固态照明的能效问题

　　固态照明（SSL）技术宣称在能效方面取得了重大进步，能够实现大幅度的节能效果。2005年有一篇研究文章《高能效照明技术》（Energy Efficient Lighting Technology Options）指出，美国每年在照明方面要用掉7650亿度的电力。通过提高照明系统的能效，可以在很大程度上改善全国的用电状况。　　最近在波士顿召开的2007年度美国能源部（DOE）SSL能效研讨会上，与会者了解到DOE已经开始支持SSL照明装置的推广工作。目前两项正在进行中的DOE研究项目包括制订SSL照明装置的能源之星（Energy Star）计划性能目标，以及开发用于验证SSL照明装置性能的测试程序。这些项目仍处于规划起草阶段，读者可以从www.em.avnet.com/lightspeed上下载有关资料。DOE之所以对SSL技术如此感兴趣，是因为其他照明技术的能效几乎都已达到了极限，而基于LED照明技术的能效有望在今后10年内提高一到两倍。　　能效的数值表示　　自从出现标准的白炽灯以来，我们一直根据光源消耗的功率（瓦特），而不是根据它们所产生的亮度来标定它们的能效。这种 方法显然是不合适的。随着技术的进步，如果白炽灯继续存在，那么白炽灯的包装标识有望采用新的标定方法。在照明领域，点光源向各个方向发出的光的亮度通常用流明来表示。　　光源的性能，即能效，可以用它的功率与它所产生的亮度二者的比值来衡量，用流明/瓦（lm/W）来表示。一只普通的Philips 60W磨砂白炽灯能够产生890流明的亮度，因此该光源的能效就是15.8lm/W。　　根据灯泡封装类型的不同，照明装置的实际性能可能会出现大幅度下降。例如，如果将一个标准白炽灯放在凹进式光源中，用一个反光镜反射光源，那么由于反光镜的损耗我们最终只能得到50%的照明效率。整个照明装置的能效就变成了7.5lm/W。　　对于其他类型的光源也可以采用类似的计算方法。但是，对于基于荧光灯、紧凑型荧光灯（CCFL）和LED的照明装置，我们在计算时必须考虑镇流器损耗和隔离直流-交流的恒流控制损耗。表1对比了各种照明光源的能效。接下来，我们来分析基于LED的照明装置能效计算方法。 　　LED灯的能效计算　　我们经常能够看到某些LED制造商声称又进一步提高了LED照明光源的lm/W性能。DOE制订的研究计划是将商用照明领域的SSL光源效率从当前的30lm/W提高到150lm/W以上。　　根据当前SSL凹进式照明装置的能源之星计划草案，我们可以计算出利用现有的元件构成的SLL照明装置的总体能效。对于孔径略大于4英寸、相关色温（CCT）为3000K的照明装置，它的最小亮度为500lm，最小光源效率为35lm/W。　　我们使用一种常见的暖白色LED灯作为照明光源的基本例子。该LED的额定指标为3000K CCT、350mA、3.8V的最大正向压降。LED灯是按照亮度进行分类标识的，我们在这里选择最小60lm@350mA的一部分。在测试条件下，LED结温为25℃，电流脉冲作用时间为25ms。在实际工作过程中，LED的结温将会根据照明器材的热设计效果上升到某个稳定值。对于任何LED而言，随着温度的上升，其产生的亮度就会下降。相比测试值，工作在60℃下的LED的亮度将会降低10%。这就意味着在稳定工作状态下LED实际产生的亮度大小为54lm。　　要想获得所需的照明亮度，我们至少需要10个这样大小的LED，这里我们采用5个LED两排并列的方式来实现。利用Light Tech公司的LED-18W直流700mA恒流源驱动器就能够驱动两排350mA的LED。它的能效为80%，可以产生24V的输出电压。　　