動(dòng)、負(fù)電流感測及擴(kuò)展的電源電壓范圍等特性。圖1顯示的是90至264Vac輸入條件下基于NCP1351的8W-25WLED照明方案。
　　
　　（圖1：基于NCP1351的8W至25WAC-DCLED照明應(yīng)用電路示意圖）
　　
　　（圖2：基于NCP1607/8PFC控制器的8W-25WAC-DCLED照明應(yīng)用示意圖）。
　　需要PFC的8W-25WAC-DCLED照明應(yīng)用中，假定輸入電壓規(guī)格為90至264Vac，功率因數(shù)高于0.9，能效達(dá)80%，提供短路及過功率保護(hù)，輸出電流同樣有350mA、700mA和1A等不同選擇。在這類應(yīng)用中，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP1607或NCP1608PFC控制器。NCP1607是一款高性價(jià)比的臨界導(dǎo)電模式(CrM)PFC控制器。這器件與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)引腳對引腳兼容，簡化工程師的設(shè)計(jì)�？烧{(diào)節(jié)的過壓保護(hù)(OVP)及環(huán)路開路保護(hù)等功能也增強(qiáng)了設(shè)計(jì)靈活性及強(qiáng)固性。圖2展示的是NCP1607/NCP1608在85至135Vac或185至264Vac輸入條件下的LED照明應(yīng)用方案。