SSL照明技术与进展

路秋生

（北京信息职业技术学院，北京100050）

1 引言

自从1968年第一批LED开始进入市场以来，至今已有30多年。随着新材料的开发和LED生产工艺的改进，LED趋于高亮度化和全色化。氮化镓基底的蓝色LED的出现，更是扩展了LED的应用领域。

美国从2000年起投资5亿美元实施 “国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月首次提出发展半导体照明计划以加快LED产业的发展。

2 LED的发光原理

LED的发光原理就是将电能转换为光的过程，将电流通过化合物半导体，通过电子与空穴的结合，过剩的能量将以光的形式释出，达到发光的效果。通过LED的正向电流越大则LED的发光亮度越高，同时，通过LED发光电流的稳定性将影响LED的发光稳定性。因此，在实用中应采用可以提供精确稳定电流的LED驱动恒流源来为LED供电。

自1879年10月爱迪生研制成功世界上第一只实用白炽灯电光源以来，随着科学技术的突飞猛进，各种人造电光源技术得到了迅速的发展，电光源技术经历了第一代的热辐射电光源（例如白炽灯和卤钨灯等）、第二代的低压气体放电电光源（例如荧光灯）、第三代的高压气体放电电光源（例如高压汞灯、高压钠灯和金卤灯等）和第四代的固体电光源（例如LED等）的变迁。

常用电光源发光效率对比如图1所示[3]，常用电光源发光效率的进展如图2所示[9]，通过技术进步使各种电光源发光效率的变迁如图3[4]所示，通过图3可以看出，通过加速研发到2020年SSL照明发光效率可高达到大于200 lm/W的能力 （据有关资料报导，美国GREE公司在2010年上半年就在实验室推出了发光效率为208 lm/W的LED器件），通过技术进步到2020年，争取使SSL照明的发光效率达到225 lm/W的水平。固体发光电光源（SSL）展示出了很好的发展前景。由表1[10]可以看出由于技术进步使各种新型电光源技术达到实用化的进程。

图1 常用电光源发光效率对比

图2 各种电光源发光效率的进展对比

图3 通过技术进步使各种电光源发光效率的变迁

各种常用电光源的性能对比 （资料来源于2009-APFC-SP1.4-Datapoint Research）如图4所示。

图4 各种常用电光源的性能对比

表1 [10]竞争使电光源技术成熟

3 LED照明的主要优缺点

3.1 LED照明的主要优点

LED照明的优点主要体现在以下几个方面。

（l） 体积小，重量轻；

（2）LED在生产过程中不需要添加“汞”，环保性能好；

（3）LED的体积可以做的非常小，便于各种设备的布置和设计；

（4）LED使用低电压直流电就可以驱动，对使用条件要求较低；

（5）LED在结构上没有玻璃外壳，不需要像白炽灯或者荧光灯那样在灯管内抽成真空或冲入特定气体，因此LED的抗震、抗冲击性能好；

（6）LED的发光指向性非常强，封光束在一定角度（15°）内定向辐射，亮度衰减比传统光源低很多；

（7）LED发出的光线能量集中度很高，发光亮度高，发光色彩丰富、纯度高，发出的光线集中在较小的波长窗口内；

（8）LED的响应非常快，响应时间在微秒级，在任何使用情况下可以实现瞬时启动，与白炽灯泡200 ms的响应时间相比，LED会在短短5 ns响应时间内发光，因此，目前LED已在汽车行业的刹车灯中得到了广泛采用；

（9）使用寿命长，LED产品的寿命理论上可达10万h，如果以5万h计算，每天连续使用12 h，可以使用11.4 d；

（10）发光效率高，目前能实用LED的发光效率已达60～80 lm/W，实验室水平已达208 lm/W左右（GREE公司在2010年初已实现）。

白光LED的出现，是LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。白光LED发光最接近日光，更能较好地反映照射物体的真实颜色，所以从技术角度看，白光LED无疑是LED最尖端的技术。