通过计算，10个工作在350mA、3.8V下的LED总功耗为13.3W。因此，该光源的能效就等于54lm×10（即540lm）除以总功耗，得41.5lm/W。　　如果将驱动器的能效考虑在内，那么可以计算出最差情况下的能效为33.2lm/W。这一结果能够满足当前能源之星计划的要求，接近于反射式CCFL照明灯的性能，但是仍然比白炽灯性能的四倍还要高。　　千差万别的LED 　　这个例子使用了一种亮度为60lm、电流为350mA、CCT值为3000K的暖色温LED。已有多个LED厂商宣布推出了性能超过100lm@350mA的照明装置。这些LED是冷白色的LED，CCT值为6500K，其中使用了多种混合荧光剂产生白色的光。　　冷白色LED的性能在过去两年内已经提高了一倍。如果暖白色LED的能效也有类似的性能提升，那么不久的将来我们就能够看到具有80lm/W的暖白色LED。　　在上述例子中，隔离型驱动器的选择对于提高整个照明装置的能效也发挥了重要作用。目前这是一个价格和性能二者之间的权衡选择问题。线性驱动器的价格是最低的，但是其能效处于50%～60%的范围之间。 　　开关式驱动器的能效是最高的，一般在80%～85%之间。要想实现更高的能效，就需要更复杂的电路，因此驱动器的成本也就更高。 图1 首尔半导体公司的AN2212在4W、3000K色温下能够产生120lm的亮度　　另外一个LED的实例是首尔半导体公司(www.zled.com)的Acriche EcoLight。这种LED不需要隔离功率转换电路。如图1所示的是AN2212，它在3000K色温下能够产生120lm的亮度、4W的功率，能效为30lm/W。单个AN2214的功率为2W，在3000K CCT下能够产生65lm的亮度。在忽略热损耗的情况下，这种器件的光源效率为 32.5lm/W，其关键技术是在一个管芯上集成大量的发光单元，寿命可达30000小时。 来源：今日电子/作者：Avnet LightSpeed公司 David Neal

贴片LED的基板是什么材料及它的特点

高导热金属陶瓷(LTCC-M)复合基板例如：高功率LED陶瓷基板，它的主要特点如下：1.高热传导低热阻2.热膨胀系数匹配(TCE:6.2)3.抗UV4.抗腐蚀和黄化5.符合Rohs规定6.高气密性7.耐高温

LED信号指示器

1、 用颜色指示电压的“彩虹”LED信号指示器
图1所示电路由IC1和IC2组成LED监测模拟电压电平电路，IC1为Microchip公司的PIC12F675微控制器，IC2为Kingbright公司的AAF5060PBESEEVG“彩虹”指示器。IC2在一个封装内装有3块超亮度LED芯片（红、绿、蓝）。调节LED驱动器的占空比，就可以显示出可见光谱中所有可见颜色，其中包括白光。将PicBasic
Pro编译器的PIC程序加到IC1的引用③上，将0~5V输入电压转换成一个与包含一定数量红、蓝和绿光的某一颜色相对应的8位数字信号。 图1
LED监测模拟电压电平电路
在一个脉宽调制（PWM）信号的控制下，每只LED的发光时间都与其相应的红光、绿光或蓝光量成正比。如图2所示，一块LED芯片在每帧14步时间间隔内通电。虽然并非所有的LED都必须同时发光，但是人眼的慢响应将三只LED的光输出综合起来，会产生一种正比于占空比的强度变化的错觉。PIC程序中的RGB编码功能假定IC1的模拟输入具有2.5V的零信号偏移，使所有LED都不发光。冷色（蓝、紫和绿）表示输入电压为0~2.5V；暖色（红、橙、黄和白）表示输入电压为2.5~5V。可通过改变RGB编码表中的基色比例来产生不同的调色板。
