你問(wèn)我答 LED設計十大經(jīng)典問(wèn)答

近年來(lái)，LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開(kāi)發(fā)和應用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實(shí)現了可見(jiàn)光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現，使LED應用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場(chǎng)成為可能。

　　通過(guò)十多年對LED設計的潛心研究和學(xué)習。本人收集了LED應用設計中一些經(jīng)典性的基礎問(wèn)題分享給大家。其中涉及到內容有單個(gè)LED的流明效率與用LED作光源構成的燈具的流明效率異同分析，LED的結溫原理及結溫升高會(huì )對LED產(chǎn)生的影響問(wèn)題，靜電破壞的原理以及列舉一些類(lèi)型的LED容易受靜電破壞導致失效，探討LED路燈防雷能用一個(gè)壓敏電阻的問(wèn)題，解讀設計高品質(zhì)LED驅動(dòng)電路的方法和選擇和設計LED驅動(dòng)電源時(shí)要考慮哪些因素等問(wèn)題。

　　問(wèn)：?jiǎn)蝹€(gè)LED的流明效率與用LED作光源構成的燈具的流明效率有什么異同？

　　答：針對某一個(gè)特定的LED，加上規定的正向偏置，如加上IF＝20mA正向電流后（對應的VF≈3.4V），測得的輻射光通量Φ＝1.2lm，則這個(gè)LED的流明效率為η＝1.2lm×1000/3.4V×20mA＝1200/68≈17.6lm/W。顯然，對單個(gè)LED，如施加的電功率Pe＝VF×IF，那么在這個(gè)功率下測得的輻射光通量折算為每瓦的流明值即為單個(gè)LED的流明效率。

　　但是，作為一個(gè)燈具，不論LEDPN結上實(shí)際加上的功率VF×IF是多少，燈具的電功率總是燈具輸入端口送入的電功率，它包括電源部分（如穩壓器、穩流源、交流整流成直流電源部分等）所消耗的功率。燈具中，驅動(dòng)電路的存在使它的流明效率比測試單個(gè)LED的流明效率要下降。電路損耗越大，流明效率越低，因此，尋找一種高效率的LED驅動(dòng)電路就顯得極為重要。

　　問(wèn)：什么是LED的結溫？結溫升高會(huì )對LED造成什么影響？

　　答：LED基本結構是一個(gè)半導體的PN結。當電流流過(guò)LED器件時(shí)，PN結的溫度將上升，嚴格意義上說(shuō)，就把PN結區的溫度定義為L(cháng)ED的結溫。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。

　　當PN結的溫度（例如環(huán)境溫度）升高時(shí)，PN結內部的雜質(zhì)電離加快，本征激發(fā)加速。當本征激發(fā)產(chǎn)生的復合載流子的濃度遠遠超過(guò)雜質(zhì)濃度時(shí)，本征載流子的數量增大的影響較之遷移率減小的半導體電阻率變化的影響更為嚴重，導致內量子效率下降，溫度升高又導致電阻率下降，使同樣IF下，VF降低。如果不用恒流源驅動(dòng)LED，則VF降將促使IF指數式增加，這個(gè)過(guò)程將使LEDPN結上溫升更加快，最終溫升超過(guò)最大結溫，導致LEDPN結失效,這是一個(gè)正反饋的惡性過(guò)程。

　　PN結上溫度升高，使半導體PN結中處于激發(fā)態(tài)的電子/空穴復合時(shí)從高能級向低能級躍遷時(shí)發(fā)射出光子的過(guò)程發(fā)生退化。這是由于PN結上溫度升高時(shí)，半導體晶格的振幅增大，使振動(dòng)的能量也發(fā)生增加，當它超過(guò)一定值時(shí)，電子/空穴從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)會(huì )與晶格原子（或離子）交換能量，于是成為無(wú)光子輻射的躍遷，LED的光學(xué)性能退化?！　×硗?，PN結上溫度升高還會(huì )引起雜質(zhì)半導體中電離雜質(zhì)離子所形成的晶格場(chǎng)使離子能級裂變，能級分裂受PN結溫度的影響，這就意味著(zhù)由于溫度影響晶格振動(dòng)，使其晶格場(chǎng)的對稱(chēng)性發(fā)生變化，從而引起能級分裂，導致電子躍遷時(shí)產(chǎn)生的光譜發(fā)生變化，這就是LED發(fā)光波長(cháng)隨PN結溫升而變化的原因。

　　綜上所述，LENPN結上的溫升會(huì )引起它的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能的變化，過(guò)高的溫升還會(huì )引起LED封裝材料（例如環(huán)氧、熒光粉等）物理性能的變化，嚴重時(shí)會(huì )導致LED失效，所以降低PN結溫升，是應用LED的重要關(guān)鍵所在。

　　問(wèn)：什么是靜電破壞？哪些類(lèi)型的LED容易受靜電破壞導致失效？

　　答：靜電實(shí)際上是由電荷累積構成。人們在日常生活中，特別在干燥天氣環(huán)境中，當用手去觸摸門(mén)窗類(lèi)物品時(shí)會(huì )感覺(jué)“觸電”，這就是門(mén)窗類(lèi)物品靜電積累到一定程度時(shí)對人體的“放電”。對于羊毛織品、尼龍化纖物品，靜電積累起來(lái)的電壓可高達一萬(wàn)多伏特，電壓十分高，但靜電功率不大，不會(huì )威脅生命，然而對于某些電子器件卻可以致命，造成器件失效。

　　LED中用GN基構成的器件，由于是寬禁帶半導體材料，它的電阻率較高，對于InGaN/AlGaN/GaN的雙異質(zhì)結藍色光LED，其InGaN的有源層的厚度一般只有幾十納米，再由于這種LED的兩個(gè)正、負電極在芯片同一面上，之間距離很小，若兩端靜電電荷累積到一定值時(shí)，這一靜電電壓會(huì )將PN擊穿，使其漏電增大，嚴重時(shí)PN結擊穿短路，LED失效。

　　正因為存在靜電威脅，對于上述結構的LED芯片和器件在加工過(guò)程中對加工廠(chǎng)地、機器、工具、儀器，包括員工服裝均要采取防靜電措施，確保不損傷LED。另外，在芯片和器件的包裝上也要采用防靜電材料。

　　問(wèn)：LED路燈防雷能用一個(gè)壓敏電阻嗎

　　答：關(guān)于路燈的防雷設計并非是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。首先要了解你的路燈系統方案全貌架構，如采用AC-->開(kāi)關(guān)電源-->恒流源-->LED光源的方案，那么，你應該首先考慮開(kāi)關(guān)電源的防雷，雷擊的侵入往往是由AC電線(xiàn)導入的，先被侵害的主體應該是開(kāi)關(guān)電源，