LED技术应用篇
应用篇
1．单个 LED 的流明效率与用LED 作光源构成的灯具的流明效率有什么异同? 针对某一个特定的 LED,加上规定的正向偏置,例如加上 IF=20mA 正向电
流后(对应的 VF≈3.4V),测得的辐射光通量Φ=1.2lm,则这个 LED 的流明效率 为:
ηe-Φ=1.2lm×1000/3.4V×20mA=1200/68≈17.6lm/W
显然， 对于单个 LED，如施加的电功率 Pe=VF ×IF,那么在这个功率下测得 的辐射光通量折算为每瓦的流明值即为单个 LED 的流明效率。
但是， 作为一个灯具， 不论 LED PN 结上实际加上的功率 VF ×IF 是多少， 灯具的电功率总是灯具输入端口送入的电功率，它包括了电源部分（如稳压 源、稳流源、交流整流成直流电源部分等） 所消耗的功率。如图 4-1 所示， 以 一个 MR-16 灯具为例， 其工作电压为 AC12V，用一只 1W LED 作光源， 其工 作电流 IF =300mA，此时 VF=3.2V，在 LED PN 结上的电功率为 0.96W，单管 的光通量为 17lm，但由于灯具内部存在 AC/DC 变换以及恒流源驱动电路， 因 此实际输入电功率 Pe 要大于 LED 上得到的电功率，使总体的流明效率下降。
假定这个灯的输入功率为 1.2W，则灯具的流明效率应为：
ηe- Φ（灯） =17lm/1.2W=14.17lm/W
可见，灯具中，驱动电路的存在使它的流明效率比测试单个 LED 的流明 效率要下降。电路损耗越大，流明效率越低，因此，寻找一种高效率的 LED 驱动电路就显得极为重要。
2. 为什么一只蓝光LED 在涂上特殊的荧光粉构成白光LED 后,其辐射光通量 会比蓝光高出几倍甚至十几倍?
从前面我们已经知道白光 LED 是用什么方法制造出来的,其中一种方法 是在发蓝色光的 LED 芯片上涂上一层YAG 荧光粉,部分蓝光光子激发YAG 荧 光粉,形成光—光转换，荧光粉被激发产生黄光光子，蓝色光与黄色光混合变 成白色光，成为白光 LED。这种通过光—光转换后不同波长光的混合，会使 它的波谱变宽， 白光 LED 一般具有比图 4-2 所示的 LED 蓝光波谱宽得多的波 谱。
对于用蓝光芯片加 YAG 荧光粉制成的白光 LED，与单色 LED 相比， 人 眼对它的视觉函数应当是图 4-3 所示的各种波长成分视觉函数的积分平均值， 此值可以通过计算得到约为 296lm/W，即这种白光 LED，当发射出光功率 1W 的白光时， 其辐射光通量约为 296lm，这个数值比发射光功率 1W 的蓝色 LED
的辐射光通量 41lm 增大了 7.2 倍。
我们举一个例子说明，若制作白光的蓝光芯片的光通量为 2lm，当涂上 YAG 荧光粉后制成白光 LED，则它的光通量可以达到 15~20lm，只要荧光粉 的受激波长与蓝光的激发波长相匹配，并控制涂布制程，是可以获得良好效 果的。
3 ．照度的定义是什么？知道某个 LED 的辐射光通量，能否求出它的照度？
在照明应用中， 往往要知道被 LED 照明光源照射的某一个接收面元上的
光通量Φ。很显然， 不同面元的面积 dS 之比， 照度单位为勒克斯， 用lx 来表 示，并可写作：
E=dΦ/dS （4-1）
从式（4-1）可以知道， 只要了解了 LED 光源的光通量Φ和被照射的面 积 S，则在这个面积 S 的面上的照度 E 即可用式（4-1）求得。 因此， 从式（4-1） 可知，照度又可称作为单位面积的光通量。
根据照度的定义，我们可以得到Φ与 E 的相互换算关系，由式（4-1）
式可知，知道了照度 E 和被照单元面积即可计算出光通量Φ：
Φ=E ·S （4-2）
这些关系式在 LED 实际应用中十分重要， 是经常要用到的基本设计公式。
例如图 4-4，用 LED 光源作路灯，已知路灯高 10m，灯距为 16m，要使
两盏灯间路面范围内照度为 20lx，每盏灯的 LED 光源要用多大的光通量？
这里 r=16/2=8m
因此 S=3.14×82≈200m2
于是有：Φ=E ·S=20lux×200m2=4000lm
假设用每个Φ为 20lm 的功率 LED 来作这个灯的光源，需要 200 个才能 满足要求。
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4 ．当用发光角为 60°的 LED 作数码相机闪光灯的白光光源时，要求在照射 距离 0.5m 的照射面上照度为 10lx，试问这个 LED 的光通量应为多少？
这是一个知道照度 E 后要求换算为光通量的例子。从式（4-1）可知， 这个 LED 的光通量应为Φ=E ·S，这里没有直接告知 S 的数值,所以首先要求 出它的照射面的面积。已经知道 LED 发光角为 60°，照射距离为 0.5m，于
是可将 LED 当作一个点光源处理，可以从图 4-5 求出面积 S。
显然有： r=d·tan( θ/2）=0.5m×tan30 °≈0.29m 
S= πr2=3.14×(0.29)2 ≈0.261m2
E=Φ/S
Φ=E×S=10lx×0.26=2.6lm
即只要这个 LED 的光通量大于 2.6lm 即可符合题意的要求。如果要求照 射距离为 3m 时， 则照射面积就为 9.4m2，此时要求这个 LED 的光通量为 94lm， 在目前情况下，就有困难，需用两个或两个以上的 LED 才能实现。
5.请问 LED 的光通量Φ与发光强度即光强是否能相互转换？
首先我们来了解一个光通量的定义： 一个在所有方向上光强为 1cd 的点 光源， 其辐射出的光通量为 4 πlm。这就是说， 一个点光源假设它处在球心上 时， 若它的辐射光通量为 4 πlm（≈ 12.56lm）时， 球面上任一点的光旨为 1cd， 从这一点出发，我们可以在有条件的情况下，进行两者间的转换。
我们举个例子来说明， 假如已知一个 LED 的发光强度 IV=5cd，其射出角 为 60°， 问它的等效光通量是多少》由于 LED 制成器件后并不是一个真正含 义上的点光源，它射出的光有一定的配光范围，这里是 60°即出光圆锥角为 60°， 仅为球面的 1/6，此时其等效光通量可表示为： Φ=（4 π×60°/360°） lm×5cd=10lm，在同样发光强度下， LED 射出角越大， 其等效光通量也越大， 不同的射出角在 IV 相同时，Φ随θ增大而增大。
6. LED 的发光强度 IV 与照度 E 之间如何进行换算？
由 68 题照度定义可知： E=dΦ/dS。显然， 在同等光通量下， 照射面元的 面积越大，照度越小，反之亦然。
如果知道了 LED 的光通量Φ和需照射的面积，就可换算出照度 E；如果 知道了 LED 的发光强度 IV 和射出角θ， 则同样可换算出照射在面元面积为 S 的面上的照度。
例如， 一个发射角为 60°， 光强 IV=1cd 的 LED，在向其法向距离为 0.1m 的平面上照射时，它的照度可以从下述步骤求得：
由上述 IV 与Φ的换算可以知道， 发射角为 60°， 发光强度为 1cd 的 LED 光源的等效光通量Φ=4 π×（ 60°/360°）≈2lm，而在照射到 0.1m 距离的
面元时，该被照面元的面积 S 为：
S= π(d×tan30°)2 ≈3.14×(0.1×0.58) 2 ≈0.0105m 2
于是有： E=Φ/S=2lm/0.0105 ≈190lx。如果距离为 1m 时， 则照射角上的 照度仅为 1.92lx。
从上面这些参数之间的互换来看，均是有条件的，比较与使用条件相对 关系不大的是光通量Φ，因此在 LED 用于照明领域时， 往往用光通量来表示
它的光学参数就可以理解了。
7. 为什么说用积分球来测量 LED 的光通量时， 可以认为： 在积分球内表面 任一点位置上得到的由另一部分反射出的照度，不受点的位置的影响？
这个问题实际上利用积分球测光通量的原理基础。可以证明：球体表面 上任一点的照度与它的位置无关，整个球内表面的照度 E 是常数。下面来简 单加以说明。
参看图 4-6，假定球的半径为 r，光源位于球心 L 处，球内表面涂有反射 率为ρ的漫散射材料，光源 L 到 P 点间有挡板 Q 遮挡，光线不能直接射到球 内表面 P 的位置上，但 P 点处能接收来自内表面的反射光，于是从图 4-6 可 看出，由到 P 点距离为d 的面元ΔS 在 P 点产生的照度ΔE 可写作：
ΔE=ΔIvcos φ/r2 (4-3)
式中ΔIv 为ΔS 面元的光强， 它由 L 光源照射产生， 式（4-3）又可写作： ΔE=LΔScos φcos θ/d2 (4-4)
式（4-4）为照度平方反比定律， 即余弦定律。 L 是光源的光强， 于是面
元ΔS 上的光强由式（4-3）和式（4-4）可得到：
ΔIv=LΔScos φ
对于一个球体来说， 图 4-6 中， θ= φ，而 P 到ΔS 的距离为d=2rcos φ,将该关系式代 入式（4-5）中即可得：
ΔE=LΔS/4r2 （4-6）
ΔE 球内表面 P 点处的照度，由式 （4-6）可知， 当光源 L 的光强不变， 球的 半径也不变时，ΔE 是一个常数，与 P 点 处的位置无关，即与θ角的大小无关，这
就是积分球被用作Φ测量的依据所在。
(4-5)
8.为什么 LED PN 结上温度升高会引起它的光电参数退化？
这个问题要从半导体 PN 结的机理上去了解， PN 结作为杂质半导体， 在 其工作过程中同样存在杂质电离、本征激发、杂质散射和晶格散射等问题， 从而使复合载流子转换成光子的数量和效能发生变化。当 PN 结上的温度（例 如环境温度） 升高时， PN 结内部杂质电离加快， 本征激发加速。当本征激发 产生的复合载流子的迁移率减小的半导体电阻率变化的影响更为严重，导致 内量子效率下降，温度升高又导致电阻率下降，使同样 IF 下， VF 降低。如果
不用恒流源驱动 LED，则 VF 下降将促使 IF 指数式增加， 这个过程将使 LED PN
v 1+ e- |
I = |
结上温升更快，最终温升超过最大结温，导致 LED PN 结失效，这是一个正 反馈的恶性过程。
PN 结上温度升高，使半导体 PN 结中处于激发态的电子—空穴复合时从 高能级向低能级跃迁时发射出光子的过程发生退化。这是由于 PN 结上温度升 高时，半导体晶格的振幅增大，使振动的能量也发生增加，当它超过一定值 时，电子—空穴从激发态跃迁到基态时会与晶格原子（或离子）交换能量， 于是成为无光子辐射的跃迁， LED 的光学性能退化。理论证明，辐射跃迁的 数量是随温升呈指数上升的规律变化，并可以用式（4-7）来表示：
