LED技術(shù)的基本特性和設(shè)計挑戰(zhàn)

發(fā)光二極管(LED)是一種半導(dǎo)體(二極管)，在電壓/電流源的正向偏置條件下，可以發(fā)出一種特定顏色(波長)的可見光，其亮度取決于本身的參數(shù)和電源的參數(shù)。第一個LED是通用電氣公司研究人員大約在1962年發(fā)明的，是一種能夠產(chǎn)生低亮度紅光的低功耗器件，但價格非常高。

1968年，LED價格瓶頸被打破，Monsanto公司和惠普公司開始使用極具性價比的砷化鎵磷化物(GaAsP)大批量生產(chǎn)紅色LED。這種紅色LED最初大量用于替代白熾燈和氖管指示燈，如開/關(guān)/待機指示燈，隨后很快又用于數(shù)碼顯示器。

經(jīng)過類似電視機那樣意料之中的快速發(fā)展，現(xiàn)在的LED可以提供寬泛的顏色，單個器件具有多種顏色、亮度和功耗等級，并且可以提供各種獨特的封裝類型。還有無數(shù)器件能夠發(fā)出從紅外線(IR)一直到紫外線(UV)的一系列不可見光。

器件類型的快速發(fā)展通常都會導(dǎo)致革命性的應(yīng)用?？梢姽釲ED不再只是用作指示燈，也用于代替幾乎所有照明(實用和裝飾性)和標識性應(yīng)用中的白熾燈和熒光燈，因為這些LED具有低功耗/低發(fā)熱特性、明顯更長的壽命以及在長期和短期運行狀態(tài)下更低的成本。

經(jīng)過多年的發(fā)展，LED還深入到一些專業(yè)的非照明設(shè)計中，如音頻電路中的波形控制器(圖1)。而紅外線和紫外線LED也可以用于從遙控到醫(yī)療的眾多領(lǐng)域。

可見光LED

今天LED產(chǎn)品種類已經(jīng)十分豐富，可以提供各種尺寸、顏色、形狀和類型，以及多樣化的電氣指標和參數(shù)，還可以提供標準和獨特的封裝，當然價格也是千差萬別。每種LED可以滿足一種或多種應(yīng)用，如普通照明、數(shù)碼相機中的閃光燈、LCD背光照明以及最基本的指示燈等等。

用于基本指示用途、原型創(chuàng)建和業(yè)余愛好的普及低成本中等功率LED(圖2)仍然十分豐富，制造這些LED的材料通常是砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化鎵磷化物(GaAsP)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)或磷化鎵(GaP)。雖然紅色仍然是最通用的顏色，但也可以提供綠色、橙色、$和藍色。這些LED的正向壓降在1V至2V之間，正向電流約20mA。

圖2：普通低成本LED通常要求1V正向電壓和20mA靜態(tài)電流，可以提供眾多的顏色、尺寸和形狀。

除了單個器件外，其它通用LED還包括數(shù)碼顯示器、雙色和三色LED、紅綠藍(RGB)元件和閃光LED。對于在功耗和尺寸方面沒有太多限制的一般設(shè)計來說，這些LED基本可以滿足預(yù)算要求。

大功率LED(HPLED)和HPLED模塊主要用于工業(yè)、商業(yè)、住宅或裝飾性照明應(yīng)用，如今正在迅速代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈和熒光燈具，特別是隨著這些產(chǎn)品的價格走低，這一趨勢愈加強烈。這些LED產(chǎn)品的一個顯著優(yōu)點是長壽命，一般可以達到5萬小時以上，比熒光燈長1萬多個小時，比白熾燈長1000多小時，即使是在頻繁的開/關(guān)狀態(tài)下。HPLED的亮度可以達到105流明/瓦以上，因此功效同樣十分優(yōu)秀。