图2 LED显示色彩图 2、 LED信号灯的二次光学设计（1） 信号灯基本光学系统
传统的交通信号灯采用白炽灯作为光源，其灯具的基本光学结构可视为由光源、反射器及用于形成光分布的透镜组成，如图3所示。由于白炽灯的光辐射几乎占据整个空间，因此需要用反射器将其他方向上的光收集起来投向要求的区域。通常采用的是抛物面反射器，形成近似于平行的光束，然后用有色透镜的外罩对光束进行偏折、扩散，产生期望的光分布和颜色。
一般单只LED发出的光能量较小，一个交通信号灯往往需要几十只至几百只LED。随着LED技术的发展，单只LED的流明数不断提高，一个灯具内使用的LED数目明显减少。例如，目前飞利浦公司生产的一款交通信号灯仅用了10只LED，目前广泛使用的LED交通信号灯通常使用100~300只LED，基本均匀分布于整个发光面上，每只LED对应一个或一组透镜单元。
图3 传统交通信号灯的基本光学结构
由于某些LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内，反射器就不再是必要的光学组件，而往往用透镜作为准直光学组件。例如，用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束，然后用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折，产生满足标准要求的光分布，如图4所示。图4
LED交通信号结构示例（2） 光通量
无论是欧洲的ECE、美国的ITE还是我国的国家标准，对于信号灯光分布的要求大多体现为H-V系统内的光强分布，见表1。因此，可以根据下式计算出达到标准要求的最小光通量：
（1）式中：φi
为第i个立体角区域内的光通量；Ii为第i个立体角区域内要求的（平均）光强；Hi+1/2、Hi-1/2、Vi+1/2、Vi-1/2为第i个立体角区域的水平角和垂直角的边界。
按式（1）计算所得的光通量是一个理想值，实际上要满足标准要求的光分布，还需考虑透镜的透过率、溢出光损失等因素。因此，需要对φ进行修正，这样得到的才是实际要求光通量的估量值。
LED的光强分布通常是旋转对称的，因此，可以根据生产厂家给出的光分布（如图5所示），由下式计算单只LED所发出的光通量：
（2）式中：Ij为第j个环带区域内的平均光强；θj-1/2、θj+1/2为第j个环带区域的边界。
同样，在这里计算得到也是一个理想值，需考虑温度影响、有效利用率等因素进行修正。利用两个修正后的光通量可以估算出要用的LED的数目。 图5 LED的光强分布 3、
透镜单元 为了能实现对光通量更有效的利用，先用校直系统将LED发出的光校正为平行光。通常所用的凸面透镜的曲率半径为 1/r1-1/r2=1/f×(nL-1)
（3）式中：f为透镜焦距；r1、r2分别为透镜两表面的曲率半径，当该表面为平面时，曲率半径为无穷大；nL为透镜材料的折射率。
对于同样尺寸、同样焦距的凸透镜和菲涅耳透镜而言，其厚度可以相差很大，如图6所示。并且随着透镜尺寸的增加，其厚度的差距也在增大。透镜越厚，意味着光在经过透镜的过程中损失得越多，并且计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。
图6 菲涅耳透镜与凸透镜厚度比较
菲涅耳透镜如图7所示，其实它是一种“大孔径”的消球差透镜，其光学作用和普通凸透镜相同，但比凸透镜薄，重量轻。设计时选用的菲涅耳透镜环数越多，越有助于减小球差和透镜厚度，使光斑更均匀。
图7 菲涅耳透镜的形成
