LED照明设计基础.ppt

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1、LED 照明设计基础 编制：宋宝星,LED照明设计基础,一:Led 基础知识简介1.定义、结构及分类2.Led主要制作工艺及厂商简介3.大功率白光LED封装关键技术简介4.主要参数及特性二：大功率LED灯具设计基础知识1.LED及驱动电源的选择2.散热设计3.光学设计,定义,1.什么是LED（light emitting diode）LED 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。它是一种用微弱的电能就能发光的高效固体光源，其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，起到保护内部芯线的作用。它的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成

2、的晶片；在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。注入式电致发光原理 在PN结中，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。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。,结构,结构 发光二极管主要由PN结芯片、电极引脚和光学系统组成。,普通插件式LED结构图,结构,大功率贴片式LED结构图,分类,按光颜色分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺

3、散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。2.按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为3mm、5mm等,方形分为3528，5050灯。3.从发光强度角分布来分有三类：1)高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用。2)标准型。通常作指示灯用，其半值角为2045。3)散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4590，散射剂的量较大。4.按安装方式，分为插件式（DIP）和贴片式（SMT)。5.按功率大小分为

4、三种。普通LED(电流20MA且光效 8lm/W)，高亮度LED(光效 8lm/W，功率1W)和大功率LED(电流350MA或功率 1W)。另外还有其他分类方法：如UV LED,Laser LED等。,外延片的生长(磊晶）在一块加热至适当温度的衬底基板（主要有蓝宝石 和、SiC、Si）上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定 单晶薄膜，目前外延片生长技术主要采用MOCVD或MOVPE（有机金属化学 气相沉积方法，Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称 MOCVD;有机金属气相外延法,Metal-Organic Vapor Pha

5、se Epitaxy,简称 MOVPE）。常见衬底基板、发光材料及外延技术对照表 加装电极及外延切割（制作芯片）利用真空镀及蚀刻技术在外延片上制作电极（P极，N 极）并用激光机切割LED外延片以制造成LED芯片。封装 就是把用金线将发光芯片电极引出,同时将发光芯片和金线保护起来的过程.在这个过程中还能实现一些光学与热学的处理。,LED的制作工艺主要有以下三个过程,Led的制作工艺简介,现阶段全球主要LED厂商,全球主要LED厂商简介,大功率白光LED封装主要有以下关键技术,1.散热技术 对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80左右转变成为热量，且LED芯片面积小，因此，芯片散热是 LE

6、D封装必须解决的关键问题。目前，国内外的器件设计者和制造者分别在结构、材料以及工艺等方面对器件的热系统进行了优化设计，以降低LED的热阻例如。在封装结构上，采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等；在材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘贴材料，用硅树脂代替环氧树脂。LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。,大功率白光LED封装关键技术简介,2.高光效技术 包括白光技术、荧光粉技术和一次光学设计技术2.1 白光技术：是决定LED白光特性的最重要的因数。常见白光技术有以

7、下三种：蓝色芯片上涂上黄色荧光粉，蓝光激发荧光粉发出的黄绿光与蓝光合成白光。该方法相对简单，效率高，具有实用性。缺点是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好；色温偏高，显色性不理想。RGB三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光，或者用蓝+黄色双芯片补色产生白光。只要散热得法，该方法产生的白光较前一种方法稳定，但驱动较难。在紫外光芯片上涂RGB荧光粉，利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。由于目前的紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低，仍未达到实用阶段。,大功率白光LED封装关键技术简介,2.2 荧光粉技术 在白光LED的制备中，荧光粉是一个非常关键的材料，它的性 能

8、直接影响白光LED的亮度、色坐标、色温及显色性等。选择荧光粉的标准是：荧光粉能被与之匹配的LED芯片有效激发；并具有高的量子效率；化学性质稳定。目前在白光LED上被广泛商业应用的荧光粉有日亚专利的YAG和欧司朗专利的TAG。YAG主要是Y3Al5O12:Ce以及其变化衍生物(例如在Al内加入Ga)，YAG比较容易做亮。日亚专利写含Y、Al之石榴石，也就是只要含Y，主体为Y、Al石榴石就与其专利抵触。TAG主要是Tb3Al5O12:Ce以及其变化衍生物，TAG比较难做亮。使用TAG是为避日亚专利,大功率白光LED封装关键技术简介,2.3 一次光学设计技术：把芯片封装成LED光电零组件时，进行的光