來自Cree公司的XLamp MPL EasyWhite LED(圖3)就是一種替代低效技術(shù)的很好例子。與傳統(tǒng)光源相比，這種LED具有更高的性能、顏色一致性和流明密度，并且專門針對方向性照明應(yīng)用作了優(yōu)化，包括PAR型或BR型燈泡。通過精心的系統(tǒng)設(shè)計，這種LED可以提供與3,000K、75W等級BR-30燈泡相當?shù)墓饩€輸出，功耗要比白熾燈技術(shù)低78%。

圖3：Cree公司的XLamp MPL EasyWhite LED在250mA電流時可以輸出高達1,500流明的照度。

MPL EasyWhite LED的封裝尺寸為12x13mm，在250mA電流時可以提供高達1,500流明的照度。另外，這種LED可以提供位于相應(yīng)ANSI C78.377-2008色彩類別中心的2,700K、3,000K、3,500K和4,000K色溫。當然，在需要為特殊照明應(yīng)用表征LED封裝時，也可以采用其它可行的選項。

影響總體效率的障礙之一是LED需要使用直流電源，因此在許多照明應(yīng)用中需要使用電源轉(zhuǎn)換器。除了更多的器件數(shù)量外，這些轉(zhuǎn)換器還需要精心設(shè)計，從而增加了LED拓撲的成本。

Seoul Semiconductor公司的Acriche LED燈(圖4)部分解決了這個問題，這種LED可以直接使用交流電源工作。這種100流明/瓦的Acriche光源效率要比現(xiàn)有LED產(chǎn)品高出25%。據(jù)該公司介紹，由于不需要AC/DC轉(zhuǎn)換器，這種LED的碳排放不到白熾燈的十分之一。

圖4：Seoul Semiconductor公司的100流明/瓦Acriche LED使用交流電源工作，不需要AC/DC轉(zhuǎn)換器。

LED通常發(fā)熱量都很低，但當許多LED*在一起用于更高亮度的照明應(yīng)用，或限用于高組裝密度的電路板和特別緊湊的地方，那么散熱問題也會變得突出。同樣為了分享LED這塊大蛋糕，半導(dǎo)體公司Vishay推出了采用熱增強型PLCC-4封裝的VLMW321xx和VLMW322xx表貼白色LED系列產(chǎn)品(圖5)。為了取得與類似器件的更大引腳兼容性，VLMW321xx提供三個陽極和一個陰極，而VLMW322x LED提供三個陰極和一個陽極。

圖5：Vishay公司的VLMW321xx和VLMW322xx表貼白色LED采用熱增強型PLCC-4封裝。

這些器件的熱阻低到300K/W，功耗最高為200mW。為適合汽車應(yīng)用，這兩類器件都通過了AEC-Q101標準認證。其它值得分享的特性包括：從1,400至3,550mcd的照度，從7,000至8,900 mlm的光通量，60°的半亮度角以及每個封裝單元不到1.6的照度比。

不可見光LED

紅外線和紫外線LED的工作波長分別是大于750nm和小于400nm,這些器件被廣泛用于遙控(電視、家庭娛樂中心等)、通信和醫(yī)療應(yīng)用中的光學(xué)隔離式信號通路中。紅外線LED通常用GaAs或AlGaAs制造，而紫外線LED的材料可以是金鋼石、氮化硼、氮化鋁、氮化鋁鎵(AlGaN)和氮化鋁鎵銦(AlGaInN)。這些LED的應(yīng)用實例包括：任天堂Wii游戲機的傳感器條中使用的紅外線LED，以及殺滅某些細菌、粘合劑固化和生物合成中使用的紫外線LED.

