【文章內(nèi)容簡介】 。 大功率照明 LED 的主要性能 隨著 LED 效率的迅速提高、成本的不斷下降， LED 市場正在由手機的背光源和汽車儀表照明，以及亮度要求不高的特殊照明和景觀照明領(lǐng)域向普通白光照明領(lǐng)域擴展。大功率 LED 照明光源與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈照明光源相比，有如下優(yōu)點 ]1[ : 1. 高效節(jié)能性。 大功率 LED 照明第一個突出的優(yōu)點就是節(jié)能。雖然按一般光效定義的 LED 的發(fā)光效率并不算高，但由于 LED 的光譜幾乎全部集中于可見光區(qū)域，效率可達(dá)到 80%~90% ，而白熾燈的可見光轉(zhuǎn)換效率僅為10%~20% 。預(yù)計未來大功率 LED 照明的耗電量僅為相同亮度白熾燈的10%~20%。 2. 光色純，光線質(zhì)量高。單一顏色 LED 的光譜狹窄，譜線單一集中在可見光波段。 3. 壽命長。普通白熾燈和熒光燈的壽命一般為 1000 小時，而大功率 LED燈的壽命 卻可達(dá)到 10 萬小時。 4. 可靠、耐用。大功率照明 LED 以其特殊的電子結(jié)構(gòu)保證其工作時有良好的穩(wěn)定性和可靠性，甚至在水下也能長時間穩(wěn)定地工作。而且它沒有傳統(tǒng)燈泡的鎢扮、玻璃殼等易損部件，維護(hù)費用低廉。 LED 的工作溫度范圍也很寬，在 40? C — 85? C 之間均能正常工作。 5. 應(yīng)用靈活。體積小，便于造型，可做成點、線、面等各種形式。 6. 響應(yīng) 快。白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級，而大功率 LED 的開關(guān)響應(yīng)時間為納秒級，無頻閃。因其響應(yīng)時間短，作汽車燈反應(yīng)快，可延長剎車的反應(yīng)時間，故能減少交通事故的發(fā)生幾率。 7. 環(huán)保。大功率 LED 的工作電壓為 3~4 伏左右的直流電，因而沒有電磁干擾。光譜中沒有紫外線和紅外線，不同于口光燈點亮后會產(chǎn)生汞蒸汽及二氧化碳和其它溫室氣體等污染物， LED 產(chǎn)生的廢棄物可回收，無污染，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。同時，其熒光粉的用量也僅為普通熒光燈的 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 于分之一，利于稀土資源的可持續(xù)利用。 8. 控制靈活。通過控制電路很容易調(diào)控 亮度，實現(xiàn)多樣的動態(tài)變化效果。雖然與傳統(tǒng)照明光源相比，大功率照明 LED 有著諸多優(yōu)勢，但目前大功率 LED要廣泛應(yīng)用于照明領(lǐng)域還存在以下問題 :發(fā)光效率較低，單管發(fā)射功率小，價格昂貴。與現(xiàn)有照明燈具相比，半導(dǎo)體照明要進(jìn)入普通照明市場還需滿足以下基本要求 ，首先要求單顆 LED 有足夠大的光通量，這樣才能使被照的物體產(chǎn)生足夠的亮度?，F(xiàn)在單顆 LED 的光通量是以流明，甚至是以毫流明為單位來量度的。與一般的照明需要千流明甚至更高光通量的要求相距甚遠(yuǎn)。其次，照明光源不應(yīng)是單色的，而應(yīng)是白色的。根據(jù)照明場合的不同，光源的色溫可高 或低，但它們的色度坐標(biāo)點都應(yīng)該非常接近黑體輻射的軌跡。另外，它們的光譜特性應(yīng)保證它們有很好的顯色性，能真實再現(xiàn)受照物體自身原有的色彩。這就需要在單色 LED 的基礎(chǔ)上研究，開發(fā)白光 LED。第二，現(xiàn)在普遍采用的照明光源，如白熾燈、熒光燈和高強度放電燈產(chǎn)生光的成本都比較低，大功率照明LED 只有大幅度地降低自身的生產(chǎn)成本才有可能與它們競爭。當(dāng)然，由于 LED壽命長，燈具的利用效率高，成本略高于普通光源也還是可以接受的。總而言之，為了實現(xiàn)真正意義上的半導(dǎo)體照明，我們需要研究、開發(fā)并生產(chǎn)出光效高、單顆功率大、價格合理的白光 LED。 