Ivo
式中 Ivo——PN 结发生温升前的发光强度；
ΔE——LED PN 结的激活能；
K——玻尔兹曼常数；
T——绝对温度
由式（4-7），IV（T）与 T 呈指数关系。
另外， PN 结上温度升高还会引起杂质半导体中电离杂质离子所形成的 晶格场使离子能级裂变， 能级裂变受 PN 结温度影响， 这就意味着由于温度影 响晶格振动，使其晶格场的对称性发生变化，从而引起能级分裂，导致电子 跃迁产生的光谱发生变化， 这就是 LED 发光波长随 PN 结温升而变化的原因。
综合上述， LED PN 结上温升会引起它的电学、光学和热学性能的变化， 过高的温升还会引起 LED 封装材料（例如环氧、荧光粉等） 物理性能的变化， 严重时导致 LED 失效，所以降低 PN 结温升，是应用 LED 的重要关键所在。
9.LED 的哪些参数与 PN 结温度相关？它们是何种关系？
上面已解释了LED PN结上温升引丐的发光性能的变化以及对LED一些特 性的影响，概括起来，可以归纳为以下几个方面，并可以用与温度相关的关
系曲线表示。
（1）T 与 VF 的关系 
LED 在 IF 为常数时（即恒流源偏 置时），LED PN 结上的正向电压 VF 具有负温度系数特性，如图 4-7 所示。即随着结上温度升高，
VF 下降。
ΔVF/ ΔT/IF=cost≈-2mV/℃
(2)T 与λD 关系
LED 发射出的光的波长与结温相关，
所示：
称为波长温度系数，如式（4-9）
ΔλD/ ΔT=K （4-9）
不同波长器件的温度系数 K （单位： nm/℃)也不同，处于 0.3~0.9nm/℃ 范围内,具体可参阅表 4-1。知道了 K 可以计算λD 的变化。
例如，一个在 Tal=25℃时，发光波长λD=592nm 的 LED，当环境 Ta 升 高到 Ta2 时，它的λD 为多少？
表 4-1 求得 K590nm=0.09nm/℃,
ΔλD=K· （Ta2 -Tal）=（0.09nm/℃)×(65℃-25℃)=3.6nm,即该 LED 波长 漂移了 3.6nm；当 Ta=65℃时，λD =590+3.6=593.6nm。
表4-1 各种LED的波长温度系数
LED 色彩 | 温度系数 K（nm/℃) |
琥珀黄 | 0.09 |
红 | 0.03 |
蓝 | 0.04 |
绿 | 0.54 |
紫 | 0.04 |
（3）Φ与 T 的关系
LED 随着 T 的升高， 发光性能也会随之变差， 我们以光通量与 T 的关系
来表示这一变化， 图 4-8 示出Φ—T 的变化趋 势。随着温度上升，Φ下降；当温度升到接 近PN 结最大结温 125℃时， Φ就会急剧下降。
不同发光波长的 LED，Φ随 T 的变化 速率不同， 黄色 LED 的变化速率最快， 白色 次之，绿色第三，蓝色最缓慢。
除此之外， LED PN 结上能施加的电功 率，随温度升高而下降，这一点在下面有详
述，本题从略。
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10. 衡量 LED 长期使用性能退化的主要指标是什么？
当前，比较通用的衡量 LED 长期使用性能退化的指标是它的发光强度 （或光通量）随工作时间增加而下降的特性。通常把随使用时间 T 的增加， LED 从初始使用时的光强 IVO 下降到 IV=1/2IVO 的时间（即使 LED 初始光强随 使用时间增加下降到 50%时）， 定义为是它的工作寿命的半衰期， 这个时间越
长， LED 越优秀。
应当注意，在被测 LED 工作时间内，它的 IF 和 VF 应当基本上符合规定 条件，一般是在 IF 恒定状态下每隔一段时间测一次 IV，所有试验的环境温度
也应当在规定范围内，例如 Ta=25±2℃，否则就会缺乏测量依据。
也可以用确定 LED 的光强 IV 下降 20%的工作时间来衡量它的优劣， 检测 条件与上面提到的一样。无论何种实验方法，目的均是从 LED IV 的变化趋势 来预期它长期工作的性能， 即所谓“LED 的寿命”。当然， 不同发光特性， 不
同材料的 LED 是有差异的， 这要通过大量试验来统计分析才能得到相应的结
论。
图 4-9 示出发光二极管发 光强度 IV 与工作时间 T 的关系 示意图. 随着时间的延长， IV 呈 下降趋势,一般讲功率LED较普 通LED 下降趋势要缓慢,其前提
是散热情况要良好。
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11.什么是 LED 的结温，它是如何产生的？
LED 的基本结构是一个半导体的 PN 结。实验指出，当电流流过 LED 器件时， PN 结的温度将上升， 严格意义上说， 就把 PN 结区的温度定义为 LED 的结温。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸， 因此我们也可把 LED 芯片的 温度视之为结温。在 LED 工作时，可存在以下四种情况促使结温不同程度的 上升：
①器件不良的电极结构，窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存 在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成 LED 器件的串联电阻。当电流流
过 PN 结时， 同时出会流过这些电阻， 从而产生焦耳热引致芯片温度或结温的
升高。
②由于 PN 结不可能极端完美， 器件的注入效率不会达到 100%，也即是 说，在 LED 工作时除 P 区向 N 区注入电荷（空穴）外， N 区出会向 P 区注 入电荷（电子）， 一般情况下， 后一类的电荷注入不会产生光电效率， 而以发 热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一 部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。
③实践证明， 出光效率的限制是导致 LED 的结温升高的主要原因。 目前， 先进的材料生长与器件制造工艺已能使 LED 极大多数输入电能转换成光辐射 能，然而由于 LED 芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使 芯片内部产生的大部分光子无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质界面产生 全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并
以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。
④显然， LED 器件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。散 热能力强时，结温下降；反之，散热能力差时，结温将上升。由于环氧胶是 低热导材料， 因此， PN 结处产生的热量很难通过透明环氧胶向上散发到环境 中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘结层、 PCB 与热沉向下发 散。显然，相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率。一个普通型 的 LED ，从 PN 结区到环境温度的总热阻在 300~600℃/W 之间， 对于一个具 有良好结构的功率型 LED 器件， 其总热阻约为 15~30℃/W。巨大的热阻差异 表明变通型器件只能在很小的输入功率条件下才能正常地工作，而功率型器
件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。
12.简述结温对 LED 光输出的影响。
实验指出， LED 的光输出均明显依赖于器件的结温。当 LED 的结温升高
时，器件的输出光强度将逐渐减小， 而当结温下降时，光输出强度增大。
表 4-2 列出了相对于 25℃而言， 100℃结温时不同波长响应的 InGaAIP 与
InGaN LED 的光输出通量的相对变化值。
LED 材料 | Φ100℃/Φ25℃ | |
InGaAIP | 590nm | 20% |
620nm | 30% | |
640nm | 42% | |
InGaN | 绿 | 70% |
青 | 80% | |
蓝或白 | 90% | |
表4-2 100 ℃结温时相对于25℃结温LED光通量的相对变化
这种变化的数学表达式如式（4-10）所示：
ΦV(T2)= ΦV(T1)e-KΔT (4-10)
式中， Φv(T2)与Φv(T1)分别表示结温 T2 和 T1 时光通量输出， K 为温度系 数， ΔT=T2 - T1。一般情况下， K 值可由实验测定， 对于 InGaAIP LED，K 值 约为 1×10-2，随发光波长的变短略有增加。式（4-11）指出了光输出通量随
结温变化的另一种表示形式：
Φv(T2)= Φv(T1)e- （T2-T1/T0 ） （4-11）
这里 T0 表示一种特征温度， T0 值与材料有关。实验指出，对于红色的 InGaAIP LED，T0=85℃； 对于琥珀色 InGaAIP LED，T0≈55℃。而对于 InGaAIP LED ，T0 值约为 840℃，表明 InGaN 器件的温度系数远小于发红、黄光的 InGaAIP 器件，也即光通量随温度增加而减小的速率在比 InGaAIP LED 小得 多。
一般情况下，光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的，也即当 温度回复到初始温度时，光输出通量会有一个恢复性的增长。这种效应的发
生机理显然是由于材料的一些相关参数会随温度发生变化，从而导致器件参 数的变化。如随温度的增加，电子与空穴的浓度会增加，禁带宽度会变小， 电子迁移也将减小。这些参量的变化必定引致器件输出光通量的改变。然而 当温度恢复至初态时，器件参数的变化也将随之消失，输出光通量也会回复 至初态值。
13.LED 的正向电压与结温之间存在什么关系？
