基于高亮度LED在照明中的應用

自從上世紀六十年代誕生第一個(gè)發(fā)光二極管以來(lái)，在相當長(cháng)的一段時(shí)間內，由于輸出流明的局限性，LED只是應用在信號指示用途。至九十年代，藍光LED由于較經(jīng)濟的實(shí)現方法而得以產(chǎn)品化。進(jìn)入二十一世紀，大功率白光LED被研制成功并且迅速地產(chǎn)業(yè)化。此間，由于大型照明光源電氣公司的介入，例如PHILIPS和OSRAM，高亮度白光LED的光效取得了突破性的改進(jìn)，并且迅速地開(kāi)始進(jìn)入普通照明的應用領(lǐng)域。目前，高亮度白光LED的光效在良好的散熱條件下，已經(jīng)超越了熒光燈的光效。隨著(zhù)更多的技術(shù)與資本投入，高亮度LED的光效在不斷的提高，而其成本則開(kāi)始快速的下降，最終其性能價(jià)格比必將為普通消費者所接受。

傳統照明光源種類(lèi)包括：白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈和高強度氣體放電燈。與此相比，采用高亮度LED的固態(tài)照明光源具有諸多的優(yōu)點(diǎn)：低功耗，高光效，長(cháng)壽命，響應快，易數字控制，環(huán)境友好。

LED與傳統光源的光效對比

據美國能源部(DOE)表示，美國22%的電能用于照明。DOE聲稱(chēng)在今后20年中，LED照明將在美國得到快速普及，可以減少62%的照明電能需求。另外，它能消除2.58億噸的二氧化硅排放量，少建133座新的電廠(chǎng)。采用LED照明能使財政節減1150多億美元。

在中國，國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已經(jīng)成立。聯(lián)盟制定的技術(shù)規范，將通過(guò)研討、培訓等方式在聯(lián)盟內部推廣使用，并向政府采購部門(mén)和標準管理部門(mén)推薦，納入到國家和行業(yè)標準工作體系中，引導和推動(dòng)國家和行業(yè)標準的制定與實(shí)施。聯(lián)盟在適當的時(shí)機將成立“聯(lián)盟標準化技術(shù)委員會(huì )”，邀請政府領(lǐng)導、行業(yè)專(zhuān)家、標準化專(zhuān)家、質(zhì)檢機構、檢測設備專(zhuān)家等共同參與 。國家已經(jīng)出臺高效照明產(chǎn)品推廣財政補貼資金管理暫行辦法，這是我國政府加大力度推廣高效照明產(chǎn)品，促進(jìn)實(shí)現節能減排目標的又一重要舉措，確保實(shí)現“十一五”期間通過(guò)財政補貼方式推廣高效照明產(chǎn)品1.5億只，可節電290億千瓦時(shí)，減少二氧化碳排放2900萬(wàn)噸。

目前我國的半導體照明主要應用于特殊照明領(lǐng)域，如交通信號燈、景觀(guān)照明、LED全彩顯示屏等，但節能的效果明顯：如景觀(guān)照明（替代霓虹燈）節能70%，交通信號燈（替代白熾燈）節能80%；庭院燈節能70%。在功能性照明領(lǐng)域，節能效果已開(kāi)始顯現，如LED作為次干道路燈（替代高壓鈉燈）節能70%。雖然初始采購價(jià)格是普通路燈的3倍，綜合成本約3-4年可持平。 預計當LED產(chǎn)品的發(fā)光效率達到 100 lm/W時(shí)，將開(kāi)始進(jìn)入普通照明市場(chǎng)，年節電500億度，通過(guò)節電可減少CO2、SO2、NOx、粉塵排放5000萬(wàn)噸。當LED產(chǎn)品的發(fā)光效率達到 150 lm/W時(shí)，LED照明將占有 20% 的照明市場(chǎng) (照明用電將超過(guò)5000億度)，每年將節約用電 1000 億度，超過(guò)三峽水電站的年發(fā)電量（847億度/年）。通過(guò)節電可減少CO2、SO2、NOx、粉塵排放1億噸。

目前，LED的成熟應用市場(chǎng)有：建筑景觀(guān)照明，建筑景觀(guān)照明，廣告顯示屏，小尺寸LCD背光源，汽車(chē)應用，太陽(yáng)能LED照明。在未來(lái)，還有著(zhù)更廣闊的應用前景，如中大尺寸LCD背光源，道路照明，室內普通白光照明，農業(yè)生產(chǎn)用人工光源，醫療用光源，LED液晶投影機，DLP背投用LED光源，航空照明光源，博物館文物展示照明等。

LED固態(tài)照明的產(chǎn)業(yè)鏈分布也極為廣泛。在產(chǎn)業(yè)鏈的上游，包括半導體材料供應，晶圓制造，封裝等。在中游，包括功率驅動(dòng)，光學(xué)組件，散熱器等。在下游，包括燈具，照明管理軟件，工程系統集成等。其中，功率驅動(dòng)單元的作用是為L(cháng)ED提供恒定的電流，實(shí)現調光，混色，與上位機的通訊，熱監測等。目前，在很多集成電路供應商的產(chǎn)品線(xiàn)中都能找到LED驅動(dòng)的專(zhuān)用芯片。近來(lái)，該類(lèi)驅動(dòng)芯片的技術(shù)趨勢是，功率開(kāi)關(guān)器件被集成進(jìn)芯片內部，開(kāi)關(guān)模式工作在更高的頻率，芯片具備更寬的工作電壓。對于小電流的LED驅動(dòng)，該類(lèi)芯片通常使用開(kāi)關(guān)電容來(lái)實(shí)現電荷泵，總的輸出電流有限。而對于大電流LED的驅動(dòng)，一般采用基于電感的開(kāi)關(guān)拓撲結構，如boost , buck , sepic 等。由于MHZ的工作頻率，其中的電感已經(jīng)能夠微型化。轉換效率是該類(lèi)電路的重要指標之一，最佳條件下，可以達到最高95%的效率。電流環(huán)的控制，大致可分為兩類(lèi)，一是滯環(huán)控制，二是平均電流控制。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，對滯環(huán)控制，其動(dòng)態(tài)響應快但電流精度較差。對平均電流控制，其控制精度較高，但動(dòng)態(tài)響應較慢。兩種控制模式均需要進(jìn)行電流信號的采樣和反饋，電流的采樣方式有多種，包括低端電流采樣，高端電流采樣和浮置電流采樣。對于不同的應用要求，可以采用不同的拓撲結構，不同的控制方式，以及不同的電流采樣位置。

總的來(lái)說(shuō)，LED在照明領(lǐng)域中的應用極其廣泛和多樣，被認為是人造光源中的第三次革命，其帶來(lái)的影響是極為深遠的。