大功率 LED照明技術(shù)發(fā)展情況 國外大功率 LED 照明技術(shù)發(fā)展情況 對于 LED 這種將電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光器件的研究很早就開始了。第一只 LED 產(chǎn)品是 1962 年在 GE 公司做出的。如今， LED 照明產(chǎn)業(yè)競爭的焦點集中在大功率高亮度白光 LED。高亮度紅、黃 LED 于 1993 年開始量產(chǎn)。 1995 年，高亮度藍(lán)色、綠色 LED 也相繼進(jìn)入量產(chǎn)，使 LED 的發(fā)光波長覆蓋從紅色到藍(lán)色整個可見光譜范圍，而且具有高達(dá) 30%的發(fā)光效率。隨之而來的白色 LED 的成功研制，更大大拓展了 LED 的應(yīng)用領(lǐng)域，從此開始形成了一個朝陽無限的LED 照 明產(chǎn)業(yè)。 我國在高亮度 LED 這一領(lǐng)域起步較晚，從 1993 年開始，中科院半導(dǎo)體所、北京大學(xué)等單位在國家 863 計劃和自然科學(xué)基金的支持下，在相關(guān)領(lǐng)域開始了許多研究工作。但目前在材料質(zhì)量、器件指標(biāo)等方面與國際先進(jìn)水平還有很大差距，特別是在半導(dǎo)體用于照明的一些關(guān)鍵性產(chǎn)業(yè)技術(shù)上還未能攻克。LED 產(chǎn)品中技術(shù)壁壘最高的是上中游產(chǎn)品的生產(chǎn)，目前窺視這一巨大商機的廠家不少，但由于技術(shù)、資金和產(chǎn)業(yè)化工藝的限制，國內(nèi)真正能實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)屈指可數(shù)。 目前， LED 照明產(chǎn)業(yè)競爭的焦點集中在大功率高亮度白光 LED。 各國政府均大力扶持白光 LED 的發(fā)展，美、日、歐盟等發(fā)達(dá)國家皆由政府成立專項積極推行，如日本的“ 21 世紀(jì)的照明計劃”計劃將耗費 60 億日元推行半導(dǎo)體照明；美國的“下一代照明計劃”時間是從 20202020 年，計劃投資 5 億美元； xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 歐盟的“彩虹計劃”已在 2020 年 7 月啟動，通過歐共體的資助推廣應(yīng)用白光LED ]12[ 。 美國在 LED 照明的產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)上一直處于領(lǐng)先地位。由 Philips Lighting和 Agilent(原 HP)于 1998 年合資興辦的 Lumileds 是一家致力于功率型白光LED 生產(chǎn)，封裝研究和開發(fā)的公司。該公司擁有多項功率型白光二極管封裝方面的專利技術(shù)。 日本在功率型高亮度 LED 的研制與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面在國際上處于領(lǐng)先水平，日業(yè)化工、豐田合成和住友電子處于領(lǐng)先地位。日亞公司由于在 InGaN LED 技術(shù)和生產(chǎn)白色 LED 的熒光粉材料上擁有多項專利，在 InGaN 白色 LED芯片供應(yīng)上一直占有優(yōu)勢地位。 Sumitomo 住友電子向美國 CREE 公司一年內(nèi)訂購了一億美元的 LED 合同，這將是 CREE 一年的全部生產(chǎn)能力，住友很顯然是想 獨霸整個高亮度 LED 的市場。 2020 年 8 月，松下電工開發(fā)出亮度達(dá)到 3001m的白光照明燈具，相當(dāng)于 40W 白熾燈的亮度，并于 2020 年春開始了商品化銷售。 德國的 OSRAM 號稱剛剛建立了世界上最先進(jìn)的芯片生產(chǎn)線，將主要用來生產(chǎn) LED 和半導(dǎo)體激光器。由于 OSRAM 是世界上第二大燈泡生產(chǎn)廠商，因此用 LED 制成新型節(jié)能長壽燈是他們的新目標(biāo)。 美國加州大學(xué)固態(tài)發(fā)光及顯示中心則尋求白色 LED 之外的其它解決方案，目前該中心正在進(jìn)行一項由政府扶持的項目，主要針對下一代照明。 2020年，美國加利福尼業(yè)州 SanJose(圣荷塞市 )、 Agilient 技術(shù)實驗室公布了一種新的 LED 試制樣品。