正向电压是判定 LED 性能的一个重要参量， 它的数值取决于半导体材料 的特性、芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺。相对于 20mA 的正向电 流， 通常 InGaAIP LED 的正向电压在 1.8~2.2V 之间， 而发蓝、绿光的 InGaN LED 的正向电压在 3.0~3.5V 之间。在小电流近似下， LED 器件的正向压降由
式（4-12）表示：
VF=（nKT/q)ln(IF/I0)+RsIF (4-12)
式中， VF 为正向电压， IF 为正向电流， I0 为反向饱和电流， q 为电子电 荷， K 是玻尔兹曼常数， Rs 是串联电阻， n 是表征 PN 结完美性的一个参量， 处在 1~2 之间。
分析式（4-12）的右边发现， 只是反向饱和电流 IO 与温度密切相关， IO 值随结温的升高而增大， 导致正向电压 VF 值下降， 实验指出， 在输入电流恒 定的情况下， 对于一个确定的 LED 器件，两端的正向压降与温度的关系可由
式（4-13）表示：
VfT=VfTO+K(T-T0) (4-13)
式中， VfT 与 VfTO 分别表示结温为 T 与 T0 时的正向压降， K 是压降随温 度变化的系数，对于 InGaAIP 与 InGaN LED，其 K 值大致可由表 4-3 所示。
器件 | 颜色 | K | K |
InGaAIP | 红 | -2 | -2 |
琥珀 | |||
InGaN | 绿 | K | K |
蓝绿 | |||
蓝 | |||
深蓝 | |||
白 |
表4-3 InGaAIP与InGaN LED的电压温度系
电压随温度的变化是可恢复的，但在高温情况下，由于结区缺陷与杂质 的大量增殖与集聚，也将造成额外复合电流的增加，而使正向电压下降，甚 至出现恶性循环。通常，恒流是 LED 工作的较好的模式，如在恒压条件下， 由于温升效应使正向电压下降与正向电流增加，并形成恶性循环，最终导致
器件损坏。
14. 当结温上升时， LED 的发光波长与颜色如何变化？
LED 的发光波长一般可分成峰值波长与主波长两类， 前者表示光强最大 的波长，而主波长可由 X 、Y 色度坐标决定，反映了人眼可感知的颜色。显 然， 结温所引致的 LED 发光波长的变化将直接造成人眼对 LED 发光颜色的不 同感受。对于一个 LED 器件， 发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光 的波长或颜色。 InGaAIP 与 InGaN 材料属Ⅲ—V 族化合物半导体，它们的性 质与 GaAs 相仿， 当温度升高时， 材料的禁带宽度将减小， 导致器件发光波长
变长，颜色发生红移。通常可将波长随结温的变化表示如下：
λ（T2 ）= λ（T1 ）+ △T·K
式中λ（T2 ）——结温 T2 时的波长；
λ（T1 ）——结温（T1 ）时的波长；
K——波长随温度的变化系数。
器件 | 颜色 | Kd | Kp | 单位 |
InGaAIP | 红 | +0.03 | +0.2 | nm/℃ |
琥珀 | +0.04 | +0. 15 | nm/℃ | |
器件 | 绿 | ±0.04 | ±0.05 | nm/℃ |
青 | ||||
蓝 | ||||
深蓝 |
表4-4 LED波长偏移系数
表 4-4 指出了 InGaAIP 与 InGaN 器件主波长与峰值波长的 K 值，由表可 知，对于 InGaN 与 InGaAIP LED，峰值波长随温度的变化要大于主波长随温 度的变化，其中 InGaAIP LED 尤甚。
人眼对不同波长的颜色感知灵敏度是存在着很大差异的，在蓝、绿、黄 区域很小的波长变化就将引致人眼感觉上的变化，从而对蓝、绿、黄器件的 温升效应提出了更高的要求。一般来说， 2~5nm 的波长变化人眼就可以感觉 到， 而对红光波长的变化， 人眼的感觉就要相对迟钝一些， 但也能感觉到 15nm 的波长差异。为定量地表明人眼对不同波长颜色的感知程度，有些公司的产 品将颜色与波长的关系列出了主波长的颜色仓。对于琥珀颜色，由于人眼最 为灵敏，因此颜色仓的波长间隔分得很细，仅为 2~3nm，但对于红色区域， 其间隔扩大到 15nm。这就是说，为什么对黄色交通信号灯的颜色标定与均匀 度的要求较高，而红色交通信号灯的颜色要求相对要低得多。
15.简述什么是热阻？它的定义和单位是什么？
通常将两个节点间单位热功率输运所产生的温度差定义为该两个节点 间的热阻。其数学表达式为：
Rθ=△T/PD （4-14）
其中， Rθ为节点 1 与 2 之间的热阻， 为节点 1 与 2 之间的温差， PD 为两
点间的热功率流，热阻的单位为℃/W，即两点间流过单位热功率流（W）所 产生的温度差。显然， 热阻 Rθ越大， 散热能力越差； 反之， Rθ越小， 散热能 力越强。当电功率 W=VFIF 施加到 LED 上后， 在器件的 PN 结处将会产生大量 的热，致使芯片温度迅速升高。由于器件良好的热特性，大部分热量将通过 银浆、管壳、散热基板、 PCB 散发到周围环境中去， 从而抑制了器件芯片的 升温。
类同于电学中的电阻特性， 热阻出存在着相同的运算法则。当 n 个热阻 R θ1 ，R θ2 ，R θ3 … ，R θn 相串联时，系统的总热阻为所有热阻值的相加，
即
Rθ总= R θ1 + R θ2 + R θ3 + … + R θn （4-15）
当 n 个热阻 R θ1 ，R θ2 ，R θ3 … ，Rθn 相并联时，系统总热阻的倒数等
于各个热阻的倒数之和，即
1/ Rθ总 =1/ R θ1 +1/ Rθ2 +1/ R θ3 + … + R θn （4-16）
显然，热阻是热学中的一个重要参量。实验中，只要我们测得两节点间 的热功率以及两个节点处的温度， 我们就可根据式（4-15）求得该两个节点间 的热阻。同样，只要知道某系统两个节点间的热阻与热功率流数值，我们就 可求得两点间的温差，并且可以根据某点处的温度，求得另一个节点的温度 值。
16 ．LED PN 结上最高结温的含义是什么？
在高温下， LED 的光输出特性除会发生可恢复性的变化外，还将随时间 产生一种不可恢复的永久性的衰变。 所谓最高结温是指确保一个 LED 器件在
正常工作条件下，器件所能承受的最高温度。为此，当环境温度升高时，应 适当减小工作电流， 直至当环境温度升至临界温度Tj时， 将工作电流减至零， 此时结温将等于环境温度。
通常有两种原因促使高温下 LED 输出性能的永久性衰减， 一个原因是材 料内缺陷的增殖。众所周知， 现代的高亮 LED 器件通常都采用 MOCVD 技术 在 GaAs、蓝宝石等异质衬底上外延生长 InGaAIP 或 InGaN 等材料制成。为提 高发光效率，外延材料均含有多层结构，由于各外延层之间存在着或多或少 的晶格失配， 从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷。在较高温度时， 这些缺陷会快速增殖、繁衍， 直至侵入发光区， 形成大量的非辐射复合中心， 严重降低器件的注入效率与发光效率。另外，在高温条件下，材料内的微缺 陷及来自界面与电极的快扩散杂质也会引入发光区，形成大量的深能级，同 样会加速 LED 器件性能的衰变。高温时， LED 封装环氧的变性，是 LED 性 能衰变乃至失效的又一个主要原因。通常， LED 用的封装环氧存在着一个重 要特性，即当环氧温度超过一个特定 Tg=125℃时，封装环氧的特性将从一种 钢性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状的物质。此时材料的膨胀系 数急剧增加，形成一个明显的拐点，这个拐点所对应的温度即为环氧树脂的 玻璃状转化温度， 其值通常为 125℃。当器件在此温度附近或高于此温度人作 时，将发生明显的膨胀或收缩，致使芯片电极与引线受到额外的应力而发生 过度疲劳乃至脱落损坏。此外，当环氧处于较高温度时（即使未超过转变温 度 Tg），特别是与芯片临近部分的封装环氧会逐渐变性， 发黄， 影响封装环氧 的透光性能。这是一个潜移默化的过程，随着工作时间的延长， LED 将逐渐 失去光泽。显然工作温度越高，这种过程将进行得越快。为解决这一困难， 特别在大功率器件的制作过程中，一些先进的封装结构已摒弃了环氧材料而
改用一些性能更为稳定的诸如玻璃、 PC 等材料制作透镜； 另一个重要方法是 让环氧不直接接触芯片表面，中间填充一种胶状的性能稳定的透明硅胶。实 践证明，通过如此改进，器件性能与稳定度获得了明显改善。
17 ．LED 器件的热阻模型，它由哪些部分构成？各有什么特点？
从 LED 器件的结构， 可以建立它的热阻构成的模型。图 4-10 是一个典型
的 LED 器件结构示意图。由图知，暂不 计 LED 芯片有源层到衬底间的热阻， 则 芯片内部主要是衬底的热阻， 我们用 R θs 来表示；衬底与引线支架间由于存在粘 结层，因此衬底到支架有一个粘结材料 引入的热阻， 用 Rθx 来表示； 安放芯片的 支架到自由空间的热阻 R θf，这三个热阻 构成 LED 芯片 PN 结到空气之间的总热
阻 R θ，于是：
Rθ= Rθs+ Rθx+ R θf (4-17)
(1)衬底到支架的热阻
假定芯片衬底是一个 200 μm 的正方形，银胶的厚度为 100 μm，已知银
胶的导热系数为 20W/m·K，可求得芯片衬底到支架的热阻为：
Rθx =h/(ρ银胶·S）≈ 125℃/W
（2）LED 衬底的热阻
若 LED 衬底是 GaAs，则ρGaAs≈18W/m·K，当厚度为 0.2mm 时， 衬底的 热阻：
Rθs ≈138℃/W
（3）支架的热阻
铁支架到空气的热阻可求得为 4.2 ℃/W，这个 LED 的总热阻 Rθ= Rθs+ R θx+ Rθf =267℃/W。这个 LED 当使用环境温度为 65℃时，它最多能承受的电 功率小于 0.2W。
上面讨论中，还未计入芯片有源层本身的热阻，只是这一层比较薄，尽 管也是 GaAs 材料，由于厚度仅几十微米，其热阻较衬底低 4~5 倍，约为 30 ℃/W。可以看出，普通封装的 LED 其总热阻在 300℃/W 左右， 只适用于小功 率使用。
根据上述的热阻模型， LED 热阻的主要贡献在于衬底和衬底到支架间的 粘合材料引起的热阻， 对于功率 LED 要降低热阻除加大衬底面积（即芯片面 积）外，用高导热系数材料作衬底及用高导热系数的合金材料作粘结材料是 降低 LED 热阻的主要途径。例如， 用导热系数为 75W/m·K 的硅胶材料作衬底，
