69LED基础知识

XINGYULIGHTING电子部1版权所有请勿传播LED热量控制和驱动XINGYULIGHTING电子部2版权所有请勿传播在1962年发明LED的NickHolonyakJr.，他当时只是美国大厂通用电气公司(GeneralElectricCompany，GE，又称为奇异)的一名普通研究人员，打造出了第一颗红光LED，而且他还认为未来能够发出其他波长的光，意味着LED将有很多种不同的顏色光，未来白炙灯一定会被LED取代掉。一.LED基本知识LED最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命、低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。XINGYULIGHTING电子部3版权所有请勿传播一.LED基本知识发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结施加反向电压时，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。XINGYULIGHTING电子部4版权所有请勿传播一.LED基本知识指示灯型发光二级管SMD发光二级管中功率发光二级管大功率发光二级管SuperFlux发光二级管XINGYULIGHTING电子部5版权所有请勿传播一.LED基本知识1.光通量光通量是指某一光源向四周空间发射出的总光能量，单位为流明（lm）2.光强不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。发光强度的单位为坎德拉，符号为cd，它表示光源在某单位球面度立体角(该物体表面对点光源形成的角)内发射出的光通量。4.色温当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度K（开尔文，开氏度=摄氏度+273.15）表示。3.波长在某一固定的频率里，沿着波的传播方向、在波的图形中，离平衡位置的“位移”与“时间”皆相同的两个质点之间的最短距离。波长反映了波在空间上的周期性。在物理学，波长普遍使用希腊字母λ来表示。XINGYULIGHTING电子部6版权所有请勿传播一.LED基本知识日亚化学欧司朗半导体流明半导体科锐晶圆光电丰田合成通用电气首尔半导体三星半导体XINGYULIGHTING电子部7版权所有请勿传播一.LED基本知识LED日常应用XINGYULIGHTING电子部8版权所有请勿传播二.LED驱动XINGYULIGHTING电子部9版权所有请勿传播二.LED驱动为精确驱动LED，需控制电流，而与电压无关，光输出基本也取决于电流而不是电压，因为LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED的正向压降变化范围比较大，电压的微小变化会引起较大的电流变化，从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此，LED通常采用恒流源驱动。XINGYULIGHTING电子部10版权所有请勿传播二.LED驱动线性恒流驱动电路简单成本低廉无EMI辐射常用线性驱动方案LM317,3端子可调节正电压稳压器(1)一个功率开关，为NPN晶体管；(2)一个电压参考模块，它提供1.25V参考电压；(3)一个控制功率开关的运算放大器。该运算放大器使输出电压等于调整引脚(ADJ)的电压与参考电压的差。XINGYULIGHTING电子部11版权所有请勿传播LM317典型电路为了产生某一个恒定的输出电压，在输出引脚(OUT)与ADJ引脚之间连有反馈电阻，而且在ADJ引脚与地之间接有陷流电阻，两个电阻组成一个分压电路。接到输出端的电容也有助于稳定。为了使LM317及其派生器件正确工作，输入输出间需要一最小电压差。这个电压差取决于流过电压调节器的电流(电流越大要求的电压差越大)，其典型值为1～3V。因为输出引脚OUT的电压与参考电压相等，所以输入输出间的电压差等子内部恒流源两端的电压。二.LED驱动XINGYULIGHTING电子部12版权所有请勿传播二.LED驱动TLE4242G驱动方案英飞凌®基础LED驱动器是设计用于驱动汽车低中电流LED的线性电流源。这些产品经过精心设计，可在不受供电电压或LED正向电压等级的影响下，为电流高达500mA的恒流LED供电。这为连接的LED创造了适合的运行条件，确保了恒定的亮度和更长的LED使用寿命。XINGYULIGHTING电子部13版权所有请勿传播二.LED驱动XINGYULIGHTING电子部14版权所有请勿传播二.LED驱动车辆后部灯的光通量在未踩刹车踏板的尾灯点亮时与刹车灯点亮时是不一样的。罗姆为车辆后部灯专用LED驱动器内置了使电流量分为2级进行切换的电路。其光通量可以灵活改变以便与可自由设定的尾灯设计和安装的LED灯数相匹配。车辆运行中的震动等原因往往造成LED电路板短路，或LED脱开之类而导致意外事故。罗姆的尾灯专用LED驱动器内置有时常监视LED连接电路的电压、电流以检测异常情况的保护电路。LED出现短路/开路情况时就使LED电流停止流通，将异常情况通知ECU。XINGYULIGHTING电子部15版权所有请勿传播二.LED驱动LED驱动需要的保护功能1.开路保护LED开路会导致驱动电路中其他元器件的损坏，开路状态切断电路，保护电路中的器件。现在很多的IC都已经加入开路保护功能。2.过压保护汽车启动时会产生不稳定的高压，有可能会损坏LED驱动电路，一般在输入端加入TVS管抑制浪涌电压。XINGYULIGHTING电子部16版权所有请勿传播二.LED驱动LED驱动需要的保护功能3.