該實驗室利用一種新技術(shù)概念，使光效最大可達(dá) 1001m/w。 國內(nèi)大功率 LED 照明技術(shù)發(fā)展情況 國內(nèi)， lmm? lmm 倒裝結(jié)構(gòu)白光 LED 在標(biāo)準(zhǔn)電流 (350mA)下光通量可達(dá)到40 lm 以上 ]20[ 。 2020 年 6 月 17 日 ，國家科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合教育部、信息產(chǎn)業(yè)部、建設(shè)部、中科院、中國 輕工聯(lián)合會、中國照明學(xué)會、中國照明電器協(xié)會 8 個部門、行業(yè)，及北京、上海、浙江、廣東、江蘇、江西、長春等 17 個地方政府正式宣布成立國家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，標(biāo)志著我國的半導(dǎo)體照明工程正式啟動。 在臺灣， LED 相關(guān)的公司有幾于家，其產(chǎn)能也在迅速的膨脹，己成為世界上最大的 LED 生產(chǎn)基地。 2020 年，日本住友和臺灣博達(dá)共同投資在臺灣成立了博友科技，專門從事單芯片 ZnSe 白光 LED 芯片的生產(chǎn)。由于看到白色 LED 在下一代光源新技術(shù)應(yīng)用中的巨大潛力， 2020 年 9 月臺灣成立了由 11 家頂級LED 公司組成的“下一代光源新 技術(shù)研發(fā)集團(tuán)” ,該組織專注于以白色 LED 為核心的下一代 LED 新技術(shù)的研發(fā)。 大功率 LED 照明發(fā)展趨勢 在過去的 30 多年中，正像 Haitz 定律預(yù)示的那樣， 每 ~2 年單顆 LED 的光通量就提高一倍。然而自大功率型 Luxeon LED 問世后，光通量增長的速率 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 似乎比以前又有所提高，如圖 11 所示 ]6[ ， LumiLeds 樂觀地估計，在今后的二年里， LED 的光效每年將增加 l0lm/w。美國光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會于 2020 一年制定了半導(dǎo)體固體照明燈 在未來幾年的發(fā)展目標(biāo)和遠(yuǎn)景 ]13[ 。對半導(dǎo)體照明的各項性能指標(biāo)，如發(fā)光效率，壽命，單燈光通量，性價比以及顯色指數(shù)等提出了階段性的目標(biāo)。 圖 11 LED 光通量增長曲線 表 11 中顯示的是半導(dǎo)體照明 LED 燈的發(fā)展趨勢和遠(yuǎn)景?？梢钥闯觯?2020年照明 LED 燈的目標(biāo)是在市場上能夠與白熾燈相抗衡，實現(xiàn)發(fā)光效率 751m/W使用壽命超過 2 萬小時，單燈光通量大于 2020m，顯色指數(shù)做到 80。 2020 年照明 LED 燈的市場定位為占領(lǐng)熒光燈市場， 實現(xiàn)發(fā)光效率 1501m/W，使用壽命超過 10 萬小時，單燈光通量大于 10001m，顯色指數(shù)做到大于 80。 科學(xué)家預(yù)測，在未來的 5 至 10 年，這種燈芯很可能逐漸成為下一代照明的主流產(chǎn)品，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括 :大屏幕顯示、車燈、交通燈、景觀燈等領(lǐng)域。高亮度藍(lán)光二極管 (LED)已解決了發(fā)光二極管的三 原色的缺色問題，因此徹底解決大屏幕全彩色顯示問題。高亮度發(fā)光二極管近年來主要應(yīng)用于大屏幕彩色顯示、汽車尾燈、交通信號燈、多媒體顯像和手機及小屏幕 LCD 背光源等領(lǐng)域。 高亮度藍(lán)光二極管的出現(xiàn)，不僅僅是豐富了色彩，有了紅橙黃綠青 藍(lán)紫全彩，更為重要的意義是由此產(chǎn)生了白光半導(dǎo)體燈。目前，世界上生產(chǎn)藍(lán)光二極管的半導(dǎo)體公司紛紛和老牌燈泡制造商結(jié)盟，搶占這個可以說是未來最大的照明市場。可見半導(dǎo)體燈已對傳統(tǒng)的白熾燈發(fā)起了挑戰(zhàn)，一個全新的半導(dǎo)體照明燈時代即將來臨。