在芯片面积为 1mm2，硅衬底厚度为 0.3mm 时，衬底的热阻 Rθ为：
Rθs=h/ρsi·S≈4℃/W
这就比常规 0.2mm×0.2mm 面积的 GaAs 衬底热阻低得多。若再用导热
系数为 76W/m·K 的钝锡（Sn）作衬底与支架的焊料时， 粘结层热阻 Rθx 就为：
Rθx=h/ρsi·S≈2.6℃/W
这样， 功率 LED 的总热阻有望可以控制在 4~6℃/W，此时热阻主要贡献 在于芯片材料本身。目前已有热阻低于 15℃/W 的封装。但这要求 LED 芯片 在衬底材料和粘合材料上改进， 前者用硅作衬底， 后者用 AuSn 或铅锡（PbSn) 等合金材料用合金工艺将芯片粘结在引线支架上，取代常规的银胶。
18．为什么说提高光效可降低结温？提高 LED 光效的主要途径有哪些？
通常将单位输入电功率所产生的光能称之为光电转换效率，简称光效。
根据能量守恒定律， LED 的输入功率最终将通过光与热两种形式释放出来， 光效越高放出的热量越少， LED 芯片的温升就越小，这就是提高光效可降低 结温的基本原理。
实验指出，对于高亮 LED，改进出光效率是提高 LED 光效的主要途径。 InGaAIP 通常是由 GaAs 衬底上外延生长 InGaAIP 发光区及 GaP 窗口区制备 而成， 与 InGaAIP 相比， GaAS 材料具有较小的禁带宽度， 因此， 当短波长的 光从发光区与窗口表面反射进 GaAs 衬底时将被悉数吸收， 成为器件发光效率 不高的主要原因。一个有效的改进方法是先除去 GaAs 衬底，代之以透明的 GaP 晶体，由于芯片内除去了衬底吸收区，从而大幅度提升了器件的出光效 率。近年来，日本、中国台湾的一些公司经过大量的研究，成功开发了一种 谓之 MB （金属键合） 的工艺技术， 获得了与透明衬底法相似的良好 效果.MB 工艺的基本要点是:先除 GaAs 衬底， 然后在其表面与 Si 基底表面同时蒸镀 Al 质金属膜,然后在一定的温度与压力下熔接在一起。因此，从发光层照射到基 板的光线被 Al 质金属膜层反射至芯片表面,从而使器件的发光效率提高 2.5 倍 以上。除 MB 结构的器件外，中国台湾国联公司还开发了一种谓之 GB 型的 高亮度 InGaAIP LED 的新一代器件，该工艺是采用一种新型的透明胶， 将 具有 GaAs 吸收衬底除去，并在外延层上制作电极从而获得了很高的发光效 率。德国欧司朗公司开发的表面微结构工艺是提高器件出光效率的又一个有 效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻制大量尺寸为光波长的小结构， 从而使透光效率明显提高。实验表明，大量纹理结构层的厚度越薄，纹理腐 蚀得越深，则出光率的增加将越明显。测量指出，对于窗口层厚度为 20 μm 的器件，出光效率可增长 30%，当窗口层厚度减至 10 μm 时，出光效率将有 60%的改进。对于 585~625nm 波长的 LED 器件 ，制作纹理结构后，发光效
率可达 30lm/W，其值已接近透明衬底器件的水平。
对于一般结构的 GaN 基蓝绿光器件， P 型表面的 Ni-Au 金属电极层限制 了光的输出效率， 采用 GaN LED 倒装芯片结构后， 由于芯片倒装于 Si 基垫上， LED 发出的光直接透过蓝宝石射出， 出射的光强损失较小，从而提升了它的 出光效率。实验指出， 在 450~530nm 的峰值波长区域， 倒装功率型 LED 器件 的最低效率要比普通型器件高出 1.6 倍。
19.试述热阻在功率 LED 光源应用中的作用。
大量实践表明， LED 不能加大输入功率的基本原因是由于 LED 在工作过 程中会放出大量的热， 使管芯结温迅速上升。输入功率越高， 发热效应越大， 温度的升高将导致器件性能的变化与衰减， 直至失效。减小 LED 温升效应的 主要方法： 一是设法提高器件 的电光转换效率， 使尽可能多的输入功率转变 成光能；另一个重要途径是设法提高器件的热散失能力，使结温产生的热通 过各种途径散发到周围环境中去。显然，对于一个确定的 LED，设法降低热
阻是降低结温的主要途径。
实践指出， LED 的热阻将严重影响器件的使用条件与性能。图 4-11 指出
了具有不同热阻值的 LED，极大正向电流随环境温度的变化。由此可见，到
于确定的环境温度，热阻越小， 所对应的极大正向电流就越在。 这显然是由于，当热阻较小时， 器件的散热能力较强， 因此为达 到器件的最大结温，器件 工作
在较大的正向电流。反之， 如器
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件的热阻较大，器件散热不易，故在较小的正向电流下， LED 即可达到最大
结温。
图 4-12 指出了不同热阻的器件的光 通量与正向电流的关系，由此可见，当 热阻较小时， 由于 PN 结温的上升， 当正 向电流加大到某值时，光通量将趋于饱 和，并随之逐渐下降。相应于确定的正 向工作电流，热阻越小，器件对应的光 通量就越大，这显然与较小的热阻使器
件保持在一个较低的芯片温度有关。
根据以上分析可知，较低的热阻值是制作功率型 LED 的重要前提，因为 较小的热阻才能使器件在较大的输入功率下工作，同时又能获得较大的光功 率输出。一般说来，一个普通型的器件从 PN 结区到环境的总热阻值约在 300~600℃/W 之间， 而一个性能良好的功率 LED，其总热阻值应可保持在 30 ℃/W 以下。巨大的热阻差异表明普通型器件只能在很小的输入功率条件下，
才能正常地工作；而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。
20.如何减小 LED 的热阻值?
对于一个 LED 管， 设法降低 PN 结与应用环境的热阻是提高器件散热能 力的根本途径。由于环氧胶是低热导材料， 因此 PN 结处产生的热量很难通过 透明环氧向上散热到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘 结层、 PCB 与热沉向下发散。显然，相关材料的导热能力将直接影响器件的
热阻与散热性能。
材料 | Si | Al2O3 | GaAs | SiC |
热导系数(W/m·K) | 75 | 25 | 18 | 49 |
表4-5 LED衬底材料的热导系数
材料 | 碳钢 | 黄铜 | 铝合金 | 金 | 银 | 锡 | 锌 | 纯铜 | 纯铝 | 纯铁 |
热导系数 (W/m·K) | 36.7~39.2 | 109 | 162 | 315 | 427 | 67 | 121 | 398 | 236 | 81. 1 |
表4-6 常用热沉材料的热导系数
表 4-5、表 4-6 指出了若干常用的衬底与热沉材料的导热系数值。银浆与 环氧的数据未在表中列出，他们的导热系数值分别为 20~30W/m·K 与
15~25W/m·K。知道了材料的热导系数，即可根据下式计算热阻值：
Rθ=h/ ρ·S （4-18） 式中，ρ为物体的热导系数，单位为 W/m·K[瓦/ （米×度） ]；S 为物体
截面积， 单位为 m2 （平方米）； h 为导热路径上两个节点间的距离， 单位为 m （米）。显然为减小 LED 的总热阻， 应设法减小芯片 PN 结到环境之间的距离， 增大散热通道面积及采用高热导的材料。由于 LED 的衬底材料 GaAs、蓝宝 石以及环氧、银浆与粘结剂均是一些低热导的材料，为减小热阻，近年来相 继开发了去除 GaAs 衬底、采用倒装结构以及改用金属直接替你胶粘结等新技 术。目前这些技术逐渐成熟，并大量投入生产。
由表 4-6 可知，纯铜与纯铝是两种具有极高热导的适于 LED 支架与热沉 的材料。材料确定后，散热通道的截面积与散热片表面积的大小决定了器件 的总热阻。实验指出，散热面积越是减小热阻的有效途径。
21.请简单介绍一下目前常用的热阻测试方法。
根据 LED 的热阻公式：
Rθ= ΔT/W (4-19)
式中，ΔT=T 结-T 环境 ，W 为输入电功率，一般情况下， W=V ·I，其中 V 是外加电压， I 为正向电流。由于式（4-19）中， T 环境是可以测得的， W 也可 以通过计算求得。因此我们只要测的 PN 结 T2，就可以求得 LED 的总热阻值 Rθ。一个简单而直接的办法是采用微型热偶或红外测温显微镜， 直接测得 LED 芯片表面的温度，并将此温度视为芯片结温。然而，此方法显然有些粗糙， 并且对于一个现成的 LED 管难于直接测量芯片表面的温度。通常可利用确定 电流下的正向偏压与结温之间反比变化的关系来判定 LED 的结温。
根据 PN 结的电流公式， LED 的 VF 可以表示为：
VF= （KT/q）× InIF/IF（0）=（KT/q） ·C （4-20）
式中用 C= InIF/IF（0），当 IF 为常数（即恒流情况下） 时， C 为常数。对式
（4-20）求温度 T 的导数可得：
d VF/dT=K/q·c (4-21)
对一个 LED 来讲，式（4-21）是线性关系，大量测试证明， LED 的 VF 温度系数 d VF/dT 处于-1.8~-2mV/℃范围内，基本上是一个可预知的数。一般 可取 d VF/dT =-2mV/℃，作工程近似计算数值。
我们在被测 LED 上施加不足以引起 PN 结温升的恒定较小的电流（例如 IF=1mA），并将被测 LED 放置在温度可调节的恒温槽（或箱）内，测出不同 Tj下的 VF 值， 可以发现它符合式（4-21）的规律， 并可作出斜率为-2mV/℃的 VF-Tj的关系曲线：
假设被测 LED 在 Tj=100℃时，其 VF=1.7V，则在 Tj=20℃时，其 VF =1.7V+80℃×2 mV/℃=1.86V。
第二步可以对被测 LED 在常温下施加足够大的电功率 P0，使其温升提 高，当达到温度平衡时，此时快速切断这一电功率，并转换成 IF 在小电流状 态， 迅速测出其 VF，例如测得 VF=1.7V，则可以知道， 在功率 P0 作用下， LED PN 结温从常温 25℃上升到Tj=100℃。于是就可以计算出这个 LED PN 结到空 气间的热阻（总热阻），假设 PO=1W 时，有：
RO= ΔTj/P0=(100℃-25℃)/1W=75℃/W
以上就是测量热阻的一个较为常用的方法。
22.芯片局部过热的原因是什么,对 LED 的右靠使用有何隐患,如何测量芯片表 面的温度分布?