9、学设计，以 解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分佈、色温的范围与分佈；一次光学设计的目的是尽可能多的取出LED芯片中发出的光。二次光学设计是针对大功率LED照明来说的，一般大功率LED都有一次透镜，发光角度为120度左右。二次光学就是将经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜或其他光学器件以改变它的光学性能，从而让整个灯具系统发出的光能满足设计需求。3.封装技术：目前市场上主流的封装技术有以下七大种类：小功率多芯封装；大功率单芯封装；大功率多芯封装；AC-LED；COHS（Chip on heat sink);系统封装 SIP（System in Package）;晶片键合（Wafer

10、bonding）。,大功率白光LED封装关键技术简介,各封装技术代表及优缺点对比,大功率白光LED封装关键技术简介,主要参数及特性,1.电学特性1.1 I-V特性 PN结伏安特性，表征LED芯片pn结制备性能主要参数。不同的电流直接影响led的发光亮度和PN结的结温.LED的I-V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。,IF-正向直流电流（正向测试电流），在规定的正向电压VF下，通过极间的电流，不同LED因材料不同有不同的IF。VF-LED正向导通时所需电压，同种颜色LED可能有不同的VF，所以LED公司按电压区间分Group或BIN来加以区分，以

11、便用户使用。IFM-正向峰值电流（正向最大电流）。在额定功率下，允许通过二极管的最大正向脉冲电流。注：一般IF=0.6IFMVR-称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流不同LED因材料不同，有不同的VR。,典型的VF Group和BIN分法,主要参数及特性,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10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%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10%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10-9S，GaP 为10-7 S。因此它们可

12、用在10100MHZ 高频系统。注：t0 值很小，可忽略。,主要参数及特性,1.2 响应时间 表征LED跟踪外部信息变化的快慢。从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间,主要参数及特性,）光束角（beam angle)：在通过最大光强半平面上，两条最大光强方向之间的夹角称为该平面的光束角）光束扩散角(field angle)：在包含最大光强的某个平面上，两条为最大光强的光线之间的夹角称为该平面的光束扩散角（或称有效光束角）在引出杂散光线的时候，出现了这个光束角以及最大光强的概念 两者的区别：,LED光学特性2.1 光强与光束角（发光角）光强 表征LED发光强弱的重要性能 光束角 描述L

13、ED发光在空间各个方向上光强分布。,主要参数及特性,2.2 光通量 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，可见光LED 的光通量单位为流明（lm）,它与工作电流的关系如下。,2.3 光效 是指LED所发出的光通量与其所消耗的电功率 P之比,单位为流明/瓦（lm/w）,是评价电光源用电效率最主要的技术参数,它与工作电流的关系如下。,主要参数及特性,同一型号的LED在同一电流下可能有着不同的光通量，LED公司通常用Luminous Flux Bin 来分类区分，以下是一典型的光通量BIN 分类：注：对小功率LED可能会用光强来分BIN,主要参数

14、及特性,2.4 光谱分布 LED 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。它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;以下是不同化合物半导体及掺杂制得LED 光谱分布曲线。,峰值波长：相对光强度最强（光输出最大）处对应的波长，用p表示。只有单色光才有p波长。谱线宽度：在LED 谱线的峰值两侧处，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p-，p+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

15、LED 单色性的参数，LED 半宽小于40 nm。主波长：LED 发出的有多个峰值的非单色光中，人眼所能观察到的，主要单色光的波长，结温升高而主波长偏向长波。,主要参数及特性,2.5 色品坐标、色温与显色性 色品坐标用来准确地表达光源的表观颜色.但具体的数值很难与习惯的光色感觉联系在一起.人们经常将光色偏橙红的称为“暖色”,比较炽白或稍偏兰的称为“冷色”,因此用色温来表示光源的光色会更加直观。2.5.1 色温与色品坐标的关系式近似如下：,其关系曲线如右色品图，由此可见，不要的色品坐标可能会有同样的色温，所以能唯一决定颜色的参数是色品坐标，色温只能参考。一般，LED封装厂都会按色品坐标不同用不同