3.2 LED照明的主要缺点

（l）LED灯维修困难，维修时间长；

（2）LED驱动电路的工作效率还需进一步提高；

（3）目前LED芯片的主要材料镓（Ga）这种金属原材料稀少，成本高；

（4）光电转换效率低，LED工作时70%-80%的电能转换成热，仅有20%-30%的电能转换为光；

（5）LED灯的生产成本高，售价昂贵，目前LED灯的售价是白炽灯、气体放电灯的十几倍或几十倍以上，这是目前LED灯的推广瓶颈；

（6）LED的光色不太柔和，LED发出的光线中蓝色的成分多，红色成分少，不如白炽灯、荧光灯发出的光线柔和，有刺目、视觉不舒服等感觉；

（7）LED是点光源、发光面很小，光输出过于集中，因此必须进行二次配光，才能达到实际使用的要求，光学系统的设计也会直接影响LED的使用效果；

（8）LED的实际使用寿命不及宣称的那样高，LED的光衰与使用寿命的影响因素不仅仅是工作温度，还有LED封装材料的老化、荧光粉的劣化与自身寿命的限制，照明系统中驱动电路所采用元器中的寿命与故障、工作环境等因素都会影响LED的使用寿命；

（9）LED工作时芯片结点产生的热量大，温度高，功率越大产生的热量越大。若散热问题解决不好，LED工作时芯片结点温升会很高，过高的结温不但会使LED工作寿命急剧衰减，还会影响LED的峰值波长、光效等参数。

4 LED的应用

LED在以下领域的得到了广泛的应用。

（1） 汽车照明（车内、车外）；

（2）商用照明；

（3）LCD背光照明；

（4）光传感器；

（5）便携式电子设备；

（6）居室照明；

（7）信号灯照明；

（8）标识照明等。

LED的典型应用如图5所示[8]。

图5 LED的典型应用

5 LED的驱动

LED由于环保、使用寿命长、发光效率高等优点，因此，近年来在各行业得到了广泛应用，而LED的驱动电路又是很重要的一个环节。LED具有类似于二极管的正向 V-I特性。在低于LED开启阈值电压（白光LED的开启电压阈值大约为 3.5 V）时，通常经过该LED的电流非常小。在高于该阈值电压时，电流会以正向电压形式成指数倍递增。目前LED驱动方式主要有直流和交流驱动两种方式，直流驱动LED目前应用最为广泛。

5.1 LED的驱动方式

目前LED均采用直流电驱动，因此在市电与LED之间需要加一个LED驱动电源适配器。LED驱动电源适配器的功能是把交流市电转换成适合LED驱动的直流电。现在常用的LED驱动电源有两种：一是恒电流驱动电路，二是恒电压驱动电路。

（1）恒电流驱动电路

在恒电流驱动工作方式下，又有两种驱动工作方式，一个恒压源供多个恒电流源，每个恒电流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接由恒电流源供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。这两种LED驱动电源形式，在一段时间内会并存。LED的多路恒电流输出供电方式，在成本和性能方面会好些。

（2）恒电压驱动电路

在确定恒电压电路各项参数后，恒电压电路输出固定的直流电压，输出的直流电流随LED负载的变化而变化。虽然恒电压电路不怕负载开路，但是严禁负载完全短路，恒电压电路输出的电压变化会影响LED的发光亮度；要使每串并联以恒电压电路驱动LED串发光亮度均匀，需加合适的电阻。

6 对LED驱动电路的主要要求

由于LED是V/I特性敏感的半导体器件，又具有负温度工作特性。因而在应用过程中需要对工作状态进行稳定和保护。LED驱动电路的质量是LED长寿高效的关键保障。对LED驱动电路主要有以下技术要求。

（1）LED驱动电源要符合安全规范和电磁兼容的有关要求；

（2）驱动电源的工作寿命要与LED的使用寿命相适配；

（3）对外安装型灯具，LED驱动电源结构要防水、防潮功能，灯具外壳要耐晒功能；

（4）特别像LED路灯的驱动电源，安装在高空，维修不方便，维修的花费大，需要高工作可靠性；

（5）LED驱动电源要符合有关安规和电磁兼容的技术要求；

（6）LED驱动电源除了常规的保护功能外，如在恒电流输出中增加LED温度负反馈，防止LED的工作温度过高，对延长LED的使用寿命有利；

（7）LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启/停和雷击的感应，从电网系统会侵入各种电浪涌，有些电浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制电浪涌的侵入，确保LED正常工作而不致由于浪涌的输入而损坏；

