LED技术的基本特性和设计挑战

发光二极管(LED)是一种半导体(二极管)，在电压/电流源的正向偏置条件下，可以发出一种特定颜色(波长)的可见光，其亮度取决于本身的参数和电源的参数。第一个LED是通用电气公司研究人员大约在1962年发明的，是一种能够产生低亮度红光的低功耗器件，但价格非常高。

1968年，LED价格瓶颈被打破，Monsanto公司和惠普公司开始使用极具性价比的砷化镓磷化物(GaAsP)大批量生产红色LED。这种红色LED最初大量用于替代白炽灯和氖管指示灯，如开/关/待机指示灯，随后很快又用于数码显示器。

经过类似电视机那样意料之中的快速发展，现在的LED可以提供宽泛的颜色，单个器件具有多种颜色、亮度和功耗等级，并且可以提供各种独特的封装类型。还有无数器件能够发出从红外线(IR)一直到紫外线(UV)的一系列不可见光。

器件类型的快速发展通常都会导致革命性的应用。可见光LED不再只是用作指示灯，也用于代替几乎所有照明(实用和装饰性)和标识性应用中的白炽灯和荧光灯，因为这些LED具有低功耗/低发热特性、明显更长的寿命以及在长期和短期运行状态下更低的成本。

经过多年的发展，LED还深入到一些专业的非照明设计中，如音频电路中的波形控制器(图1)。而红外线和紫外线LED也可以用于从遥控到医疗的众多领域。

可见光LED

今天LED产品种类已经十分丰富，可以提供各种尺寸、颜色、形状和类型，以及多样化的电气指标和参数，还可以提供标准和独特的封装，当然价格也是千差万别。每种LED可以满足一种或多种应用，如普通照明、数码相机中的闪光灯、LCD背光照明以及最基本的指示灯等等。

用于基本指示用途、原型创建和业余爱好的普及低成本中等功率LED(图2)仍然十分丰富，制造这些LED的材料通常是砷化铝镓(AlGaAs)、砷化镓磷化物(GaAsP)、磷化铝镓铟(AlGaInP)或磷化镓(GaP)。虽然红色仍然是最通用的颜色，但也可以提供绿色、橙色、$和蓝色。这些LED的正向压降在1V至2V之间，正向电流约20mA。

图2：普通低成本LED通常要求1V正向电压和20mA静态电流，可以提供众多的颜色、尺寸和形状。

除了单个器件外，其它通用LED还包括数码显示器、双色和三色LED、红绿蓝(RGB)元件和闪光LED。对于在功耗和尺寸方面没有太多限制的一般设计来说，这些LED基本可以满足预算要求。

大功率LED(HPLED)和HPLED模块主要用于工业、商业、住宅或装饰性照明应用，如今正在迅速代替传统的白炽灯和荧光灯具，特别是随着这些产品的价格走低，这一趋势愈加强烈。这些LED产品的一个显著优点是长寿命，一般可以达到5万小时以上，比荧光灯长1万多个小时，比白炽灯长1000多小时，即使是在频繁的开/关状态下。HPLED的亮度可以达到105流明/瓦以上，因此功效同样十分优秀。

来自Cree公司的XLamp MPL EasyWhite LED(图3)就是一种替代低效技术的很好例子。与传统光源相比，这种LED具有更高的性能、颜色一致性和流明密度，并且专门针对方向性照明应用作了优化，包括PAR型或BR型灯泡。通过精心的系统设计，这种LED可以提供与3,000K、75W等级BR-30灯泡相当的光线输出，功耗要比白炽灯技术低78%。

图3：Cree公司的XLamp MPL EasyWhite LED在250mA电流时可以输出高达1,500流明的照度。

MPL EasyWhite LED的封装尺寸为12x13mm，在250mA电流时可以提供高达1,500流明的照度。另外，这种LED可以提供位于相应ANSI C78.377-2008色彩类别中心的2,700K、3,000K、3,500K和4,000K色温。当然，在需要为特殊照明应用表征LED封装时，也可以采用其它可行的选项。

影响总体效率的障碍之一是LED需要使用直流电源，因此在许多照明应用中需要使用电源转换器。除了更多的器件数量外，这些转换器还需要精心设计，从而增加了LED拓扑的成本。

