高亮度LED的新应用与新标准

高亮度LED的新应用与新标准

要点：总体照明系统效率包括电源转换、电流调节以及HBLED(高亮度发光二极管)装置本身的效率，而不只是HBLED片芯的效率。

　　HBLED照明系统现在的效率低于最高效的荧光灯。但HBLED将在三年内迎头赶上。

　　HBLED的其它优点有纯净光源、紧固性和调光控制能力，将帮助它们进入新型医疗与照明应用。

　　HBLED(高亮度发光二极管)的功率在不断增加：例如，Cree公司现在提供88lm/W的器件，并且计划在今年年底提供100lm/W的器件，五年内将出现150lm/W器件。作为独立元件，HBLED效率高于白炽灯甚至荧光灯。但是，在系统级上，因为必须考虑它们带来的功率损耗问题(包括AC/DC和DC/DC转换与电流调节)，它们的优势被削弱了。另外，LED照明装置(或光源)会带来损耗，LED组件本身亦有热损耗。

随着高亮度LED功率的增加，它们催生了很多新的应用，从建筑照明到医疗产品。能源之星照明标准正在逐步关注总体系统效率。

　　美国DOE(能源部)最近完成了针对SSL(固态照明)光源的新的能源之星规范，这样系统设计者可以对光源与装置采用相同的比较数字。新规范不是着眼于HBLED在元件级上的发光效率，而是整体的光源效率。

　　电流驱动的LED光强直接与正向电流成正比。这些器件有与二极管相同的陡峭电压/电流曲线，电压上的小小变动会导致电流的一个相对较大的变化，亮度也产生变化，因此控制电流比控制电压更重要。很多IC制造商(通常从事于电源控制器业务)都进入了LED驱动器电流调节市场。这些供应商包括：德州仪器公司、美国国家半导体公司、Intersil、Cypress、Maxim和LinearTechnology.

　　除了电流调节器以外，照明系统可能还必须带有一个AC/DC转换器，采用电池供电的系统可能还需要一个DC/DC升压转换器。总之，仅转换方面，就可能损失10%~15%的系统功率。另外，由于反射和镜头损耗，设备中SSL的亮度损失可能高达一半。

　　能源之星SSL规范的标准将在2008年9月30日生效。该规范有两个部分。CategoryA覆盖今天现有的器件。它规定，一个符合CategoryA的嵌入发光设备(或“下射聚光灯”)必须为35lm/W.CategoryB将覆盖三年内出现的高效SSL设备。那时，SSL能够与今天采用传统光源的最高效发光系统竞争。例如，现在最常见的高性能T8荧光灯和电子镇流系统可以产生约100lm/W.这些荧光镇流系统的高质量产品可以达到约70%的效率，获得70lm/W的光源效率。而采用今天已商业化的SSL技术时，HBLED光源无法达到CategoryB级的最小发光效率。不过，LED技术正在快速发展，未来将可以满足能源之星CategoryB的要求。但LED除了效率和长寿命以外还有其它优势，值得我们在获得更高效率以前继续跟踪它的发展。例如，在荧光照明中，调光非常困难，而对LED不过是直接减小电流而已。另外，你可以用多个冷白色LED和暖白色LED阵列，动态地改变一个房间的颜色。预计SSL将在今后五年内成为家庭与工业照明的一种重要技术。

　　今天可用的多数HBLED都需要直流电压和电流，因此，大多数SSL系统都含有转换电路，将交流电源转换为稳压的直流电源。不过，SeoulSemiconductor公司最近推出了AcricheHBLED,它可以直接用交流电源工作(图1)，用一只表面组装电阻设定输入电压，范围从100V~110VAC和220V~230VAC.在片芯中，LED包含了多层LED半导体结。二极管结在总正向电压接近于110V或220V的交流电压时建立。这些器件有两串背对背的LED.第一串导通，并在正半电压周期内传导，而第二个在另一串周期内导通，因此LED可在整个交流电压周期内发光。直接采用交流工作简化了电源转换电路，增加了系统可靠性，并减少了设计时间。AcricheHBLED有两种型号：用于100V/110V的AW3200和用于220V/230V的AW3220.两种型号均具有59lm/W的效率，它低于直流供电的HBLED的发光，但也相差无几。