（8）功率因数是电网对负载的要求。一般对70 W以下的用电器没有强制性指标要求。虽然功率不大的单个LED驱动电源功率因数低一些对电网的影响不大，但晚上大家都用电照明，同类负载非常集中，会对电网产生较严重的污染。据报道，对30～40W的LED驱动电源，不久的将来也许会对功率因数方面有一定的指标要求；

（9）LED是节能产品，LED驱动电源的工作效率要高。对于LED驱动电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED工作温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。LED驱动电源的工作效率高，它的功率损耗就小，在灯具内的发热量就小，也就相应降低了灯具的温升，这对延缓LED的光衰有利。

7 LED驱动电路拓扑的选择

实用中有多种LED驱动电源电路拓扑可供选择，表2给出了这些可供选择的常用LED驱动电源电路拓扑的特点，表2给出的有关信息有助于LED驱动电源电路拓扑的选择。除这些拓扑之外，还可使用简易的限流电阻器或线性稳压器来驱动LED，但是这类驱动方法的工作效率很低。在设计LED驱动电源电路所需考虑的有关因素有输入供电电压变化范围、所驱动LED的数量、LED的工作电流、输入输出是否需要隔离、EMI抑制以及LED驱动电源电路的工作效率等因素。

8 LED的调光

LED的调光应用是一件经常遇到的事。例如LED背光照明的LCD显示屏亮度调节和建筑物灯亮度调节的应用场合。实现LED调光控制的常用方法有两种：即调节通过LED的正向工作电流来实现LED发光亮度的调节和调节通过LED正向工作电流的脉冲占空比来实现LED发光亮度的调节。

第一种LED调光控制方法采用模拟调光控制方法，在模拟调光控制下，通过调节LED的正向工作电流来实现LED的调光控制，调光控制范围可达10：1。

由于LED的光输出并非完全与LED正向工作电流呈线性关系，因此调节通过LED的正向工作电流的调光控制方法工作效率很低。并且，LED的发光色谱通常会在电流低于额定值时发生改变。

第二种LED调光控制方法就是采用数字或叫PWM的调光控制法，通过脉宽调制(PWM)来调节LED正向工作电流的脉冲占空比的调光控制方法更为精确。PWM调光控制法以大于100 Hz的开关工作频率，以脉宽调制的方法改变LED驱动电流的脉冲占空比来实现LED的调光控制，选用大于100 Hz开关调光控制频率主要是为了避免人眼感觉到调光闪烁现象，在LED的PWM调光控制下，LED的发光亮度正比于PWM的脉冲占空比，在这种调光控制方法下可以在高调光比范围内保持LED的发光颜色不变，采用PWM的LED调光控制的调光比范围可达3 000：1。

表2 常用LED驱动电源电路的拓扑

9 交流LED(AC LED）驱动的电路结构与工作原理

9.1 交流LED(AC LED）驱动的电路结构

AC LED驱动的重大技术突破是超细LED晶粒在封装时采用特殊交错的矩阵排列组合技术，同时利用LED PN结的二极管特性兼作整流，半导体制作过程在其中扮演着相当重要的角色。AC LED通过半导体制作过程整合成一堆采用交错矩阵式排列工艺的微小晶粒，并加人桥式电路至芯片设计，使交流电流通过LED可以双向导通，实现LED的发光。AC LED晶粒的排列如图6所示，因此只需要二根导线引人交流电源即可使AC LED发光工作。

图6 ACLED晶粒排列示意图

9.2 交流LED(AC LED）驱动的工作原理

交流LED驱动的工作原理图如图7所示，将一堆LED微小晶粒采用交错的矩阵式排列工艺均分为五串，五串交流LED晶粒组成类似一个整流桥的电路，整流桥的两端分别连接110 V/220 V交流市电电源，交流LED的另两端连接一串LED晶粒，交流市电的正半周沿1号通路流动，3串LED晶粒发光，负半周沿2号通路流动，又有3串LED晶粒发光，四个桥臂上的LED晶粒轮流发光，中间一串LED晶粒同时发光。四个臂上的LED以每秒50/60次的频率轮替点亮。通过整流桥的直流电流是脉动直流电流，LED的发光是闪动的，由于LED有断电余辉续光的特性，余辉时间可以保持几十纳秒，并且由于人眼的视觉停留作用，使人眼对LED的发光感觉是连续发光。