过温保护LED是温度敏感元件，其温度的升高影响着LED的寿命和光通量，所以要严格控制LED的结温。一般使用PTC电阻进行温度控制。PTC是PositiveTemperatureCoefficient的缩写，意思是正的温度系数，泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度（居里温度）时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。XINGYULIGHTING电子部17版权所有请勿传播二.LED驱动线性电源的最大缺点：效率低，发热大。开关电源（DC/DC）高效率开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。所谓开关电源，顾名思义，就是这里有一扇门，一开门电源就通过，一关门电源就停止通过，那么什么是门呢，开关电源里有的采用可控硅，有的采用开关管，这两个元器件性能差不多，都是靠基极、（开关管）控制极（可控硅）上加上脉冲信号来完成导通和截止的，脉冲信号正半周到来，控制极上电压升高，开关管或可控硅就导通，通过开关变压器传到次级，再通过变压比将电压升高或降低，供各个电路工作。开关电源的工作方式XINGYULIGHTING电子部18版权所有请勿传播开关电源电路类型1：BUCK降压变换器二.LED驱动上图是晶体管开关变换器（BUCK）电路，其中晶体管Q为开关器件，L为滤波电感，C为滤波电容，D为续流二极管。在晶体管导通时间段内，L内的电流逐渐增加，当导通结束后，进入晶体管截止时间段，这时由于L内的达到了最大值，电感中的电流不能突变，所以继续有电流流过，二极管D充当截止时间的续流元件。当截止时间结束后，电感中的电流达到最小值，重新开始新的周期。XINGYULIGHTING电子部19版权所有请勿传播二.LED驱动开关电源电路类型2：BOOST升压变换器BOOST变换器是由BUCK变换器经过对偶变换后得到的。其原理图见上图。BOOST变换器为为并联开关变换器，与上面BUCK变换器不同的是，BOOST型电感在输入端，BUCK型电感在输出端。BOOST型变换器的输出电压Vo总是大于输出电压Vi。当开关管导通时，二极管D关闭，电感L与开关管的节点电压为零。当开关管关闭时，电感L两端的电势翻转，所以电感L与开关管与的节点电压大于输入电压Vi，电感电流通过二极管D续流，使得Vo大于Vi。可以证明Vo=Vi*[T/(T-Ton)]，T是开关脉冲周期，Ton是导通时间。XINGYULIGHTING电子部20版权所有请勿传播二.LED驱动开关电源电路类型3：BUCK-BOOST变换器将BUCK，BOOST两种形式的变换器结合起来，产生一种新的变换器，叫做BUCK-BOOST变换器，其结构如上图所示。这种形式的变换器输出电压同输入电压是反相的。在BUCK型和BOOST型变换器中，存在一个能量直接从电源流向负载的时间，而在BUCK-BOOST变换器中，能量先储存在电感中，然后再流向负载，这是他们的主要区别。XINGYULIGHTING电子部21版权所有请勿传播二.LED驱动开关电源电路类型4：CUK变换器将BUCK-BOOST变换器进行对偶变换，可以得到CUK变换器，其电路形式如上图所示。其中C是传递能量的耦合电容。原理分析是这样的：当三极管导通时，电容C的能量通过L2、C2、R回路释放，同时向C2、L2储能，同时电源向L1储存能量。在三极管关闭时，L1上的电流通过二极管D续流，同时向C充电，如此循环。XINGYULIGHTING电子部22版权所有请勿传播二.LED驱动开关电源的缺点：开关电源电路存在非常严重的电磁干扰，对于汽车这种环境来说，需要进行全面的EMC处理，所需要的成本也会比较高。XINGYULIGHTING电子部23版权所有请勿传播三.LED散热LED结温：一般指LED芯片的中心温度与传统光源一样，半导体发光二极体（LED）在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光还需经过芯片（chip）本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等，最终大概只有30-40%的输入电能转化为光能，其余60-70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。LED的结温影响着LED的寿命，只有将LED的结温控制在一定的范围内，LED才能发挥高效，长寿的特点!这个问题在大功率LED上尤为突出。XINGYULIGHTING电子部24版权所有请勿传播三.LED散热1.从空气中散热2.热能直接由Systemcircuitboard导出3.经由金线将热能导出4.若为共晶及Flipchip制程，热能将经由通孔至系统电路板而导出)XINGYULIGHTING电子部25版权所有请勿传播三.LED散热大功率LED封装形式XINGYULIGHTING电子部26版权所有请勿传播三.LED散热LED散热方法1：金属散热鳍片这是最常见的散热方式，用金属散热鳍片做为外壳的一部分来增加散热面积。XINGYULIGHTING电子部27版权所有请勿传播名词：热阻导热过程的阻力。为导热体两侧温差与热流密度之比。对于我们LED来说，肯定是要减小热阻来加强导热。三.LED散热减小热阻的两个措施：①增加两物体接触面的压力，使物体交界面上的突出部分变形，从而减小缝隙增大接触面。②在两物体交界面处涂上有较高导热能力的胶状物体──导热脂。XINGYULIGHTING电子部28版权所有请勿传播三.LED散热LED散热方法2：导热塑料壳在塑料外壳注塑时填充导热材料，增加塑料外壳导