夜間攝影是紅外線LED的眾多應(yīng)用之一。LEDtronics公司提供的紅外線LED燈(圖6)具有850nm、880nm和940nm等多種波長，采用工業(yè)標準基座和多種發(fā)光角度，可以在完全黑暗的環(huán)境中實現(xiàn)圖像捕獲。這種LED燈可以抵御環(huán)境光線和電磁干擾(EMI)，并且可以使用所有標準的國內(nèi)和國際電壓。

圖6：LEDtronics公司的紅外線LED燈采用850、880和940nm等波長，可以用于全黑照相。

值得注意的是，使用多個LED組成的燈具即使在一個或多個LED出現(xiàn)故障的情況下也能提供足夠的光線，而且平均壽命長達10萬小時以上。除了單個器件外，其它通用LED包括數(shù)碼顯示器、雙色和三色LED、RGB元件和閃光LED。

在光譜的另外一端，Lumex公司提供QuasarBrite系列紫外線LED(圖7)。與其它類似器件相比，這種LED壽命長10倍(超過5萬小時)，并且提供更嚴格的光束角度、更高的耐用性和高達50%的成本節(jié)省，Lumex公司表示。這些器件具有385nm、405nm和415nm等多種波長，應(yīng)用包括物體表層殺菌、與泄漏和生物危害檢測有關(guān)的工業(yè)控制、贗品檢測和體液流動分析等辨析以及熒光墨水等。

圖7：Lumex公司的QuasarBrite紫外線LED的使用壽命超過5萬小時，可用于殺菌、工業(yè)控制和辨析應(yīng)用。

OLED

有機LED(OLED)似乎有著很好的發(fā)展前景。2009年12月，DisplaySearch公司在其OLED出貨與預(yù)測季報中指出，2009年第3季度全球OLED收入打破了上次記錄，達到了2.52億美元，上升了31%。

OLED在陽極和陰極之間使用一層有機化合物作為光源。根據(jù)具體的配置，光線可以從器件的頂部或底部發(fā)出，這是由一個透明電極實現(xiàn)的。

目前有三種OLED：透明(TOLED)、堆疊(SOLED)和反向(IOLED)。TOLED依賴于器件兩側(cè)的透明電極，因此它們可以從器件頂部或底部發(fā)射光線。SOLED將紅色、綠色和藍色堆疊在一起，可以實現(xiàn)全彩顯示器。IOLED使用了一個與薄膜晶體管(TFT)底板相連的底部陰極，可以用來實現(xiàn)有源矩陣OLED(AMOLED)顯示器。

由于OLED優(yōu)于傳統(tǒng)LCD，所以正被越來越多地應(yīng)用于許多顯示設(shè)備。例如，OLED不需要背光，因此顯示器面板可以更輕、更薄。另外，OLED顯示器可以將像素完全關(guān)閉，從而顯示真正的深黑色。索尼公司的XEL-1據(jù)稱是業(yè)界首臺OLED電視機(圖8)，面板厚度僅3mm，對比度高達1百萬比1。

上述LED只是市場上眾多LED中的很少一部分，還有很多其它品種。描述正確的LED類型的特性非常容易，但當你必須在給定拓撲中選擇正確的LED時，還是需要一定的技巧。

基本特性和設(shè)計挑戰(zhàn)

一些通用指南適用于圍繞LED做的大多數(shù)設(shè)計。OSRAM公司固態(tài)照明業(yè)務(wù)部門工程技術(shù)經(jīng)理Rob Harrison的觀點非常具有代表性，他認為首要任務(wù)是對應(yīng)用要求的完全理解。由于LED品種十分豐富，設(shè)計師必須確定一些關(guān)鍵參數(shù)的范圍，包括電壓、電流、功耗、散熱、熱阻、顏色、色溫、顏色敏感度、亮度、環(huán)境條件、封裝和壽命等?！耙獪蕚浜脤⒛愕倪x擇范圍從數(shù)百種LED削減到約10種或更少?！盚arrison指出。同時他還認為熱阻是最關(guān)鍵的因素。顯然，發(fā)熱量不僅影響總體設(shè)計性能，而且影響LED的使用壽命。