Seoul Semiconductor公司的Acriche LED灯(图4)部分解决了这个问题，这种LED可以直接使用交流电源工作。这种100流明/瓦的Acriche光源效率要比现有LED产品高出25%。据该公司介绍，由于不需要AC/DC转换器，这种LED的碳排放不到白炽灯的十分之一。

图4：Seoul Semiconductor公司的100流明/瓦Acriche LED使用交流电源工作，不需要AC/DC转换器。

LED通常发热量都很低，但当许多LED*在一起用于更高亮度的照明应用，或限用于高组装密度的电路板和特别紧凑的地方，那么散热问题也会变得突出。同样为了分享LED这块大蛋糕，半导体公司Vishay推出了采用热增强型PLCC-4封装的VLMW321xx和VLMW322xx表贴白色LED系列产品(图5)。为了取得与类似器件的更大引脚兼容性，VLMW321xx提供三个阳极和一个阴极，而VLMW322x LED提供三个阴极和一个阳极。

图5：Vishay公司的VLMW321xx和VLMW322xx表贴白色LED采用热增强型PLCC-4封装。

这些器件的热阻低到300K/W，功耗最高为200mW。为适合汽车应用，这两类器件都通过了AEC-Q101标准认证。其它值得分享的特性包括：从1,400至3,550mcd的照度，从7,000至8,900 mlm的光通量，60°的半亮度角以及每个封装单元不到1.6的照度比。

不可见光LED

红外线和紫外线LED的工作波长分别是大于750nm和小于400nm,这些器件被广泛用于遥控(电视、家庭娱乐中心等)、通信和医疗应用中的光学隔离式信号通路中。红外线LED通常用GaAs或AlGaAs制造，而紫外线LED的材料可以是金钢石、氮化硼、氮化铝、氮化铝镓(AlGaN)和氮化铝镓铟(AlGaInN)。这些LED的应用实例包括：任天堂Wii游戏机的传感器条中使用的红外线LED，以及杀灭某些细菌、粘合剂固化和生物合成中使用的紫外线LED.

夜间摄影是红外线LED的众多应用之一。LEDtronics公司提供的红外线LED灯(图6)具有850nm、880nm和940nm等多种波长，采用工业标准基座和多种发光角度，可以在完全黑暗的环境中实现图像捕获。这种LED灯可以抵御环境光线和电磁干扰(EMI)，并且可以使用所有标准的国内和国际电压。

图6：LEDtronics公司的红外线LED灯采用850、880和940nm等波长，可以用于全黑照相。

值得注意的是，使用多个LED组成的灯具即使在一个或多个LED出现故障的情况下也能提供足够的光线，而且平均寿命长达10万小时以上。除了单个器件外，其它通用LED包括数码显示器、双色和三色LED、RGB元件和闪光LED。

在光谱的另外一端，Lumex公司提供QuasarBrite系列紫外线LED(图7)。与其它类似器件相比，这种LED寿命长10倍(超过5万小时)，并且提供更严格的光束角度、更高的耐用性和高达50%的成本节省，Lumex公司表示。这些器件具有385nm、405nm和415nm等多种波长，应用包括物体表层杀菌、与泄漏和生物危害检测有关的工业控制、赝品检测和体液流动分析等辨析以及荧光墨水等。

图7：Lumex公司的QuasarBrite紫外线LED的使用寿命超过5万小时，可用于杀菌、工业控制和辨析应用。

OLED

有机LED(OLED)似乎有着很好的发展前景。2009年12月，DisplaySearch公司在其OLED出货与预测季报中指出，2009年第3季度全球OLED收入打破了上次记录，达到了2.52亿美元，上升了31%。

OLED在阳极和阴极之间使用一层有机化合物作为光源。根据具体的配置，光线可以从器件的顶部或底部发出，这是由一个透明电极实现的。

目前有三种OLED：透明(TOLED)、堆叠(SOLED)和反向(IOLED)。TOLED依赖于器件两侧的透明电极，因此它们可以从器件顶部或底部发射光线。SOLED将红色、绿色和蓝色堆叠在一起，可以实现全彩显示器。IOLED使用了一个与薄膜晶体管(TFT)底板相连的底部阴极，可以用来实现有源矩阵OLED(AMOLED)显示器。

