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LED简要介绍.doc

LED简要介绍

gcjr530
2011-08-21 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《LED简要介绍doc》,可适用于IT/计算机领域

LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性:IV特性、CV特性和光学特性:光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。本文将为你详细介绍。、LED电学特性IV特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的IV特性具有非线性、整流性质:单向导电性即外加正偏压表现低接触电阻反之为高接触电阻。                                           HYPERLINK"http:techdianyuancomuploadtechjpg"o"点击看大图"t"blank"如上图:()正向死区:(图oa或oa′段)a点对于V为开启电压当V<Va外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场此时R很大开启电压对于不同LED其值不同GaAs为V红色GaAsP为VGaP为VGaN为V。()正向工作区:电流IF与外加电压呈指数关系IF=IS(eqVFKT–)IS为反向饱和电流。V>时V>VF的正向工作区IF随VF指数上升                        IF=ISeqVFKT()反向死区:V<时pn结加反偏压V=VR时反向漏电流IR(V=V)时GaP为VGaN为uA。 ()反向击穿区V<VRVR称为反向击穿电压VR电压对应IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V<VR时则出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同各种LED的反向击穿电压VR也不同。CV特性鉴于LED的芯片有×mil(×um)×mil×mil(×um)×mil(×um)故pn结面积大小不一使其结电容(零偏压)C≈npf左右。CV特性呈二次函数关系(如图)。由MHZ交流信号用CV特性测试仪测得。最大允许功耗PFm当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IFLED工作时外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光还有一部分变为热使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta则当Tj>Ta时内部热量借助管座向外传热散逸热量(功率)可表示为P=KT(Tj–Ta)。响应时间响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD(液晶显示)约~SCRT、PDP、LED都达到~S(us级)。响应时间从使用角度来看就是LED点亮与熄灭所延迟的时间即图中tr、tf。图中t值很小可忽略。②响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。LED的点亮时间上升时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常的开始一直到发光亮度达到正常值的所经历的时间。LED熄灭时间下降时间tf是指正常发光减弱至原来的所经历的时间。不同材料制得的LED响应时间各不相同如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间<SGaP为S。因此它们可用在~MHZ高频系统。LED光学特性发光二极管有红外(非可见)与可见光两个系列前者可用辐射度后者可用光度学来量度其光学特性。发光法向光强及其角分布Iθ发光强度(法向光强)是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装由于凸透镜的作用故都具有很强指向性:位于法向方向光强最大其与水平面交角为°。当偏离正法向不同θ角度光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺(包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否)⑴为获得高指向性的角分布(如图)①LED管芯位置离模粒头远些②使用圆锥状(子弹头)的模粒头③封装的环氧树脂中勿加散射剂。采取上述措施可使LEDθ=°左右大大提高了指向性。⑵当前几种常用封装的散射角(θ角)圆形LED:°、°、°、°。发光峰值波长及其光谱分布⑴LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同绘成一条分布曲线光谱分布曲线。当此曲线确定之后器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构(外延层厚度、掺杂杂质)等有关而与器件的几何形状、封装方式无关。下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线。其中 ①是蓝色InGaNGaN发光二极管发光谱峰λp=~nm②是绿色GaP:N的LED发光谱峰λp=nm③是红色GaP:ZnO的LED发光谱峰λp=~nm④是红外LED使用GaAs材料发光谱峰λp=nm⑤是Si光电二极管通常作光电接收用。由图可见无论什么材料制成的LED都有一个相对光强度最强处(光输出最大)与之相对应有一个波长此波长叫峰值波长用λp表示。只有单色光才有λp波长。⑵谱线宽度:在LED谱线的峰值两侧±△λ处存在两个光强等于峰值(最大光强度)一半的点此两点分别对应λp△λλp△λ之间宽度叫谱线宽度也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄即LED单色性的参数LED半宽小于nm。