高效率LED驱动电路的特性及问题分析

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：

η＝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（如稳压器、稳流源、交流整流成直流电源部分等）所消耗的功率。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、蓝光LED涂上特殊荧光粉构成白光LED后辐射光通量会比高出十几倍

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?光转换后不同波长的光的混合，会使它的波谱变宽，白光LED一般具有比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，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41增大了7.2倍。

3、LED的结温如何产生

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。

窗口层衬底或结区的材料以及导电的银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻值相互垒加，构成LED的串联电阻。当电流流过PN结时，同时也会流过这些电阻，从而也会产生焦尔热，引起芯片温度或结温升高；由于LED芯片材料于周围介相比，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、LED PN结上温度升高会引起它的光电参数退化

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，从而使复合栽流子转换成光子的数量和效能发生变化。当PN结的温度（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浓度远远超过杂质浓度时，本征载流子的数量增大的影响较之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降将促使IF指数式增加，这个过程将使LED PN 结上温升更加快，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回与晶格原子（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。

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，能级分裂受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，导致电子跃迁时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，LEN 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。

5、提高光效可降低结温

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。

6、如何实现LED的调光、调色

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县性关系，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。

由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）、525 nm（绿色）和620 nm（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。

7、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”，这就是门窗类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GN基构成的器件，由于是宽禁带半导体材料，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厂地、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采用防静电材料。