在设计中采用透镜对平行光束进行扩散处理来满足标准的要求。将灯具外罩分割成矩形小单元，用来打碎光波的波面，有利于产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用柱面透镜使光束水平扩散，在确定单元宽度及要求的扩散角度之后，柱面透镜的曲率半径为
r=(b×n2-2ncosδ+1)/(2sinδ) (4)
式中：r为柱面透镜的曲率半径；b为单元的宽度；n为透镜材料的折射率；δ为期望的半扩散角度，如图8所示。 图8 柱面透镜示意图
在确定扩散角度时，应考虑平行光束可能会有一不定期的发散角度α，因此，若要求灯具总扩散角度为50°，则应该取2δ=50°-α，否则可能会导致扩散角度过大。
根据标准，在垂直方向上也有一梯度的光强分布要求，且基本是在水平面之下。可考虑用楔形透镜将光向下偏折，并借助于模拟软件，使光通量在垂直方向上合理分布。单元透镜的结构如图9所示。也可采用椭球面或轮胎面等具有水平和垂直两个方向的弧度的结构，从而可以在两个方向上用不同的曲率半径达到不同的扩散效果。由于交通信号灯的标准一般要求分布于水平之下，因此，在垂直方向上只需用上半段圆弧，产生向下扩散的效果，如图10所示。
图9 单元透镜示例 图10 有双向曲率透镜的示意图
采用两层透镜虽然能对光通量分布有良好的控制，但是两层透镜的透过率损失较大。另外，要获得较理想的平行光，焦点的对准很重要。因LED自身带有的透镜使实际发光不在晶片所在位置，所以，要得到理想的设计效果，发光点位置的确定很重要。
对于发光角度较大的LED，若用菲涅耳透镜作为准直系统的话，应在边缘部位采用内部全反射（TIR）结构。因为，对于菲涅耳透镜，越靠近边缘，光线入射至透镜的角度越大，反射损失成分也越大。若采用TIR结构（如图11所示），可使入射角度接近0°，大大减少了透镜边缘光的反射损失，有利于使透镜呈现均匀照亮的外观。
图11 带有TIR结构的透镜示意图 4、 两种信号灯光度性能分析
现有信号灯光学结构是由内梯菲涅耳透镜、外梯菲涅耳透镜与白炽灯组成。灯泡发出的总光束的一部分经透镜组折射后，成为近似平行光投向远方，成为有效光束，光通量为φ1，按下式计算：
φ1=φ×η1 ×τ1×τ2
（5）式中：φ1为信号灯的有效光通量（lm）；φ为灯泡发出的总光通量（lm），铁道行业标准规定铁路信号灯的光通量不低于285lm，实际产品要高于这个数值，这里按300lm来计算：η1为透镜组的光利用系数，灯泡发出的总光通量中只有被透镜组所包含立体角内的光才被利用，铁路信号灯透镜组对灯泡含的立体角为4.4sr，与灯泡发光总立体角（4π减去灯头遮光部分的立体角）之比为0.36，此值即为透镜组的光束利用率；τ1为颜色透镜的光透射比，铁道行业标准规定红色透镜的光透射比为8%，实际可以达到11%；τ2为无色透镜的光透射比，铁道行业标准规定无色透镜的光透射比不得低于90%。
将上述各数值代入式（5），计算出红色铁路信号灯的有效光通量为10.7lm。
LED信号灯由多只LED与聚光透镜阵列组成，LED的数量为数十只到一百多只，单元透镜的直径为13~15mm。LED信号灯的有效光通量φLED1可按下式计算：
φLED1=φLED×（1-αt）×(1-β)×τ3×τ4
（6）式中：φLED1为LED信号灯的有效光通量（lm）；φLED为LED发出的总光通量（lm），单只LED的光通量由发光强度分布曲线利用球带系数法计算，再乘以LED数量得到总光通量，也可以从LED的功率乘以光效得到，100只红光LED的总光通量为240lm；αt为温度影响系数，LED的光效率随温度升高而降低，不同颜色的αt值不相同，在环境温度为50℃的条件下红光LED的αt值为：0.30；β为光束溢出损失系数，2002年《照明工程学报》提出了“光束溢出损换”的概念，LED发出的光束有一部分射不到各自的聚光透镜上，不能形成有效光束，β值取0.25；τ3为无色阵列透镜的光透射比，取0.85；τ4为无色保护玻璃的光透射比，取0.9。