由于OLED优于传统LCD，所以正被越来越多地应用于许多显示设备。例如，OLED不需要背光，因此显示器面板可以更轻、更薄。另外，OLED显示器可以将像素完全关闭，从而显示真正的深黑色。索尼公司的XEL-1据称是业界首台OLED电视机(图8)，面板厚度仅3mm，对比度高达1百万比1。

上述LED只是市场上众多LED中的很少一部分，还有很多其它品种。描述正确的LED类型的特性非常容易，但当你必须在给定拓扑中选择正确的LED时，还是需要一定的技巧。

基本特性和设计挑战

一些通用指南适用于围绕LED做的大多数设计。OSRAM公司固态照明业务部门工程技术经理Rob Harrison的观点非常具有代表性，他认为首要任务是对应用要求的完全理解。由于LED品种十分丰富，设计师必须确定一些关键参数的范围，包括电压、电流、功耗、散热、热阻、颜色、色温、颜色敏感度、亮度、环境条件、封装和寿命等。“要准备好将你的选择范围从数百种LED削减到约10种或更少。”Harrison指出。同时他还认为热阻是最关键的因素。显然，发热量不仅影响总体设计性能，而且影响LED的使用寿命。

除了要针对散热进行精心的系统设计外，能效也是一个需要优先考虑的对象。越来越多的设计需要满足包括能源之星在内的许多能效标准。由于对环境问题越来越重视，在不远的将来产品能效问题将愈加突出。

一家全球性家用电器制造商希望Lumex公司能够帮助他们替换掉用于照明自动售冰售水机内室的白炽灯。这种应用要求更高的光线强度、平均的光线分布和更高的效率，以达到更好的节能效果。

这家制造商希望使用大功率、具有冷白色色温的1W LED，光线必须照亮活动桨、出水机和出冰机，最好具有相同的光线强度和颜色，另外照明模块必须方便现场更换。

针对散热第一的Harrison观点，Lumex设计团队认为，大功率LED将形成诸多挑战，特别是热量管理、更短的寿命和不均匀的光线分布等。

作为替代方案，Lumex开发了一种集成有印制板(PCB)的小型浇铸模块，印制板上安装有三个低功耗的5mm白色LED(图9)，并且在一个线组件末端安装有一个快速断开的双脚连接器。这些LED的颜色和亮度是匹配的，每个LED都有相同的2,700K冷色温。这种方案额外允许光线照射到内室的确切位置。

据Lumex公司介绍，通过用具有10年使用寿命的LED代替白炽灯，这种解决方案有效的降低了服务成本。另外，能源成本也有显著降低，因为所用LED模块的功耗比传统解决方案要低。这种方案符合最初使用1W LED的概念，驱动三个工作电流为18mA的LED，相当于使用一个1W的器件。

新兴的LED技术

不管会遇到什么样的设计挑战，人们总有战胜之道——或者至少在某处已有筹划。例如，Bayer MaterialScience公司最近披露了一种独特的光散射技术，能够隐藏LED热点，同时发出更强的光线。

这家公司的方案可以在最少反射情况下形成柔和的LED光线效果，能以平常无法企及的发光强度发出半透明的白光。这种技术几乎能无限自由地实现光散射器封装和广泛的颜色，从而实现应用的完美定制。

“对配色师来说这是一个令人激动的时代，因为我们能够向产品设计师和OEM厂商提供满足他们特殊需求的设计解决方案。” Bayer materialScience公司资深化学专家Terry Bush表示。

为使用这种技术创建独特的散射器封装，设计师可以选择适合他们特定应用要求的Makrolon聚碳酸酯树脂产品。“基础树脂越好，散射器封装的总体性能就越高。”Bayer materialScience公司电气/电子聚碳酸酯IT市场部门领导Gerald DiBattista表示。

可用的树脂包括针对室内和室外应用的Makrolon LED2643，所含材料可以抵抗紫外光线、水淋和沉浸。Makrolon FR7087也许是首个满足UL 94 5VA额定燃烧等级要求的清晰聚碳酸酯，适用于透镜和盖子。Makrolon 6717是一种阻燃级树脂，支持挤压式应用，如光条和光导等。Makrolon 3103是一种高粘度、抗紫外线的聚碳酸酯，适合包括汽车和消费电子在内的许多应用。

基于总有设计解决方案推出这个事实，DiBattista重申：“不管最终是哪种照明应用，总有能够满足应用需求的合适解决方案。”