目前世界上美国、韩国和中国台湾有AC LED技术，台湾工研院开发出白光、蓝光及绿光AC LED的制成技术，不仅与国际同步，也是全球领先者之一。

图7 交流LED(AC LED）驱动工作原理图

10 OLED照明

10.1 OLED的工作原理

OLED(Organic Light Emitting Diode）是指有机半导体材料和有机发光材料在电场的驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的技术，其工作原理是用ITO玻璃 （Indium Tin Oxides）（铟锡氧化物半导体）透明电极和金属电极分别做为OLED器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子传输层和空穴传输层，然后分别迁移到发光层，相遇后形成激子使发光分子激发，后者经过辐射后发出可见光。辐射光可以从ITO玻璃板一侧观察到，金属电极膜同时也起到了发射层的作用，工作原理如图8所示。

图8 OLED结构与发光原理

根据使用有机功能材料的不同，OLED器件可以分为低（小）分子OLED器件和高分子OLED器件（PLED）两大类。低（小）分子OLED技术发展较早（1987年），并且技术已经达到商业化水平。高分子OLED发展始于1990年，目前该技术尚未成熟。

根据驱动方式不同，OLED器件又可以分为无源驱动型（又称为被动驱动PM，Passive Matrix）和有源驱动型 （又称为主动驱动AM，Active Matrix）两种。无源驱动型OLED不采用薄膜晶体管（TFT）基板，一般适用于中小尺寸显示；有源驱动型则采用TFT基板，适用于中大尺寸显示，特别是大尺寸全彩色动态图像的显示。目前，无源驱动型OLED技术已比较成熟，商业化的产品都是无源驱动型；有源驱动型OLED技术发展很快，但是还需要几年的时间才能推出商用化产品。

OLED无需背光源，可以自己发光，并且可视角度和亮度较高，厚度更薄，结构也相对简单，如采用可挠式基板，则可以变化成不同形状。并且OLED能够显著节省电能。

OLED的发展已由单色到全色、从硬屏到软屏，屏面尺寸也由小到大。目前，OLED主要用于平面显示，已开始向照明领域扩展[1]。

10.2 OLED的特点

（l） 成本低；

（2） 视角广；

（3）耗电量少；

（4）发光反应速度快；

（5）应用比较简单方便；

（6）工作时产生的热量低；

（7）抗震动、耐冲击性能好；

（8）不含汞、环保、无汞污染；

（9）制造工艺比较简单，易于大规模生产；

（10）重量轻、厚度薄、为平面型、可以卷起来；

（11）使用寿命长：目前已达5 000-20 000 h，理论上可达20万h；

（12）发光效率高，目前OLED的发光效率已达60 lm/W，预计可达200 lm/W以上；

OLED要进入照明领域，取代某种电光源，还需要进一步提高它的发光效率，延长使用寿命，降低使用成本。

10.3 OLED发展的趋势

OLED是继LED之后又发现的一种更为优秀的固体电光源，不远的将来它将会很好的应用于照明应用场合，将会逐步瓜分LED和部分气体放电光源的应用市场，而成为照明领域的主要电光源之一。OLED的应用演进图如图9所示，透明OLED的UDC原型如图10所示，利用OLED可以改变我们的常用显示方式[10]，如图11所示。

图9 OLED的应用演进图

图10 透明OLED的UDC原型

图11 利用OLED可以改变我们的常用显示方式（10）

11 结语

通过以上的讨论和分析可以看出（例如图3所示的关于各种电光源发光效率的进展对比曲线），在目前我们所用的各类电光源中，LED电光源发光效率的提升速度非常快，LED的推广应用和LED的封装、散热、LED灯具的具体制作等方面都有很大的关系，但是随着技术的进步，LED照明具有很好的应用前景。

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