一般来说,传统的 LED 芯片由于面积较小,并具有很厚的窗口层， 因此流
过芯片的电流较为均匀。对于由 MOCVD 生长的 I nGaAIP 四元系高亮度芯片， GaP 窗口层较薄，材料的电导率也较低，考虑到金属的遮光效应，电极也不 能做得很大，从而使注入电流不能扩展到整个有源层。电极注入电流密度较 大,造成样品的局部过热,引致芯片发热不均匀。根据薄层电流的扩展公式， 其 扩展电流的范围由其 L0=2（KTd/qρxJe)1/2 决定， 式中， K 为玻尔常数， q 为电 子电荷， Je 为总电流， d 为窗口层厚度， px 为薄层的电阻率。由式可见， 特征 长度与窗口层厚度 d 成正比，与窗口层的电阻率及总电流成反比。因此，为 增大电流扩展效应有必要适当增大窗口层的厚度与电导率。 对于大功率 LED， 由于芯片面积较大，这种局部过热的现象更为突出，此时，采用布及整个芯 片表面的网状或梳状的电极结构显得十分重要。
芯片的局部过热将严重影响 LED 的性能与可靠性。由于结温的升高会降 低器件的发光效率，并使波长发生红移，从而使 LED 不仅光效降低，而且使 器件的单色性变差，光波的半峰宽增大。特别对于大功率 LED，由于工作电
流的加大，芯片已处于很高的温度，局部的过热有可能造成芯片的局部温度 超过临界温度，产生不可逆转的衰变，从而降低了器件的使用寿命。
显然，准确测量芯片表面的温度分布对于掌握芯片局部过热情况，指导 合理的芯片版面的结构设计是十分重要的。由于芯片很小，采用热电偶等直 接接触技术来进行芯片温度分布的测量是十分困难的。采用红外测温仪对芯 片表面温度进行非接触测量是较为通行的方法。被测的芯片表面射出红外能 量通过红外测温仪的光学系统在探测器上转换为电信号，再变换成温度的数 据。红外测温仪重量轻、体积小，使用方便，不会污染或损坏被测物体，并 且具有较快的测量速度与很高的测试精度。通过扫描还可实现红外成像，从
而能更生动地显示芯片表面的温度分布。
23.请介绍一下 LED 光电参数中哪些参数与电流 IF 相关？
从前面介绍的 LED 电流电压特性知道， LED 电学参数中，主要有 LED
的正向压降 VF 和 LED 上的电功率 Pe ，这两个电学参数均与电流 IF 相关。
由式（ 1-6）知： VF=VF（0）+IF
对上式求 IF 的导数可得：
ΔVF ≈ΔIF ·RS
·RS+（ΔVF/ΔT） ·ΔTj (4-22)
（4-23）
式中，RS 是 LED 正向 V—I 特性曲线的斜率或称动态电阻，从式（4-23）
知，ΔIF 引起ΔVF 的变化近似于ΔIF ·RS ，RS 越大，ΔVF 变化也越大。
其次， IF 的变化会引起 LED PN 结上电功率的变化， 由式（1-7）知， Pe=VF ·IF
可求得ΔPe≈ΔIF （VF+IFRS ） （4-24）
另外， LED 的 IF 变化还会引起 LED 光学特性的变化，随着 LED 的 IF 的
增大，其发光强度也随之增加，直到 IF 增大到一定范围， IV 不再随之增加，
甚至因 PN 结温升过高反而使 IV 下降，如图 4-13 所示。这是一个变化趋势示
意图，不同材料与结构的 LED 其变化趋势也不同，可以从实验上统计出它规
律。
显然，LED 的IF 的变化还会引起发光波长的漂移， IF 的变化会引起LED PN 结内迁移率的变化， 导致λ的变化。另外， IF 的增加又会引起 PN 结上结温的 升高，引起λ的变化，使其发光特性变化，也就是所谓颜色的偏移。
从上面的简述可以知道， LED 的 IF 的变化会引起 LED 电学、光学甚至热 光特性的相应变化。当 IF 变到一定范围值时，会引起 LED 的退化甚至失效， 因此， LED 在工作时，希望其 IF 保持恒定，不受电压、温度等外部影响，使 LED 保持正向电流恒定，以保持 LED 性能的基本恒定。
24.LED 工作时，较好的驱动方法是什么？
上面已经简单分析了 LED 的正向电流 IF 对 LED 电、光、热参数的影响， 从中可以看出， LED 是一种电流型控制的半导体发光器件，控制好它的 IF ， 也就是控制好了它的电学、光学、热学等参数。
对于电流型控制的半导体器件， 常用的驱动（又称偏置） 方法是用恒流
电源作 LED 的 IF 供电。恒流电源是什 么？恒流电源是一种内阻为无限大的 电源，为说明它的恒流特性，我们先 从图 4-14 的原理图谈起。
图中，当 LED 的 VF 已知时，在 电源 U 确定时，流过 LED 的正向电
流
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| ||
IF=（U-VF ）/R （4-25）
对式（4-25）求ΔU 导数：ΔIF/ ΔU=1/R
ΔIF= ΔU/R （4-26）
一个电路在电源电压 U 发生ΔU 变化时， 则从式（4-26） 知， 仅当 R 
∞，
ΔIF
0，这可用图 4-15 的等效电路和图 4-16 的恒流电源 V—I 特性来表示。
|
从图 4-16 可看出,在>U1，<U2 的区间中， 电流 Iconst恒定， 图中， U1 为起 始电压， U2 为最高工作电压。在 U2—U1 范围内， 为恒定工作区， 当然这是理 想的情况。实际上，任何实际电源，在有限范围内，内阻不可能为无限大， 只要电源内阻远大于 LED 的动态电阻，就可以近似地认为 IF 恒定。
图 4-17 示出一个实际的恒流电源电路原理图。图中 A 为运算放大器，
其电压增益在 105~106 之间，利用其两个输入端间电位差近似为零的“虚地”
特性，可以认为流过 LED 的电流 IF 可以表
示为： Vi=IF ·RS
IF=Vi/RS (4-27)
例如， 当 Vi=1V 时， 欲使 IF=20mA， 只 要在图 4-17 中满足：RS=Vi/IF=1V/20mA=50 Ω即可。
显然，只要 V1 和 RS 恒定，流过 LED
|
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的电流就不会变化。假定运放电压增益 A0=106 ，LED 的 VF ≈3V，则图 4-17
中 C 和 D 两个输入端间的电压差 V Σ可以由下式求得：
V Σ=V0/A0=（VF+IF ·RS ）/A0=（VF+VS ）/A0=（3+1）/106 ≈5μV IF 恒流的精度为：ΔIF=5μV/RS=5μV/50Ω=0.5μA
误差为 0.5 μA/20mA×100%=0.000025%，几乎可以忽略不计。
25．有哪些常用的恒流驱动 LED 的方法？请作简单介绍。
用电子技术来设计驱动 LED 的恒流电源方法很多， 具体要视 LED 在什么 场合和什么工作电源的条件来决定选用何种方法。最重要的是，驱动 LED 的 电流源的设计要点在于：效率要高、工作电压的范围要宽、电路占的体积要
尽可能小以及恒流精度要高，同时成本要低。
下面简单介绍几种常用的 LED 驱动电流源电路的工作原理。
（1）双管电流源（图 4-18 所示）
利用半导体三极管在较大电流范围内其基极—发射极电压 Vbe 近似为常数这
一特性，可以组成低成本的简易驱动 LED 的
电流源，这种电路示于图 4-18。
图中晶体管 Q1 的基极、发射极接在电阻 RS 端，
于是流过电阻 RS 的电流 Ie2=Vbe/Rs+Ib1 ≈Vbe/RS, 在 Q2 的电流增益 Hff2 较大时，Ie2 ≈Ie2=IF,于是 得：
IF ≈Vbel/RS (4-28)
图 4-18 的电路的恒流精度在 1%左右，成
本较低， 缺点是为提高效率， VCC 必须设计成： VCC≈VF+VCE2min+Vbe1,在仅驱动图
中一个 LED 时， 由于 VCE2min+Vbe1≈1V， 而 LED 的 VF 在 2~3V 间， 因此， 电路效率
η=（VCE2min+Vbe1）/VF ×100%,约在 50%~70%之间， 在驱动 LED 串接回路时， 效率 会相应提高。
（2） 用三端可调稳压 IC 作 LED 恒流驱动电路
图 4-19 示出用一个三端可调稳压器 IC 改变接法可以构成恒流电源，驱
动 LED。
由图 4-19（a） 知， 一个三端可调式稳压器， 其输出电压 Vout 由下式确定：
Vout=VFB (1+R1/R2) (4-29) 式中，VFB 为内部基准电压，一般为一个带隙电压：VFB ≈1.25V。
将图 4-19（a） 改成图 4-19（b）， 并用一个或数个 LED 串接回路取代 R1， 用取样电阻 RS 取代 R2 ，则从图中可知：VFB=IF ×RS
IF=VFB/RS （4-30）
显然，由于 VFB 是基准电源，只要 RS 不变，流过 LED 的电流也不会变化， 达到恒流驱动的目的， 一般只要选择合适的 IC， 可以构成驱动 0.1~1A 的负载。
(3).用开关电路（电源）实现恒定驱动 LED
上述两种方法效率决定盱工作电压和电路的取样电压，一般来说，使
用时，电源有一定限制。提高效率的一 种行之有效的方法是用脉冲调制的开关 电源方式，其基本原理如图 4-20，从图 中可以看出，当晶体管 Q 截止时，加在 LED 回路两端的电压是电源 VCC 和电感 L 在 Q 截止时的反电势电压之和。因此， LED 串接电路的电压可以高于电源电压
VCC ，是一种能升压的电路。
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Q 基极的输入电压 Vi 是占空比可调节的脉冲信号电压。当 Vi 高电平时，