　　随着能量成本的持续上升，照明效率的重要性也日益增加。美国DOE估计，照明要消耗一座建筑20%的电力。然而，在发展中国家经常缺乏可靠的电力网络，人们可以使用太阳能SSL为电池供电，从而获得可靠的夜间照明。唯一的其它选择是煤油灯，它既危险又昂贵。

　HBLED除了明显的效率优点和寿命优点以外，还有其它的优点，并对非传统照明应用很有吸引力。例如，它们有狭窄的光谱，因此最适合用作胆红素灯。胆红素是一种红黄色的有机物，源自红血球解体所产生的血红蛋白。过高胆红素会造成高胆红素血症，症状为黄疸，即巩膜(即“眼白”)和体液等组织呈黄色。虽然一般不必担心低水平的胆红素，但大量胆红素会循环至大脑组织，可能造成新生儿癫痫和大脑损坏。所幸，光疗通常对此种病症有效果，因为胆红素会吸收蓝光，分解为水溶形式而排出体外(图2)。458nm~462nm区域中的窄带蓝光最有效。过去，胆红素治疗光线都采用定制的蓝色荧光灯管和彩色过滤器。但是，荧光灯的光谱相对较宽。尽管其分布中心位于所需波长上，但光谱分布在两端下降，表示能破坏胆红素的光能量下降，因此治疗时间将延长。与之相比，蓝光LED胆红素光源可以有正确的频率，几乎不浪费光能量。另外，LED的胆红素光源有机械稳定特性，更长的寿命，也比荧光设备低廉。在未来，光线疗法将能通过“发光服”提供光照，提供比光箱更有效的治疗方法。

　　HBLED与传统白炽照明或荧光照明的一个显着差异是，HBLED有更多的封装变型。因此，可能预期将有一些关于封装的标准出现，但至少五年内不会出现这种情况。Cree商务发展总监MarkMcClear预测说：“每次我们使HBLED更亮、更便携和更高效时，都促成了更多的应用。我们位于一个陡峭的曲线上，要一次完成三个目标，一个重要的部分是封装。我们有一种类型的封装;我们的竞争对手就可能有另一种......并非为把客户搞糊涂，而是因为(一种类型封装)有更多的光输出，而光是最重要的。”

　　Avnet公司的LightSpeedSSL与LED业务部总监CaryEskow表示，HBLED的快速发展带来了有关眼睛安全的问题，这些器件的设计者一般都要解决这个问题。他说：“HBLED的快速发展可能已超越了安全方面的设计。”对眼睛最直接的威胁来自于光的强度：有些HBLED可以从一个小片芯中产生高达150lm的光。在某种情况下，这种光强可以通过光热效应和光化学效应过程而损坏眼睛。对这些类型的损害，我们人体的眨眼反应没有多大的保护作用，因为在发生损害的视觉光谱末端，不会出现这种反应。

　　光热损害出现在视网膜温度增加大约10℃时。由于热量传过视网膜的方式，这种损伤直接与束斑尺寸有关;它随着焦点的增大而增加，就像压在皮肤上的一根针会造成远高于相同压力手指的疼痛。随着波长从约550nm(绿色)通过黄色、橙色和红色延长到IR(红外)，这种类型的损伤逐渐占据主导地位。

　　另一方面，强烈的紫外光和蓝光会造成眼睛的光化学损害。蓝光和短波长的危险性比IR辐射高出1000倍。同样，这种情况下眨眼反应是没有用的。Eskow强烈建议设计者将HBLED的安全性列入主要的设计考虑因素，因为这些器件正在成功进入越来越多的应用中，从照明到医疗设备，甚至玩具。