16、的Bin来区分白光的颜色。以下一典型的Bin分布图。大功率LED供应商一般会要求四个Bin同时购买，如数量较少时可以考虑与供应商沟通买单个Bin.,主要参数及特性,典型的Color Bin 分区,主要参数及特性,主要参数及特性,显色指数是体现光源所发光显示物体表面原本颜色的能力。光源显色性能越高，物体表面颜色越真实。越接近自然光谱(或者说是标准光谱)，显色指数越高。要改善，那就要添加原来缺少的光谱。色温是专门用来量度光线的颜色成分的，色温只是用来表示颜色的视觉印象。因此：显色性与色温间没有必然联系,不同的色温可以做到相同的显色指数,或者说,相同的显色指数,可以做成不同色温的光源。,2.5.2

17、色温与显色性的关系,另外，色品坐标会随正向电流的变化而变化，即光的颜色会随正向电流的变化而变化；关系曲线如右图,主要参数及特性,2.6 寿命 是评价led产品可用周期的质量指标,通常用有效寿命或终了寿命表示.在照明应用中,有效寿命是指led在额定功率条件下,光通量衰减到初始值的规定百分比时所持续的时间.1)平均寿命一批led同时点亮,当经过一段时间后,led不亮达到50%时所用的时间.2)经济寿命在同时考虑led损坏以及光输出衰减的状况下,其综合输出减至一特定比例时的小时数.此比例用于室外光源为70%,用于室内光源为80%.在评价LED寿命时，必须留意此寿命对应的结温值,主要参数及特性,2.7

18、 热学特性 LED的主要热学参数有结温（Tj）和热阻（Rth）有很大的关系。LED的许多特性参数与结温有很大的关系，具体如下：,2.7.1 LED的主波长随温度关系 可表示为：,由上式可知，每当结温升高10，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。,2.7.2 LED结温与寿命的关系,主要参数及特性,2.7.3 LED结温与电流的关系 白光工作电流基本上随温度的升高而升高，表现为 正温度特性，近似变化率约为0.06mA/,2.7.4 LED结温与色品坐标的关系 如右上图,主要参数及特性,2.7.5 LED结温与正向电压和光通量的关系 如下图,LED与驱动电源的选择,1.1 Led光

19、源的选择 可以按以下步骤进行,以下举一例说明这个过程,测试验证LED,通过测试验证选择LED是否满足客户需求，如未达客人要求，需分析后再调整选择方案,1.1.1 分析客户的光需求 以下是客人对一款LED台灯的要求，分析相关需求并预估灯具光通量参数;如客户无相关需求，就通过和类似传统光源的灯具类比，直接得出光通量参数；附件是部分传统光源的光参数表。,LED与驱动电源的选择,1.1.2 估算所需的理想光通量 将客户要求的参数带入下表，以估算出所需的理想总流明数,以上是我个人的推理总结，请大家在后续设计中不断验证 理想总流明数=理论总流明数 K（维护系数）U（利用系数）维护系数：一般室内用灯具为：；

20、一般室外用灯具为：0.7-0.75利用系数：依光学系统的不同而不同，一般在之间。本例取K=0.85，U=0.9，理论总流明数=278.3/0.85/0.9=363.8,LED与驱动电源的选择,1.1.3 初选LED,考虑专利及性能要求 现阶段主要LED供应商在白光LED上的专利状况如下,LED与驱动电源的选择,考虑专利及特性要求 专利:从上图可以得出：完全没有专利问题的公司只有相互交叉授权的核心五家：Nichia，Lumileds，Cree，Osram，Toyoda Gosei 和 经多方授权的Seoul。目前我们选择：Lumileds，Citizen（代表Nichia），Cree，Osram

21、作为大 功率LED的一级品牌，其主要用于对专利及LED性能(如光衰30%时,寿命 5万小时)均要求很高的客户。选择Seoul 作为大功率LED的二级品牌,其主要用于对专利要求严格但对性(如光衰30%时,3寿命4万小时)要求相对一般的客户。2.基本没有专利问题,尤其出非日本地区 Epistar,Semileds,Brightlux;目前我们选择：Epistar,Semileds作为LED的三级品牌，其主要用于订单 量较小对专利和性能(如光衰30%时,2寿命3万小时)要求均一般的客户。性能:依据光通量，结合客户对LED其他特性的需求选定LED,各主要LED品 牌及其产品的主要特性对比，如附件（如要