将上述各数值代入式（6），计算出红光LED铁路信号灯的有效光通量为96.4lm。白炽灯泡的光谱是连续光谱，通过有色透镜发出的色光的光谱也是连续光谱。LED的光谱线较窄，颜色较纯，特别是红、绿、蓝光，颜色鲜艳，有利于辨认信号。但是选择黄光或白光LED时需要注意，黄色不能偏红，白色不能偏蓝，否则会与红色或蓝色相混淆，超出铁道行业标准要求的颜色范围。

LED显示屏故障分析和处理办法

作为LED显示屏产业中的中坚企业，通普科技在多年的发展历程中，形成了自己的技术标准，同时也有了自己的问题处理方法，但身处LED显示屏企业大家庭中，大多数企业遇到的问题也不尽相同，下面是对LED显示屏问题的故障分析和处理办法： A．输出有问题 1、检测输出接口到信号输出IC的线路是否连接或短路。 2、检测输出口的时钟锁存信号是否正常。 3、检测最后一个驱动IC之间的级连输出数据口是否与输出接口的数据口连接或是否短路。 4、输出的信号是否有相互短路的或有短路到地的。 5、检查输出的排线是否良好。 B．全亮时有一行或几行不亮 1、检测138到4953之间的线路是否断路或虚焊、短路。 C．整板不亮 1、检查供电电源与信号线是否连接。 2、检查测试卡是否以识别接口，测试卡红灯闪动则没有识别，检查灯板是否与测试卡同电源地，或灯板接口有信号与地短路导致无法识别接口。（智能测试卡） 3、检测74HC245有无虚焊短路，245上对应的使能（EN）信号输入输出脚是否虚焊或短路到其它线路。 注：主要检查电源与使能（EN）信号。 D．在点斜扫描时，规律性的隔行不亮显示画面重叠 1、检查A、B、C、D信号输入口到245之间是否有断线或虚焊、短路。 2、检测245对应的A、B、C、D输出端与138之间是否断路或虚焊、短路。 3、检测A、B、C、D各信号之间是否短路或某信号与地短路。 注：主要检测ABCD行信号。 E．显示混乱，但输出到下一块板的信号正常 1、检测245对应的STB锁存输出端与驱动IC的锁存端是否连接或信号被短路到其它线路。 F．全亮时有一列或几列不亮 1、在模块上找到控制该列的引脚，测是否与驱动IC（74HC595/TB62726、、、）输出端连接。 G．有单点或单列高亮，或整行高亮，并且不受控 1、检查该列是否与电源地短路。 2、检测该行是否与电源正极短路。 3、更换其驱动IC。 H．显示混乱，输出不正常 1、检测时钟CLK锁存STB信号是否短路。 2、检测245的时钟CLK是否有输入输出。 3、检测时钟信号是否短路到其它线路。 注：主要检测时钟与锁存信号。 I．显示缺色 1、检测245的该颜色的数据端是否有输入输出。 2、检测该颜色的数据信号是否短路到其它线路。 3、检测该颜色的驱动IC之间的级连数据口是否有断路或短路、虚焊。 注：可使用电压检测法较容易找到问题，检测数据口的电压与正常的是否不同，确定故障区域。 J．全亮时有单点或多点（无规律的）不亮 1、找到该模块对应的控制脚测量是否与本行短路。 2、更换模块或单灯。 K．在行扫描时，两行或几行（一般是2的倍数,有规律性的）同时点亮 1、检测A、B、C、D各信号之间是否短路。 2、检测4953输出端是否与其它输出端短路。

LED屏幕关键技术指标说明