⑶主波长:有的LED发光不单是单一色即不仅有一个峰值波长甚至有多个峰值并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的由LED发出主要单色光的波长。单色性越好则λp也就是主波长。如GaP材料可发出多个峰值波长而主波长只有一个它会随着LED长期工作结温升高而主波长偏向长波。光通量光通量F是表征LED总光输出的辐射能量它标志器件的性能优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和它与工作电流直接有关。随着电流增加LED光通量随之增大。可见光LED的光通量单位为流明(lm)。LED向外辐射的功率光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约lm白光LED的F≈~lm(小芯片)对于mm×mm的功率级芯片制成白光LED其F=lm。LED光学特性发光二极管有红外(非可见)与可见光两个系列前者可用辐射度后者可用光度学来量度其光学特性。发光法向光强及其角分布Iθ发光强度(法向光强)是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装由于凸透镜的作用故都具有很强指向性:位于法向方向光强最大其与水平面交角为°。当偏离正法向不同θ角度光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺(包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否)⑴为获得高指向性的角分布(如图)①LED管芯位置离模粒头远些②使用圆锥状(子弹头)的模粒头③封装的环氧树脂中勿加散射剂。采取上述措施可使LEDθ=°左右大大提高了指向性。⑵当前几种常用封装的散射角(θ角)圆形LED:°、°、°、°。发光峰值波长及其光谱分布⑴LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同绘成一条分布曲线光谱分布曲线。当此曲线确定之后器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构(外延层厚度、掺杂杂质)等有关而与器件的几何形状、封装方式无关。下图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线。其中 ①是蓝色InGaNGaN发光二极管发光谱峰λp=~nm②是绿色GaP:N的LED发光谱峰λp=nm③是红色GaP:ZnO的LED发光谱峰λp=~nm④是红外LED使用GaAs材料发光谱峰λp=nm⑤是Si光电二极管通常作光电接收用。由图可见无论什么材料制成的LED都有一个相对光强度最强处(光输出最大)与之相对应有一个波长此波长叫峰值波长用λp表示。只有单色光才有λp波长。⑵谱线宽度:在LED谱线的峰值两侧±△λ处存在两个光强等于峰值(最大光强度)一半的点此两点分别对应λp△λλp△λ之间宽度叫谱线宽度也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄即LED单色性的参数LED半宽小于nm。⑶主波长:有的LED发光不单是单一色即不仅有一个峰值波长甚至有多个峰值并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的由LED发出主要单色光的波长。单色性越好则λp也就是主波长。如GaP材料可发出多个峰值波长而主波长只有一个它会随着LED长期工作结温升高而主波长偏向长波。光通量光通量F是表征LED总光输出的辐射能量它标志器件的性能优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和它与工作电流直接有关。随着电流增加LED光通量随之增大。可见光LED的光通量单位为流明(lm)。LED向外辐射的功率光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约lm白光LED的F≈~lm(小芯片)对于mm×mm的功率级芯片制成白光LED其F=lm。发光效率和视觉灵敏度①LED效率有内部效率(pn结附近由电能转化成光能的效率)与外部效率(辐射到外部的效率)。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。LED光电最重要的特性是用辐射出光能量(发光量)与输入电能之比即发光效率。②视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在λ=nm处有一个最大值lmw若视觉灵敏度记为Kλ则发光能量P与可见光通量F之间关系为P=∫PλdλF=∫KλPλdλ③发光效率量子效率η=发射的光子数pn结载流子数=(ehcI)∫λPλdλ。若输入能量为W=UI则发光能量效率ηP=PW若光子能量hc=ev则η≈ηP则总光通F=(FP)P=KηPW式中K=FP。④流明效率:LED的光通量F外加耗电功率W=KηP它是评价具有外封装LED特性LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大故也叫可见光发光效率。以下列出几种常见LED流明效率(可见光发光效率):品质优良的LED要求向外辐射的光能量大向外发出的光尽可能多即外部效率要高。事实上LED向外发光仅是内部发光的一部分总的发光效率应为η=ηiηcηe式中ηi向为p、n结区少子注入效率ηc为在势垒区少子与多子复合效率ηe为外部出光(光取出效率)效率。由于LED材料折射率很高ηi≈。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时(无环氧封装)若垂直入射被空气反射反射率为(n)(n)=反射出的占鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收于是大大降低了外部出光效率。