22、更详细的资料应参看各公司的目 录）通过对比，我们初选 CREE Xlamp MC-E 9.8W来满足客户需求。1.1.4 测试验证 经测试,各光需求指标基本达要求.,LED与驱动电源的选择,LED是电流型器件，最佳驱动电源是恒流源，但限于市场现状的影响，目前在LED模组上还大量使用恒压源，但在用恒压源供电时，在电源与LED间都要串限流电阻，其作用就是将电压源转换成近似电流源。选择驱动器的关键指标:1.输出电流电压的精度:一般恒流源电流在8%;恒压源电压在2%;2.功率因数:一般在75%85%；高功率因数在85%；节能之星要求家用 70%，商用 90%。3.过载、短路、过热保护；4.开路保护或限

23、压保护(对恒流源)；5.过冲保护(对恒流插墙式电源,如电源无此保护,设计LED电路时应在电路上并联 电容以消除次极开、关时大电流对LED的损伤)。6.寿命，节能之星要求家用 70%，商用 90%。7.初级带电，次级开路时的功耗小于0.3瓦。具体LED电源的选配参见附件:在设计LED模组电源时，还需考虑LED的VF Bin。,1.2 驱动电源的选择,LED与驱动电源的选择,2.散热设计 通过上面对LED特性的分析，LED的热特性对其诸多性能的表现 起着至关重要的影响，所以有效控制LED结温是保证LED正常有效工作的关键。,散热设计,2.1 LED的散热过程分析 由于散热器底面与芯片表面之间会存在

24、很多沟壑或空隙，其中都是空气。由于空气是热的不良导体，所以空气间隙会严重影响散热效率，使散热器的性能大打折扣，甚至无法发挥作用。为了减小芯片和散热器之间的空隙，增大接触面积，必须使用导热性能好的导热材料来填充，如导热胶带、导热垫片、导热硅酯、导热黏合剂、相转变材料等。如图1所示，芯片发出的热量通过导热材料传递给散热器，再将绝大部分热量通过对流（强制对流和自然对流）的方式带走到周围的空气中，强制将热量排除，这样就形成了从LED，然后通过散热器和导热材料，到周围空气的散热通路。所以：好的散热=好的热传导+有效的空气对流,图 1,图2 一维热传导模型,在图2的导热模型中，达到热平衡后，热传导遵循傅立

25、叶传热定律：Q=KA(T1-T2)/L(1)式中：Q为传导热量（W）；K为导热系数（W/m）；A 为传热面积（m2）；L为导热长度（m）。(T1-T2)为温度差。热阻R表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力，表示为：R(T1-T2)/QL/KA(2)对于单一均质材料，材料的热阻与材料的厚度成正比；对于非单一材料，总的趋势是材料的热阻随材料的厚度增加而增大，但不是纯粹的线形关系。对于界面材料，用特定装配条件下的热阻抗来表征界面材料导热性能的好坏更合适，热阻抗定义为其导热面积与接触表面间的接触热阻的乘积，表示如下：Z(T1-T2)/(Q/A)RA(3)表面平整度、紧固压力、材料厚度和压缩模

26、量将对接触热阻产生影响，而这些因素又与实际应用条件有关，所以界面材料的热阻抗也将取决于实际装配条件。导热系数指物体在单位长度上产生1的温度差时所需要的热功率，是衡量固体热传导效率的固有参数，与材料的外在形态和热传导过程无关，而热阻和热阻抗是衡量过程传热能力的物理量。,热传导,散热设计,好的热传导：热传导系数 铝 ADC12：96.2，铝 ADC360：113 选择导热系数高、热阻低的导热材料,常见材料导热系数(W/m)如下:加大散热面积,但考虑成本和外形的影响我们因尽可能的选择合理的散热面积及散热器结构,常见散热器和散热设计方法介绍如下附件,同时可一用Icepak,Qled等进行热模拟分析.,

27、散热设计,热对流 合理的散热器结构来保证热发热区与外部环境间有足够的空气流通,必要时可用风扇强制对流散热。,3.光学设计,光学设计,大功率LED照明在成为照明产品前，一般要进行两次光学设计。把LED IC封装成LED光电零组件时，要先进行一次光学设计，以解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布。这就是所谓的一次光学设计。二次光学设计是针对大功率LED照明来说：一般大功率LED都有一次透镜，发光角度为120度左右。二次光学就是将经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜改变它的光学性能。简单地说，一次光学设计的目的是尽可能多的取出LED芯片中发出的光。二次光学设计的目的则是让