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 表 11 半導(dǎo)體固體照明燈的發(fā)展目標(biāo)和遠(yuǎn)景 技術(shù) LED 2020 LED 2020 LED 2020 LED 2020 白熾燈 熒光燈 發(fā)光功率 (lm/W) 25 75 150 200 16 85 壽命 (khr) 20 20 100 100 1 10 通量 (lm/lamp) 25 200 1， 000 1， 500 1200 3， 400 輸入功率 (W/lamp) 1 75 40 流明花費 ($/klm) 200 20 5 2 燈的花費 ($/lamp) 5 4 5 3 5 顯色指數(shù) (CRI) 75 80 80 80 95 75 照明市場主打 低通量 產(chǎn)品 白熾燈 熒光燈 有望成為 LED 家庭用的照明燈采用白光 LED 是科技發(fā)展的必然趨勢。家庭用白光 LED照明燈發(fā)光效率高、使用壽命長是不爭的事實，只是目前還 需等待產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)成熟和成本的進(jìn)一步下降。熒光節(jié)能燈從產(chǎn)品誕生到進(jìn)入千家萬戶百姓家庭普及也差不多經(jīng)歷了于年的時間。家庭用照明燈的發(fā)光效率及平均壽命比較如表 12(為 2020 年統(tǒng)計數(shù)據(jù) ) ]5[ 。 表 12 家用照明燈發(fā)光效率及平均壽命的比較 參數(shù) 白熾燈 (40W) 熒光燈 (36W) 節(jié)能熒光燈 (5~11W) 白光 LED(1W) 發(fā)光效率 (lm/W) 7~16 50~60 50~70 30~45 平均壽命 (h) 1K2K 2K12K 6K8K 50K80K 歐美等國在 2020 年 2 月和 3 月分別通過政府決議，在未來二年逐步取消白熾燈，提倡使用節(jié)能燈和 LED 照明燈。由此， LED 照明燈進(jìn)入千家萬戶揭開序幕，其市場需求量將是一天文數(shù)字。集成電路和燈具廠商紛紛開始行動，奔向這個巨大市場。 大功率照明燈用 LED 制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，今天已經(jīng)能大批量生產(chǎn)，而且在增加 LED 發(fā)光效率 (lm/w)方面努力；從 AC 到 DC 恒流源輸出、經(jīng)濟(jì)而有效地驅(qū)動大功率照明燈用 LED 的電源驅(qū)動芯片，也正在引起更多的集成電路開發(fā)廠商的投入。 就 LED 電源企業(yè)而 言， 2020年 100W 左右大功率電源市場的增幅將會有很大的提升。源于 100W 左右的 LED 光源與傳統(tǒng)照明光源相比有著更突出的性價比，以及很快形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模的 LED 路燈和景觀照明市場。 論文研究內(nèi)容 本文首先對照明技術(shù)的發(fā)展與 LED 新光源和大功率 LED 照明技術(shù)的發(fā)展情況做了詳細(xì)的介紹，進(jìn)而具體說明了大功率 LED 的特性，根據(jù)大功率 LED xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 驅(qū)動電源設(shè)計的原則，結(jié)合現(xiàn)有大功率 LED 驅(qū)動控制電路形式，分析比較了幾種恒流驅(qū)動控制芯片，最后完成了三種可行的基于 PT4107 的驅(qū)動控制電源。 由此，自行設(shè)計并完成了可用于 LED 道路照 明用的大功率 LED 驅(qū)動電源。該專用電源系統(tǒng)具有一定的控制功能，可實現(xiàn)輸出功率的實時控制及亮度的調(diào)節(jié)。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 第 2章 大功率 LED 光電特性及控制方式 大功率 LED的特性 作為照明光源，我們關(guān)心的大功率 LED 的性能指標(biāo)主要有亮度、光強、色坐標(biāo)，色溫，顯色指數(shù)和發(fā)光效率。下面主要就搜集到的大功率 LED 的相關(guān)電學(xué)和光學(xué)特性