以下为技术指标的解释说明： 1.图素失控率图素失控率是指屏幕的最小成像单元（图素）工作不正常（失控）所佔的比例。而图素失控有两种模式：一是盲点，也就是瞎点，在需要亮的时候它不亮，称之为瞎点；二是常亮点，在需要不亮的时候它反而一直在亮着，称之为常亮点。一般地，图素的组成有2R1G1B（2颗红灯、1颗绿灯和1颗蓝灯，下述同理）、1R1G1B、2R1G、3R6G等等，而失控一般不会是同一个图素裡的红、绿、蓝灯同时全部失控，但只要其中一颗灯失控，即认为此图素失控。为简单起见，按LED屏幕的各基色（即红、绿、蓝）分别进行失控图素的统计和计算，取其中的最大值作为屏幕的图素失控率。失控的图素数佔全屏图素总数之比，称之为「整屏图素失控率」。另外，为避免失控图素集中于某一个区域，即「区域图素失控率」，也就是在100×100图素区域内，失控的图素数与区域图素总数（即10000）之比。 2.灰阶等级灰阶也就是所谓的色阶或灰度，是指亮度的明暗程度。对于数位化的显示技术而言，灰阶是显示色彩数的决定因素。一般而言灰阶越高，显示的色彩越丰富，画面也越细腻，更易表现丰富的细节。 灰阶等级主要取决于系统的A/D转换位元数。当然系统的视讯处理芯片、内存以及传输系统都要提供相应位元数的支援才行。 LED屏幕如果采用8位元处理系统，也即256（28）级灰阶。简单理解就是从黑到白共有256种亮度变化。如果采用RGB三原色即可构成256×256×256=16777216种顏色，即通常所说的16兆色。 国际品牌屏幕主要采用10位元处理系统，即1024级灰阶，RGB三原色可构成10.7亿色。灰阶虽然是决定色彩数的决定因素，但并不是说无限制越大越好。因为首先人眼的解析度是有限的，再者係统处理位元数的提高会牵涉到系统视讯处理、存储、传输、扫瞄等各个环节的变化，成本剧增，性价比反而下降。一般来说民用或商用级产品可以采用8位元系统，广播级产品可以采用10位元系统。 3. 色差校正 由于色座标的差异，电视视讯信号的色域与LED的色域存在差别，造成播出的电视节目顏色显得不真实。所以，色座标的校正十分重要。校正的转换计算比较复杂，难于用软体完成，从各厂家的产品来看，儘管大家都声称有这种色校正功能，恐怕都没有做到色校正。 4. 一致性 全彩LED大型屏幕的最大难点就是一致性，或者说最容易被观眾觉察的毛病就是一致性不好，屏幕显得一块深一块浅，俗称马赛克现象，是最令人反感的。造成一致性不好的原因是多方面的，包括选用的LED品质、驱动电路、结构设计和施工等。但是，除非所用发光二极体的离散性太大外，否则一致性的问题主要是设计和施工问题。或许一般的人观看有问题的LED户外看板，也许一开始看不到马赛克现象，也许很轻但不是没有，一般人与专业人士的观察将有一些差异。 5.亮度鑑别等级亮度鑑别等级是指人眼能够分辨的图像从最黑到最白之间的亮度等级。前面提到屏幕的灰阶等级有的很高，可以达到256级甚至1024级。但是由于人眼对亮度的敏感性有限，并不能完全识别这些灰阶等级。也就是说可能很多相邻等级的灰阶人眼看上去是一样的。而且眼睛分辨能力每人各不相同。对于屏幕，人眼识别的等级自然是越多越好，因为显示的图像毕竟是给人看的。人眼能分辨的亮度等级越多，意味着屏幕的色空间越大，显示丰富色彩的潜力也就越大。亮度鑑别等级可以用专用的软体来测试，一般屏幕能够达20级以上就算是比较好的等级了。 6. 数位处理能力 要得到优质图像，必须有高品质的视讯信号源。对于一般的大屏幕用户，所能得到的最好信号就是广播电视信号，DVD、VCD等只是家用级的。因此，对输入信号进行数位处理、提升图像品质就是必不可少的了。事实上大家都有这样的体会：播放经过挑选的节目时，显示效果是非常满意的，但如果是实况转播电视节目或放映DVD影片，难免有各种画面和镜头，例如夜景等暗画面或大面积的高亮度明亮画面，那时效果就要大打折扣了。