Q 导通，流过电感 L 的电流 iL 可以表示：
iL=VCC/R[1-e-(R/L)t] (4-13)
式中， L 为电感量， R 为 L 和 Q 的等效电阻， t 为导通时间， 显然当 t
∞ 时，iL=VCC/R。R 越大，最大电流越小；反之 L 越大，电流上升越慢，导通时 间内电流增加就慢。
当 Vi 处于低电平时，Q 截止，电感 L 中储存的能量向 LED 释放，使 LED 瞬间流过较大的电流，点亮 LED。只要 L、R 和导通时间 t 选择适当，LED 的 电流可控制在所预定的电平上，达到恒流驱动的目的。这里，电源功率的损 耗仅表现在 Q 在导通时其饱和压降 VCCS 电感电流 iL 和IQ 的引起的功率和 L 的直 流电阻上引起的功率， 一般是比较小的， 因此效率较高， 且和 VCC 相关不太大。
图 4-21 是另一种形式的开关电源驱动电路，显然当 Q 导通时，有：
iL （t）=I0e-(R/L)t (4-32)
式中，I0 是 Q 从导通瞬间转为截 止时的电流。 当 Vi 高电平时， Q 导通。
电感 L 上的电流随时间线性上 升到 I0 ，此时 LED 中无电流流过，当 Vi从高电平跳变到低电平时， Q 截止， 电感上储存电能量按式（4-32） 向 LED
释放，显然，电感电阻 R 过大时，转
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换效率就低。
图 4-20 与图 4-1 的两种电路通过Ui 信号占空比的控制可以达到流过 LED 平均电流恒定的目标。当然，这要通过反馈控制来实现。
随着 LED 应用范围的扩大， 一些 IC 公司相继推出了各式各样的专用 LED 恒定电流， （式可调电流）驱动电路，驱动输出的功率从几十毫瓦到数十瓦， 供用户按不同需要选用。
26.能否推荐一些专用于 LED 的 IC 驱动芯片？
专用于 LED 的 IC 驱动芯片种类十分多， 生产厂也不下数十家之多， 限于 篇幅只能从应用要求出发，从工作电压范围、驱动功率大小的角度出发选择 一些典型和专用 IC 作一些简单的介绍。
（1） 电池供电，小功率背光源用 LED 驱动 IC
表 4-7 列出用于低电源电压供电，例如电池供电的情况下，驱动 LED 的升压 IC 驱动器，这些 IC 大多是用电荷泵技术，用 CMOS 工艺制作的开关式电源芯 片， 输出电流适用于小功率 LED， 在 15~20mA 范围内， 大多用在手机背光源中。
详见表 4-7， 这些 IC 除能提供恒流驱动外， 还具有输出电流可调的调光功能。
表 4-7 LED 背光源驱动
序号 | 产品型号 | 主要技术规范 | 封装 | 制造商 |
1 | LM2733 | Vin:2.7~14V Vout:38V/20Ma | SOT-23 | NSC（半导体） |
2 | NJU6050 | Vin:3~6V Vout:30V/20Ma | ASOT-23 | 新日本无线电公司 |
3 | NJU6051 | 双通路 Vout:16V/50Ma | ASOT-23 | 新日本无线电公司 |
4 | LT1615 | Vin:1.2~15V Vout:36V/20mA | ASOT-23 微型封装 | Linear Technolog |
5 | TK11851L | Vin:2.3~10V Vout:14V/25 mA | ASOT-23 | ToKo |
（2） 低压 LED 驱动 IC
表 4-8 示出用于驱动功率 LED 的专用 IC，但输入电压仅在 4.5~12V 范围 内，有些 IC 具有多路驱动功能， 驱动电流在 100~400mA 范围内， 同样用 SOT-23 封装，可用于 LED 灯具供电中。
表 4-8 低压功率 LED 驱动 IC
序号 | 产品型号 | 驱动回路 | 每路驱动电流 | 输入电压 | 输出电压 | 制造商 |
1 | VT8362 | 1~24 粒 LED8 路 | 每个回路 100mA | 4.5~12V | ≤18V | 达伟科技 |
2 | VT8363 | 1~6 粒 LED2 路 | 每个回路 400mA | 4.5~12V | ≤18V | 达伟科技 |
3 | LM2734 | 单回路 | 1A | 3~20V | ≤18V | NSC |
4 | MBI1804 | 四回路 | 360mA | 5~8V | ≤17V | Macroblock 台湾聚积 |
5 | BL8501 | 单回路 | 外加 MOS 管 | 3.5~12V | ≤5V | 上海贝林公司 |
（3） AC/DC 驱动 IC
表4-9列出用作AC/DC变换与恒流驱动功率LED 的所谓Off-Line Smps Current Mode Controller (离线式电流控制型 IC)。这些 IC 均具有 650~700V 耐压的 高压大电流 MOS 晶体管作输出，内置可控制的开关型稳压器。它原是专用于 电动剃须刀、电池充电器等适配器，只要适当改变它的外围电路接法，可以
构成专用于驱动功率 LED 的电源，并且可以直接用于 85~264V 的输入电压， 即直接用 120V 或 220V AC 电网供电（加桥式整流）。
表 4-9 offLine 电源专用 IC
序号 | 型号 | 主要技术指标 | 输出功率 | 制造商 |
1 | ICE2A0565 | 输入电压： 85~265VAC 输出电流：12V | 13~130W | Infineon |
2 | Viper12V | Vin:85~265V AC | 8~13W | S.T |
3 | Top221~227 | Vin:85~265V AC | 9~20W | Power Intergvation |
4 | FSD210/200 | Vin:85~265V AC | 4~5W | Fairchild |
5 | HV9910 | Vin:8~450V | 外加功率 MOS：5W | Supertex |
以上介绍了几种类别的用于 LED 恒流驱动的专用 IC， 这些电路各有特色， 但大多具备外围元件少，电流控制方便且可调节等优点，在上述开关型驱动 电路中，它们都具有转换效率高（75%以上，好的达 85%以上）的特点，因此 是 LED 光源必须配置的配套件， 成本也不很高， 功率因数在 0.4~0.7 范围内， 指标均可。
27．如何实现 LED 的调光、调色？请举一简单例子说明。
由于 LED 的发光强度 IV （或光辐射通量）与它的工作电流 IF 在一定电流 范围内呈线性关系，即随着电流 IF 增大，IV 也随之增大，因此，改变 LED 的 IF ，就可以改变它的发光强度，实现调光。
图 4-22 示出单个 LED 调光的原理示意图。图中，DAC 是一块数字到模拟 的转换 IC， 为简化， 可选用 8bit 的 DAC， 它有 256 级模拟电平输出， 我们设 20mV/级， 则 DAC 输出电压在数字信号控制下可在 0~5.12V 范围内按每级 20 mV
变化，共有 256 级。
假定每级 20mV 产生 1mA 电流，则图 4-22 中取 RS=20Ω即可使 LED 的 IF 在 0~256mA 间变化。这样， LED 的发光强度也随 IF 的变化发生相当于 256 级的
真值表 |
亮度变化。图中 A 是一个能输出不少于 300mA 的运算放大器或其他类似驱动
电路，实际上图 4-22 是数字调光电路的一个基本单元。
色度学原理可以知道，如果将红、 绿、蓝三原色作混合，在适当的三原 色亮度比的组合下，理论上可以获得 无数种色彩，这就可以用三种发光波 长的 LED， 只要具有例如： 470nm（蓝 色）、525nm（绿色） 和 620nm（红色） 的三种波长的 LED 通过点亮和 IF 控 制， 就可以实现色彩的调控， 即调色。
图 4-23 示出一种所谓呈现七彩的
是这一电路的逻辑真值表。
LED 调色电路原理示意图。表 4-10 则
B | G | R | 色彩显示 |
20 | 21 | 22 | |
0 | 0 | 0 | 复位 |
0 | 0 | 1 | 红色 |
0 | 1 | 0 | 绿色 |
0 | 1 | 1 | 青色 |
1 | 0 | 0 | 蓝色 |
1 | 0 | 1 | 紫色 |
1 | 1 | 0 | 黄色 |
1 | 1 | 1 | 白色 |
表 4-10
图 4-23 中， IC 是一块二进制三
位计数电路， Cp 是时钟发生器， R、 G、B 三种发光波长的 LED 分别由 20 、21 、22 输出驱动，当计数器输
出为高电平（“1”电平） 时， 相应
|
的 LED 点亮，反之则不亮。
由图可知， 当第一个时钟脉冲进入计数器 Cp 端时， 20 位输出口变高电平， 红色二极管点亮，发出红光，随着计数时钟的不断输入，三个 LED 按表 4-10
的所示真值表进行变化，发出的光色依次按红
绿
青
蓝
紫 
黄
白不断循环的七彩变化，如果在微处理器中预编 R、G、B 的各种变化状
态，用它的输出数据去控制 R、G、B 三种 LED 的驱动电路，则可实现比较上 述七彩变化复杂的调色和调光，形成色彩多姿的各种图案和文字变化，但原 理就在于调光与混色两种。
目前，已有 IC 工厂专门制作了 LED 色彩的专用 IC，使 LED 的调光、调 色使用简化，更好的方案已由专门厂商开发了各种软件，来用于控制 LED 的 光与色彩，因此已接近积木配装。