28、整个灯具系统发出的光能满足设计需求。,对于LED的二次光学处理不外乎如下几种：1、反光杯（优点：理论上出光效率高，假如反光层镀的好的话；缺点：光斑的控制很难，主要是反光杯对形状和焦点位置非常敏感、而且常常受到鬼像的干扰。2、透镜（优点：处理模式多样化、光斑均匀性的问题可以比较好的解决；缺点：效率相对不高）3、反光杯+透镜（特殊用途可以考虑）4、不处理（假如LED光通量足够大且发光角度满足需求的话，光效率最高）一般来说：如果要求光斑是圆形，使用反光杯比使用透镜损耗要小；如果光斑为非圆形，反光杯本身将有一定的光损耗。另外，在处理20以下光束角的配光需求时，反光杯会比透镜笨拙很多。,光学设计,3.1

29、 反光杯设计 1.材质选择-反射率高的材料；采用高纯度铝材，或其他材质表面镀金属覆膜或者其他高反射率的复合材料，一般可以获得的反射效率在85%98%,不同材料的反射率如下：2.正确反光杯形状-利用软件模拟设计，如:Photopia,光学设计,3.2 透镜设计,3.2.1 LED透镜的材料种类：1硅胶透镜；a.因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LED芯片上；b.一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm；2.PMMA透镜a.光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力）,目前为日本三菱PMMA材 料为最好（现在的VH5与VH001质量更高）。b.塑胶类材料，优点：生产效率高（可以

30、通过注塑完成）；透光率高（3mm厚度 时穿透率93%左右）；缺点：耐温70%（热变形温度90度）；3PC透镜a.光学级Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯b.塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑完成）；耐温高（130度以上）；缺点：透光率稍底（87%）；4 玻璃透镜光学玻璃材料，具有透光率高（97%）耐温高等特点，缺点：易碎、非球面精度不易实现、生产效率低、成本高等。,光学设计,3.2.2 LED透镜规格分类：1 穿透式（凸透镜）a.当LED光线经过透镜的一个曲面（双凸有个曲面）时光线会反生折射而聚光，而 且当调整透镜与LED之间的距离时角度也会变化（成反比），经过非球面技术设

31、 计的曲面光斑将会非常均匀，但因为透镜直径的局限性，透镜侧面的光线得不到 利用（漏光）；b一般应用在大角度（40-80度）聚光，如台灯，路灯，室内灯具等；2 全反射式（锥型或叫杯型）a,透镜的设计在正前方用穿透式聚光，而锥形面又可以将侧光全部收集并反射出去，而这两种光线的重叠（角度相同）就可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果；b也可在锥形透镜表面做些改变，可设计成镜面、磨砂面、珠面、条纹面、螺纹面、凸或凹面等而得到不同光斑效果。3.LED透镜模组a.是将多个单颗透镜通过注塑完成一个整体的多头透镜，按不同需求可以设计成3合 1、5合1甚至几十颗合一的透镜模组；b.此设计有效节省生产成本，实现产

32、品品质的一致性，节省灯具机构空间，更容易实 现“大功率”等特点。,光学设计,3.2.3 LED透镜的设计与模具加工：,1 首先取决于光源（大功率LED），不同品牌的大功率LED（例如CREE、lumileds、汉半、欧司朗等），其芯片结构与封装方式、光线特性等 均会有所 区别，从而造成同样的透镜搭配不同规格品牌LED时会有所差异；所以要求有 针对性开发或选择（以主流品牌为导向），才能达成实际需要；2 利用光学设计软件（如Zemax、CodeV、Trace pro等）设计并进行模拟光学 跑光，设计得到相应的光学非球面曲面；3 LED透镜本身属于精密光学配件，故其对模具的精度要求极高，特别是透镜光 学曲面的加工精度要达到 0.1m、镜片偏心度要达到3m 以内。一般对此类 高精度模具的加工必须具有以下设备：超精密加工机（例如：PRECITECH NA NOFORM 350）、CNC 综合加工机、平面磨床、铣床、CNC 放电加工机、表 面轮廓仪等。4.模具最精密的部件在于光学模仁，首先选用专用模仁钢材，完成初胚，镀镍后 再用超精密加工机进行非球面技术加工曲面。目前市场上针对各大公司LED产品基本都有相应的不同角度的LED透镜或透镜模 组，我们在选择时一定要根据具体型号去配套选择。,Thank You!,Thank You!,