除了要針對散熱進行精心的系統(tǒng)設(shè)計外，能效也是一個需要優(yōu)先考慮的對象。越來越多的設(shè)計需要滿足包括能源之星在內(nèi)的許多能效標準。由于對環(huán)境問題越來越重視，在不遠的將來產(chǎn)品能效問題將愈加突出。

一家全球性家用電器制造商希望Lumex公司能夠幫助他們替換掉用于照明自動售冰售水機內(nèi)室的白熾燈。這種應(yīng)用要求更高的光線強度、平均的光線分布和更高的效率，以達到更好的節(jié)能效果。

這家制造商希望使用大功率、具有冷白色色溫的1W LED，光線必須照亮活動槳、出水機和出冰機，最好具有相同的光線強度和顏色，另外照明模塊必須方便現(xiàn)場更換。

針對散熱第一的Harrison觀點，Lumex設(shè)計團隊認為，大功率LED將形成諸多挑戰(zhàn)，特別是熱量管理、更短的壽命和不均勻的光線分布等。

作為替代方案，Lumex開發(fā)了一種集成有印制板(PCB)的小型澆鑄模塊，印制板上安裝有三個低功耗的5mm白色LED(圖9)，并且在一個線組件末端安裝有一個快速斷開的雙腳連接器。這些LED的顏色和亮度是匹配的，每個LED都有相同的2,700K冷色溫。這種方案額外允許光線照射到內(nèi)室的確切位置。

據(jù)Lumex公司介紹，通過用具有10年使用壽命的LED代替白熾燈，這種解決方案有效的降低了服務(wù)成本。另外，能源成本也有顯著降低，因為所用LED模塊的功耗比傳統(tǒng)解決方案要低。這種方案符合最初使用1W LED的概念，驅(qū)動三個工作電流為18mA的LED，相當于使用一個1W的器件。

新興的LED技術(shù)

不管會遇到什么樣的設(shè)計挑戰(zhàn)，人們總有戰(zhàn)勝之道——或者至少在某處已有籌劃。例如，Bayer MaterialScience公司最近披露了一種獨特的光散射技術(shù)，能夠隱藏LED熱點，同時發(fā)出更強的光線。

這家公司的方案可以在最少反射情況下形成柔和的LED光線效果，能以平常無法企及的發(fā)光強度發(fā)出半透明的白光。這種技術(shù)幾乎能無限自由地實現(xiàn)光散射器封裝和廣泛的顏色，從而實現(xiàn)應(yīng)用的完美定制。

“對配色師來說這是一個令人激動的時代，因為我們能夠向產(chǎn)品設(shè)計師和OEM廠商提供滿足他們特殊需求的設(shè)計解決方案?！?Bayer materialScience公司資深化學(xué)專家Terry Bush表示。

為使用這種技術(shù)創(chuàng)建獨特的散射器封裝，設(shè)計師可以選擇適合他們特定應(yīng)用要求的Makrolon聚碳酸酯樹脂產(chǎn)品。“基礎(chǔ)樹脂越好，散射器封裝的總體性能就越高?！盉ayer materialScience公司電氣/電子聚碳酸酯IT市場部門領(lǐng)導(dǎo)Gerald DiBattista表示。

可用的樹脂包括針對室內(nèi)和室外應(yīng)用的Makrolon LED2643，所含材料可以抵抗紫外光線、水淋和沉浸。Makrolon FR7087也許是首個滿足UL 94 5VA額定燃燒等級要求的清晰聚碳酸酯，適用于透鏡和蓋子。Makrolon 6717是一種阻燃級樹脂，支持擠壓式應(yīng)用，如光條和光導(dǎo)等。Makrolon 3103是一種高粘度、抗紫外線的聚碳酸酯，適合包括汽車和消費電子在內(nèi)的許多應(yīng)用。

基于總有設(shè)計解決方案推出這個事實，DiBattista重申：“不管最終是哪種照明應(yīng)用，總有能夠滿足應(yīng)用需求的合適解決方案?！?/p>