【精品】LED照明设计基础精品ppt课件.ppt
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1、LED照明设计基础LED照明设计基础照明设计基础一一:Led:Led 基础知识简介基础知识简介1.1.定义、结构定义、结构及分类及分类2.Led2.Led主要制作工艺及厂商简介主要制作工艺及厂商简介3.3.大功率白光大功率白光LEDLED封装关键技术简介封装关键技术简介4.4.主要参数及特性主要参数及特性二:大功率二:大功率LEDLED灯具设计基础知识灯具设计基础知识1.LED1.LED及驱动电源的选择及驱动电源的选择2.2.散热设计散热设计3.3.光学设计光学设计定义定义1.1.什么是什么是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
2、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2.结构结构发光二极管主要由PN结芯
3、片、电极引脚和光学系统组成。普通插件式LED结构图分类分类1.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
4、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UVLED,LaserLED等。大功率大功率白光白光LED封装主要有以下关键技术封装主要有以下关键技术1.散热技术散热技术 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LED封装必
5、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。大功率白光大功率白光LED封装关键技术简介封装关键技术简介2.高光效技术高光效技术 包括白光技术、荧光粉技术和一次光学设计技术包括白光技术、荧光粉技术和一次光学设计技术2.
6、1 白光技术: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。大功率白光大功率白光LED封装关键技术简
7、介封装关键技术简介2.2 荧光粉技术荧光粉技术 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
8、专利大功率白光大功率白光LED封装关键技术简介封装关键技术简介2.3 一次光学设计技术: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: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
9、功率多芯封装;AC-LED;COHS(Chiponheatsink);系统封装SIP(SysteminPackage);晶片键合(Waferbonding)。大功率白光大功率白光LED封装关键技术简介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大功率白光LED封装关键技术简介封装关键技术简介主要参数及特性主要参数及特性1.电学特性1.1I-V特性特性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
10、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。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
11、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10-7S。因此它们可用在10100MHZ高频系统。注:t0值很小,可忽略。主要参数及特性主要参数及特性1.2 响应时间响应时间表征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主要参数及特性)光束角(beamangle):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(fieldangle):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
12、这个光束角以及最大光强的概念两者的区别:2.LED光学特性光学特性2.1 光强与光束角(发光角光强与光束角(发光角)光强光强 表征LED发光强弱的重要性能光束角光束角描述LED发光在空间各个方向上光强分布。主要参数及特性主要参数及特性2.2 光通量光通量 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。主要参数及特性主要参数及特性同一型号
13、的同一型号的LED在同一电流下可能有着不同的光通量,在同一电流下可能有着不同的光通量,LED公司通常用公司通常用Luminous Flux Bin 来分类区分,以下是一典型的光通量来分类区分,以下是一典型的光通量BIN 分类:分类:注:注:对小功率对小功率LED可能会用光强来分可能会用光强来分BIN主要参数及特性主要参数及特性2.4 光谱分布光谱分布 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
14、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LED单色性的参数,LED半宽小于40nm。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。主要参数及特性主要参数及特性2.5 色品坐标、色温与显色性色品坐标、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
15、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
16、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主要参数及特性2.6 寿命寿命 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
17、)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主要参数及特性2.7 热学特性热学特性 LED的主要热学参数有结温结温(Tj)和热阻热阻(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的主波的主波长随温度关系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
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