为了进一步提高外部出光效率ηe可采取以下措施:①用折射率较高的透明材料(环氧树脂n=并不理想)覆盖在芯片表面②把芯片晶体表面加工成半球形③用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=~的低熔点玻璃成分AsS(Se)Br(I)且热塑性大的作封帽可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高~倍。发光亮度亮度是LED发光性能又一重要参数具有很强方向性。其正法线方向的亮度BO=IOA指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量单位为cdm或Nit。                                           若光源表面是理想漫反射面亮度BO与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为Nit(尼特)从地面看太阳表面亮度约为×Nit。LED亮度与外加电流密度有关一般的LEDJO(电流密度)增加BO也近似增大。另外亮度还与环境温度有关环境温度升高ηc(复合效率)下降BO减小。当环境温度不变电流增大足以引起pn结结温升高温升后亮度呈饱和状态。寿命老化:LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关可描述为Bt=BOetτBt为t时间后的亮度BO为初始亮度。通常把亮度降到Bt=BO所经历的时间t称为二极管的寿命。测定t要花很长的时间通常以推算求得寿命。                                                          测量方法:给LED通以一定恒流源点燃~小时后先后测得BOBt=~代入Bt=BOetτ求出τ再把Bt=BO代入可求出寿命t。长期以来总认为LED寿命为小时这是指单个LED在IF=mA下。随着功率型LED开发应用国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED的光衰减为原来寿命>h。热学特性LED的光学参数与pn结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF<mA或者~mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高LED的主波长或λp就会向长波长漂移BO也会下降尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。LED的主波长随温度关系可表示为:HYPERLINK"http:techdianyuancomuploadtechjpg"o"点击看大图"t"blank"  由式可知每当结温升高℃则波长向长波漂移nm且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。  LED的相关知识一、LED驱动器通用要求驱动LED面临着不少挑战如正向电压会随着温度、电流的变化而变化而不同个体、不同批次、不同供应商的LED正向电压也会有差异另外LED的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。另外应用中通常会使用多颗LED这就涉及到多颗LED的排列方式问题。各种排列方式中首选驱动串联的单串LED因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压(Vout)如何“漂移”均提供极佳的电流匹配性能。当然用户也可以采用并联、串联并联组合及交叉连接等其它排列方式用于需要“相互匹配的”LED正向电压的应用并获得其它优势。如在交叉连接中如果其中某个LED因故障开路电路中仅有个LED的驱动电流会加倍从而尽量减少对整个电路的影响。 图:常见的LED排列方式LED的排列方式及LED光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器基本的工作电路示意图如图所示其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接最常用的是采用变压器来电气隔离而“非隔离”则没有采用高频变压器来电气隔离。  图:LED驱动器的基本工作电路示意图。值得一提的是在LED照明设计中ACDC电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置:)整体式(integral)配置即两者融合在一起均位于照明灯具内这种配置的优势包括优化能效及简化安装等)分布式(distributed)配置即两者单独存在这种配置简化安全考虑并增加灵活性。LED驱动器根据不同的应用要求可以采用恒定电压(CV)输出工作即输出为一定电流范围下钳位的电压也可以采用恒定电流(CC)输出工作输出的设计能严格限定电流也可能会采用恒流恒压(CCCV)输出工作即提供恒定输出功率故作为负载的LED的正向电压确定其电流。总的来看LED照明设计需要考虑以下几方面的因素:输出功率:涉及LED正向电压范围、电流及LED排列方式等电源:ACDC电源、DCDC电源、直接采用AC电源驱动功能要求:调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制其他要求:能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性等更多考虑因素:机械连接、安装、维修替换、寿命周期、物流等二、LED驱动电源的拓扑结构采用ACDC电源的LED照明应用中电源转换的构建模块包括二极管、开关(FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能而脉宽调制(PWM)稳压器用于控制电源转换。电路中通常加入了变压器的隔离型ACDC电源转换包含反激、正激及半桥等拓扑结构参见图其中反激拓扑结构是功率小于W的中低功率应用的标准选择而半桥结构则最适合于提供更高能效功率密度。就隔离结构中的变压器而言其尺寸的大小与开关频率有关且多数隔离型LED驱动器基本上采用“电子”变压器。 图:常见的隔离型拓扑结构。采用DCDC电源的LED照明应用中可以采用的LED驱动方式有电阻型、线性稳压器及开关稳压器等基本的应用示意图参见图。