28．LED 的“寿命”是什么样一种概念？什么是“浴盆”曲线？
“寿命”是事物从诞生到死亡的生存时间。 对于电子元器件来讲，它的 “寿命”是指它内部的物理机能从形成到消失的延续时间， LED 作为一种电— 光转换的器件，电子—空穴对的能带跃迁产生光子这一物理机能，理论上是 无限长的过程，是长寿命的“永久”牌，但任何材料，即使是构成 LED 的半 导体材料，包括它的电极等材料，在长时间的电能、热能加载下，终究会衰 变、老化， 最终会丧失原有的机能， 导致“死亡”——失效。因此， 尽管 LED 是固体发光，也有它的生存期。一般讲，这种器件与其他半导体器件一样， 在理论上讲“寿命”很长，所谓 LED 的寿命有 10 万小时，大概也源于此。
但是， LED 其发光机能的寿命与实际制成可实用的 LED 器件（指 LED Lamp） 的寿命是两个概念。它必然如同其他电子元器件一样，遵循事物从诞生到消 亡的一般规律——浴盆曲线。
图 4-24 示出自然界的物件与时间的消亡（或失效）规律。
从图中可以看出，这个曲线可以分为三个时段：
（1） t0—t1 时段
这是器件的诞生初期的一段时间， 它一 开始呈现高失效率， 随着时间的增长， 失效 率逐渐下降达到 t1 时间时， 失效率保持在比 较低的水平，称 t0—t1 时段为早期失效时 段。可以以人为例，婴儿从出生到少年期，
由于先天不足， 抵抗力、免疫力等不足造成
其死亡率比青年、中年要高。LED 同样， 由于器件在制造过程中形成的缺陷以 及漏检、漏测等因素，一些“先天不足”的器件“混出”到用户处，一经使
用，便暴露出来，导致使用初期失效较高。
（2） t0—t1 时段
这段时间往往很长，是所谓的： “寿命期”，即指这段时段，由于“先天 不足”或质控不严的器件在 t0—t1 时段被暴露， 因此， 大多数“正常”的器件 能可靠地工作，执行它们的使命。当然也会有非常低比率的器件失效，如同 人在青壮年时期也会因突发原因死亡一样，这种失效十分随机，因此称这一
时段为随机失效时段。
（3）≥t2 时段
这是器件经长时期工作后，由于风化、 老化、自然磨损等种种疲劳性因 素，使器件进入衰老期，逐步丧失机能，失效率增长较快，因此这时段也称 疲损失效时段，进入这一时段的器件，失效比率直线上升。
很显然，浴盆曲线适用于包括 LED 的各种物件。对于不同的物件，需要
定义它们各自的“失效”含义，例如对人和动物而言是死亡，对于 LED 之类 的电子元器件则需另外定义。
注意，上面的叙述是对物件的总体，并不针对某一个物件的单体， 实际 上， 这是一种统计上的概念。因此， “寿命”也是一种统计平均， 不能用单体 来估测。例如，我们说人的寿命平均为八十岁，是指特定范围内的人群，对 这群人中某一位有可能活到一百岁，也有可能三岁就夭折。不能以单体寿命 去“考核”人群的寿命。LED 同样如此，不能用整体的所谓 10 万小时、5 万 小时来作为检验某一个或某一批 LED 的产品。一般讲“寿命”不能作为一个
参数来检测 LED 合格与否，道理也在于此。
29．LED 失效的判断标准是什么？什么是失效率？
与其他电子元器件类似， LED 的失效是指： 在规定的时间内， 器件不能完 成规定的功能，称该器件失效。即所谓功能丧失称失效。
对于 LED 可以用它某一个或几个参数的变化来作为是否失效的判断依据。 例如常用 LED 发光强度与起始值的比值作判断，定义为：随着 LED 工作时间 的增长，其发光强度 IV 下降到其起始值某一个百分比时，认为该 LED 失效。 这个百分比可以是 50%也可定为 20%，作为判断依据。
显然， 对于单个 LED， 评估它的失效水平意义不大， 通常失效评价是对某 一类具有相同属性的物件的群体才有实用意义。这就是说，从一个 LED 群体 中， 用某一时间内器件失效的数量与整个群体总数的百分比来评价更有意义， 这就是用所谓的失效率来评价器件失效的水平。
失效率的定义是指：在单位时间内某类物件失效（规定功能丧失） 的百
分数，用符号λ来表示，单位为%。
例如， 在某一系统中， 共使用 10 万个 LED， 在单位时间内失效数为 1 个，
则这个系统的 LED 的失效率为十万分之一。
30．平均无故障时间的含义是什么？可靠度又如何理解？
从对 LED 的失效含义和失效率的叙述可以看到，这些术语均与器件的工 作时间相关。为此，人们往往对一个被分析的器件的一个群体或某一个系统 来分析它的失效水平面，并用一个“平均无故障时间”这一术语来作系统失 效水准的衡量参数。
平均无故障时间简称 MTBF，它定义为：一个总数为 n 个物件的系统在工 作中，当出现一个器件失效时的时间。
举例来说， 某一系统中用了 10 万只 LED（假设无其他元器件）， 当使用到 100 小时时出现 1 只 LED 失效，则可以认为这个系统的平均无故障时间 MTBF 为 100 小时/只或 1000 万小时/只，它的失效率：λ为 1/1000 万，即失效率 为千万分之一。
将这一失效率水平的 LED 构成 100 万人，当工作 10 小时，可能会出现 1 只 LED 失效。它的失效率仍为 10-7 。而平均无故障时间为 10 小时，当这个系 统使用 1000 万只时， 平均无故障时间仅为 1 小时， 即每个小时内可能会出现 1 只 LED 失效。注意这里都用“可能”，即仍是一个概率的概念。
正因如此，有时又用“可靠度”这个术语来表征一个系统的失效水平。
LED 的可靠度用 R（t） 表示，它定义为：
R（t） =[N-n(t)]/N 附 （4-33）
式中 N——系统中 LED 的总数；
n(t)——在规定时间内的 LED 失效数。
显然， n(t)越小， R（t） 越接近 1， 系统绝对可靠， 反之， 则不可靠或可靠 度低。
31．LED 器件的失效模型如何建立？
分析造成 LED 早期失效或使用过程中可能的失效的因素， 有助于降低 LED 器件的失效率，提高可靠度。因此，必须从 LED 的整个制造过程和应用环境 条件作详细的分析，建立每个工序每个环节可能导致 LED 失效或预埋失效隐 患的因素的防范措施，建立它的失效模型，有助于对症下药，消除隐患，提 高可靠性。
LED 失效模型可以从以下几个方面进行分析：
① 芯片失效——由材料缺陷和 PN 结结构机理上引起的失效， 芯片电极设 计不良与制造缺陷引起电流分配失衡，电极欧姆接触不良等引起的失效以及
芯片表面玷污等的失效。
② 封装引起的失效——引线支架锈蚀缺陷、芯片粘结不良、打线牢固度 缺陷、灌封不良等因素引起的失效或者由于电、热应力失配引起的失效以及 静电积累引起器件失效。
③ 应力失效：
a. 电液压力失效——指过电压或过电流冲击引起失效。
b. 热应力失效——热阻过大，散热不良导致结温过高。
c. 组装失效——焊接不良，装配不当引起失效。
d. 环境不良造成失效——防水、防潮、 防盐雾不当以及环境过度恶劣引
起的失效。
以上是从材料、外延结构、芯片结构、封装、包装、应用等角度出发分 析可能导致 LED 的失效的因素，有了从机理上引起失效的模型，就可以有针 对性地采取防护办法，消除潜在的失效因素，为此，应当从生产、制造和应 用的各个过程中加以控制与改善，提高 LED 的可靠度。
与此同时，在与 LED 共同组成的应用系统中的其他元器件的可靠度同样 会影响 LED 的失效率，这在 LED 的应用系统中的其他元器件的可靠度同样会 影响 LED 的失效率，这在 LED 的应用中需加考虑。
32．是否可以通过试验来剔除早期失效的 LED？
与其他半导体器件一样， LED 可以借鉴半导体二极管、三极管和集成电路 的筛选方法来剔除产品中容易早期失效的器件，从而减少进入客户应用领域 中的产品的失效率。
已经针对各种失效模型制定出筛选试验办法，常用的有如下一些方法：
（1） 电热加速疲劳试验
在每一生产年批次的 LED 产品中， 按规定的抽样比率随机抽取一定数量 的样本进行高温下的电老化试验，通过电应力和热应力试验，加快 LED 疲劳 度，使由于加工不善而有缺陷的产品在较大强度的电、热应力下暴露出来， 从而达到剔除的目的。例如对常规小功率 LED， 在 IF=30mA、温度 85℃下老化 240 小时以逐步形成再进行测试统计失效率， 看是否超过规定的比率， 如超过， 则整批进行筛选，剔除早期失效产品。
（2） 环境试验
环境试验是模拟 LED 在应用中遇到的各类自然现象的侵袭，考验 LED 的 承受能力。例如 若将 LED 应用在火箭装置中，当火箭发射升空时，LED 将受 到重力加速度、冲击振动、温度巨变等各种侵袭，构成 LED 的材料会发生各 种应力冲击。如果加工过程没有充分预防，则很可能导致 LED 失败。
一般来说，环境试验并不是对所生产的 LED 全部试验，因为有些试验属 破坏性试验，被试样品会产生外观性能的变化。不能再作产品出厂。因此， 环境试验采用定期抽样方法。这类试验一般有：
a. 高低温冲击试验——从高温突变到低温多次冲出。
b. 温度循环试验——高温 低温 高温 低温循环。
c. 潮湿试验——在规定温度、温度下，将 LED 进行存放规定时间。
d. 盐雾试验——在规定盐度气氛下，存放规定时间。
e. 沙尘试验——模拟在沙漠环境下，存放或工作。
f. 辐照试验——各种射线辐照观察 LED 光电性能。
g. 振动、冲击试验——在规定振幅和频率下，对 LED 进行模拟运输过程 的试验。
h. 跌落试验——在一定高度下跌落数次。