电阻型驱动方式中调整与LED串联的电流检测电阻即可控制LED的正向电流这种驱动方式易于设计、成本低且没有电磁兼容(EMC)问题劣势是依赖于电压、需要筛选(binning)LED且能效较低。线性稳压器同样易于设计且没有EMC问题还支持电流稳流及过流保护(foldback)且提供外部电流设定点不足在于功率耗散问题及输入电压要始终高于正向电压且能效不高。开关稳压器通过PWM控制模块不断控制开关(FET)的开和关进而控制电流的流动。  图:常见的DCDCLED驱动方式。开关稳压器具有更高的能效与电压无关且能控制亮度不足则是成本相对较高复杂度也更高且存在电磁干扰(EMI)问题。LEDDCDC开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压升压(BuckBoost)或单端初级电感转换器(SEPIC)等不同类型。其中所有工作条件下最低输入电压都大于LED串最大电压时采用降压结构如采用Vdc驱动颗串联的LED与之相反所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构如采用Vdc驱动颗串联的LED而输入电压与输出电压范围有交迭时可以采用降压升压或SEPIC结构如采用Vdc或Vac驱动颗串联的LED但这种结构的成本及能效最不理想。采用交流电源直接驱动LED的方式近年来也获得了一定的发展其应用示意图参见图。这种结构中LED串以相反方向排列工作在半周期且LED在线路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势如避免ACDC转换所带来的功率损耗等。但是这种结构中LED在低频开关故人眼可能会察觉到闪烁现象。此外在这种设计中还需要加入LED保护措施使其免受线路浪涌或瞬态的影响。  图:直接采用交流驱动LED的示意图。三、功率因数校正美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR™)固态照明(SSL)规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一系列特定产品如嵌灯、橱柜灯及台灯其中住宅应用的LED驱动器功率因数须大于而商业应用中则须大于但是这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC谐波含量标准中则规定了功率大于W的照明应用的总谐波失真性能其最大限制相当于总谐波失真(THD)<而功率因数(PF)>。虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数但某些应用可能有这方面的要求如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用此外公用事业机构购入维护街灯时也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数(通常>)。   图:有源PFC的应用电路示意图。PFC技术包括无源PFC及有源PFC两种。无源PFC方案的体积较大需要增加额外的元件来更好地改变电流波形能够达到约或更高的功率因数。其中在小于W至W的较低功率应用中几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动即可实现高于的功率因数。有源PFC(见图)通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有源PFC通常提供升压交流至Vac的宽输入范围下PFC输出电压范围达直流至Vdc。如果恰当地设计PFC段可以提供到的高能效。但增加了有源PFC仍然需要专门的DCDC转换来提供电流稳流。四、能效问题LED照明应用的能效需要结合功率输出来考虑。美国“能源之星”固态照明规范规定了照明器具级的能效但并不涉及单独LED驱动器的能效要求。如前所述采用ACDC电源的LED应用可以采用两段式分布拓扑结构故可能采用外部ACDC适配器供电。而“能源之星”的确包含有关单输出外部电源的规范其版外部电源规范于年月开始生效要求标准工作模式下最低能效达而低压工作模式下最低能效达在此规范中功率大于W时才要求PFC。     图:美国能源部年秋季提出的LED照明灯具能效研发目标。而在采用ACDC电源的LED应用中要提供更高的ACDC转换能效就涉及到成本、尺寸、性能规范及能效等因素之间的折衷问题。例如若使用更高质量的元件、更低导通阻抗(RDSon)就可降低损耗及改善能效降低开关频率一般会改善能效但却会增加系统尺寸。诸如谐振这样新的拓扑结构提供更高能效却也增加设计及元件的复杂度。如果我们将设计限定在较窄的功率及电压范围则可以帮助优化能效。五、驱动器标准LED驱动器本身也在不断演进着重于进一步提高能效、增加功能及功率密度。美国“能源之星”的固态照明规范提出的是照明器具级的能效限制涉及包括功率因数在内的特定产品要求。而欧盟的IEC()标准针对采用直流或交流供电的LED模块的要求包括:(Vdc)最大安全特低电压(SELV)工作输出电压≤Vrms不同故障条件下“恰当”安全的工作故障时不冒烟或易燃此外ANSICxxxLED驱动器规范仍在制定之中。而在安全性方面需要遵从UL、CSA等标准如UL(Class)、UL、UL。此外LED照明设计还涉及到产品寿命周期及可靠性问题。更详细内容请访问安森美半导体网站LED照明应用专区:http:wwwonsemicnPowerSolutionscontentdoid=。总结:本文分享了安森美半导体产品应用专家BernieWeir先生的一些重要的LED照明设计基础知识如驱动器的通用要求、驱动器电源的拓扑结构、功率因数校正、电源转换能效及驱动器需要遵从的标准等问题帮助工程师更好地从事LED照明设计。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅解决方案供应商针对不同LED照明应用不论其采用何种电源供电均提供应用所需的高性能电源转换、功率因数校正及驱动解决方案辅以高质量的服务及支援帮助客户在市场竞争中占据先机。 

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