i. 引线拉力和弯折试验——对 LED 的引出线进行拉伸强度试验和折弯 试验。
j. 离心加速度试验——模拟 LED 旋转状态承受能力。
通过这些试验，模拟 LED 可能遇到的各种自然现象和使用环境，检验它 的随能力和各种构件的应力匹配状况。
（3） 寿命实验
为了观察 LED 在长期连续使用的情况下， 其光性能的变化规律， LED 制造 商必须对每一类品种抽样进行长期通电老化，以考查这一特定类型的产品的 “寿命”时间。通过对不同工艺、材料的每类产品数千甚至数万小时的跟踪 观察，积累数据，从而作出它们的预期工作的 “平均寿命”的统计数据。
寿命实验一般在规定的环境条件下， 对 LED 加置额定的电功率， 长期进行 通电老化，并定期测试它的有关光电参数记录对比，得出相关数值。
33．什么是静电破坏？哪些类型的 LED 容易受静电破坏导致失效？
静电实际是由电荷累积构成。人们在日常生活中，特别是在干燥天气环
境中， 当用手去触摸门窗类物品时会感觉“触电”， 这就是门窗物品静电积累 到一定程度时对人体的“放电”。对于羊毛织品、尼龙化纤物品， 静电积累的 电压可高达一万多伏特，电压十分高，但静电功率不大，不会威胁生命，然 而对于某些电子器件却可以致命，造成器件失效。
LED 中用 GaN 基构成的器件，由于是宽带半导体材料，它的电阻率较高， 对于 InGaN/ALGaN/GaN 的双异质结蓝色光 LED， 其 InGaN 的有源层的厚度一般 只有几十纳米，再由于这种 LED 的两个正、负电极在芯片同一面上，之间距 离很小，若两端的静电电荷累积到一定值时，这一静电电压会将 PN 结击穿，
使其漏电增大，严重时 PN 结击穿短路，LED 失效。
正因为存在静电威胁，对于上述结构的 LED 芯片和器件在加工过程中对 加工场地、机器、工具、仪器，包括员工服装均要采取防静电措施，确保不 损伤 LED。另外，在芯片和器件的包装上也要用防静电的材料。
也有人从衬底材料、外延结构和芯片结构上改进，在很大程度上解决防 静电击穿的问题。例如用 SiC 做衬底，使 P 和 N 的两个电极从两个面引出， 可以较大程度上解决这一问题，再如用 Flip-Chip，在 LED PN 结两端的硅片 上制作两个背对背稳压管箝位，达到保护 LED PN 结不受静电威胁。当然， 从 应用角度讲，在使用 LED 时，也可以加装保护电路。
34．LED 与 LED 应用部件或系统的可靠性是否一样？应当如何正确理解？
这个问题要从 LED 和 LED 应用部件或系统的失效机理和失效模型上去分 析才能作出相应的评价。单纯 LED 有其失效模型，而应用部件或应用系统因 为涉及组成部件或系统除 LED 外还有许多电子元器件和结构件，它们各自有 失效模型，有些类似，有些则不同，因此，最容易失效的部分会影响部件或 系统， 例如有 A、 B 两种类型元件构成的系统， 其中 A 的 MTBF 为 10-4，B 的 MTBF
|
为 10-6 ，那么系统的 MTBF 只能是 10-4 ，甚至更差一些。
另外，如何对 LED 进行分析，其热阻可以保证在某一环境温度下正常工 作，但由于组装成部件或系统时，部件或系统的热阻如果很大，则致使 LED 不能在这一环境温度下正常工作，必须降低加置在 LED 上的电功率才能适应
通常由于 LED 应用系统中所使用的元器件较多，会产生相互影响，一些 元器件的劣化会导致整个系统的劣化，严重时会产生连锁反应，因此，要在 综合分析的前提下去评价部件或系统的可靠性。它与单纯对 LED 的评价是不 同的。
35．从哪些方面着手改进，可以提高 LED 在应用中的可靠性，降低失效率？
要提高 LED 在应用中的可靠性，降低失效率，首先要从前面提到的失效 模型上着手加以防范与改进。
首先， 应预防电应力失效。即在 LED 使用过程中防止过电压和过电流情况 出现，哪怕是瞬间也不允许发生。这里举个经常见至的所谓电容降压恒流驱
动 LED 的电路， 来说明它的问题所在， 图 4-25 示出它的电原理图。这是一个
用电容器的容抗作一个大电阻， 来 限制流过 LED 的正向电流， 从而直 接可用市电供电， 构成 LED 灯具的 低成本，不用变压器的驱动电路。
在这个电路中电容C 的容量可从式
（4-34） 算出：
C=（IF/2）π+（Vin-VF ） (4-34)
式中 IF——LED 的正向电流，例如 IF=20mA；
VF——LED 的正向电压；
f——市电的频率，f=50Hz；
Vin——市电全波整流后的直流电压。
显然， 在 IF=20mA 时， C=(0.02A/2)×3.14×50×(220-3)≈0.289μF， 通 常取 0.3μF /400V 即可。
在市电供电稳定的情况下，电容 C 的容抗相当于一个 106kΩ电阻，流过 LED 的电流约为 22mA，且 C 上不消耗实功，不存在功率的损耗。
但对图 4-25 进行瞬态分析就可知道，当电源接通瞬间，C 相当于短路， 形成市电电源几乎直接加到 LED 上，形成一种浪涌电流，尽管时间极短，但 如果多次开、关电源，LED 就会逐步退化直至失败。另外，图 4-25 的电路的
功率因数很低，仅 0.16~0.18,严格讲对电网影响很大，是不能大量使用的。
因此，设计一个良好的 LED 驱动电路可以保证 LED 不会受到过电压、过 电流的电应力冲击，防止造成失败。
其次， 要防止热应力失效， 即 LED 使用的环境温度， LED 使用时的热路设 计十分重要。要防止 LED 上的温度不会过高， 其他电子元件的热量不影响 LED 的温升，电路部件或系统中的热源要远离 LED 等，对于功率 LED 的应用， 必 须要有散热考虑，必要时用铝基印制版散热， 而不能用常规 PCB 印制版。
第三，要防止组装失效，在焊接 LED 时，温度和时间要严格控制，对于 GaN 基 LED 还要考虑焊接组装时防静电以及组装结构的防潮、防水等处理。防 止因装配焊接等过程造成对 LED 的损害。 只有对引起失效的因素都加以考虑 并采取改进对策，才能提高 LED 系统的可靠度，降低失效率。
36.为什么用太阳能电池与白光 LED 组合的照明系统被称为是“真正的绿色照 明”系统？
所谓“绿色照明系统”就是使用高效率、长寿命、高可靠、无有害物质
污染环境的照明光源和再生能源的照明系统。因为：
① 白光 LED 具有体积小、重量轻、工作电压低、长寿命、高可靠等优点， 而且它将比变通光源效率更高、更省电，并且它不含有汞、铅等对环境有害 的物质。
② 太阳能是最典型的“绿色”能源之一，它是人类取之不尽、用之不 竭的清洁能源。根据半导体光生伏特效应制成的太阳能电池即光生伏特电池， 由这种太阳能电池组件与储能装置、控制装置配套构成太阳能供电系统。它 具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用方便、无污染等优点。白天 阳光照射到太阳能电池板组件上产生电流，经由充电控制器流入蓄电池，夜
间充电器自动切断，接通蓄电池提供电能给白光 LED 使其发光实现照明。
因此， 用太阳能电池与白光 LED 组合的照明系统属于“真正的绿色照明” 系统。
37．LED 要进入照明领域还存在哪些问题，还要做哪些工作？
到目前为止， LED 进入的照明领域还只是所谓的特种照明领域， 例如汽车 照明、城市景观照明、博物馆文物艺术品照明以及背光照明等，也就是说， 对于被照物上照度要求不太高，属方向指示性以及“看”的光源，而且是成 本承受力比较高的领域，即能比较突出 LED 较其他照明光源优越的性能的应 用场合。
LED 要真正进入到家庭照明以及商业场所照明， 还要克服两大障碍， 需要 建立一些相关的技术标准，开展一系列应用方面的技术工作。
两大障碍之一是必须进一步提高 LED 的注明效率。 从目前已成为商品（不 是指实验室水平）的功率白光 LED 来看，高端水平的为 50lm/W。大量的白光 LED 水平在 30~40lm/W，是白炽灯光效的 2~3 倍，与荧光灯的 80lm/W 还有一
段距离，需要从提高 LED 的内量子和外量子效率着手，从根本上解决这一问 题。
第二障碍是 LED 光源的成本或所谓单位流明的价格。目前，国内外功率 白晃 LED 约为每流明 1 元（人民币）， 几乎是普通荧光类电价的 100 倍。显然 这是一般普通家庭照明或商业照明难以接受的。因此，降低成本是 LED 进入 照明领域的又一关键问题，这要通过功率LED 的规模化生产着手才能解决。
另外， LED 光源要替代传统的照明光源， 在技术上还必须解决一系列问题。 例如， LED 和白炽灯、 荧光灯等传统光源的发光特征和配光曲线都不同， 因此， 其构成灯具的形式及配光方式均不同，需要设计出与之相适应的灯具配光结
构和造型。这要做大量的试验和设计工作，特别是光学设计。
LED 用于照明，由于传统的各种灯具的工作电压都直接用市电（我国为 220V）或者用标准的安全电压（低压）如 AC12V、AC24V、AC36V 等。因此， 如同每个荧光灯配一个镇流器一样，LED 灯具必须配套 AC——DC 转换且恒流 驱动的电源， 这就要制定一个适应不同功率和电流的 LED 光源驱动器的系列， 并设计出各种规格的接插件，方便使用与互换。
其次，必须制定 LED 照明光源的技术标准和光源产品标准，使国内生产 逐步走上标准化、规范化的道路，也便于统一评估产品等级。
另外，要加快 LED 光源与太阳能电池相互间的配合，尽快推出低成本的 资源可再生的真正意义上的绿色照明系统。