怎样才能在各种画面和镜头下都有满意的效果呢?这就要靠数位信号处理，例如数位梳形滤波，滤波降噪，边缘锐化，远动预测和补偿，色度修正，非线性修正等等。特别值得一提的是比例缩放(SCALE)处理，是LED大屏幕的特殊问题，要由大屏幕业界下功夫研究。由于大屏幕像素总是少于视讯资讯源，在播放时必然遇到比例缩放问题，採样和重现中的损失以及造成的混迭和缺陷会造成图像品质下降。如何减少和降低损失，需要数位信号处理技术。数位图像处理技术已经取得很大的进展，有许多成果，例如大尺寸电视或投影中的技术成果，可以直接运用到大屏幕显示中来。数位处理系统的处理能力集中体现在处理位元数和处理速度上，运用DSP或高档FPGA是必然趋势。 7.灰阶非线性变换灰阶非线性变换是指将灰阶数据按照经验资料或某种算术非线性关係进行变换再提供给屏幕显示。由于LED是线性器件，与传统显示器的非线性显示特性不同。为了能够让LED显示效果能够符合传统资料源同时又不损失灰阶等级，一般在LED显示系统后级会做灰阶数据的非线性变换，变换后的资料位元数会增加（保证不遗失灰阶数据）。 8.可靠性和寿命 可靠性是屏幕的生命，无论是用于企业形象，或是基于商业模式的活动，LED屏幕稳定可靠都是至关重要的。可靠性指标由平均无故障时间(MTBF)和平均修復时间(MTTR)来表述。MTBF 10000小时是一个非常高的指标，实际上也不一定需要。不少厂家下了大功夫提高系统的可靠性，但是究竟达到了什麼水准，并不能提供有说服力的资料，这也造成了我们在选购LED屏幕的难处，并造成了LED屏幕品质与价格上的差异。来源：LEDinside

LED照明知识(第二部分)：降压结构的实现

随着LED的广泛应用，在很多地方线性电源这种简单的结构已经不能满足需求。一般情况下，当用电阻的方式设定LED所需的正向电流的时候，这种简单的驱动方式可以连续的由电源向负载提供能量。由于LED的电流与电阻上的相同，所以电阻上产生的功耗会随输入电压的增加而增加。例如，一个用线性电源驱动的LED，效率为70%，用5V线性电源提供1A电流给一个典型的白光InGaN LED (VF = 3.5V)。在相同的工作条件下，当输入电压上升到12V时，它的效率将会降到30%。在如此低效率的情况下是无法应用的。 开关电源 开关电源改善了由于输入变化使得效率变化比较大的问题。这种方式是通过控制占空比的方式来满足输出所需要的电压或电流。由于开关电源会产生脉冲式的电压和电流，所以这就需要用一些储能器件(电感或电容)对这些脉冲波形进行整形。和线性电源相反，开关电源可以通过不同的设置来实现电流或电压的降、升或者同时升降的功能。开关电源同样可以在宽的输入或输出范围下实现高效率。在前面的例子中，用一个降压型的开关电源取代线性电源后，当输入电压由5V变到12V后，电路的效率由95%变到98%。 开关电源在效率和结构的灵活性上得到了很大的提升，但由于周期性的开关造成了噪声的增加，同时由于结构的复杂使得电路的可靠性下降和成本的上升。恒流型LED电路可以被简单的认为是一个恒流源。拓扑结构的选择应该考虑最少的外部原件和最好的性能为标准，这样可以提高电路的稳定性和减少成本。鉴于LED的动态调光特性好，在设计的时候要考虑使这种特性能够方便应用。幸运的是，基本降压开关电路在实现这些特性的时候表现的非常好，所以LED驱动一般选择降压型开关电源。 恒流输出级 开关调整器最常用的是电压调整器。图1a为一种基本恒压型降压调整器。降压控制器可以在输入电压变化的情况下，通过控制占空比或频率的变化使输出电压保持恒定。输出所需的电压由下面的公式计算得到(Eq. 1) 式1 图1a：基本降压型电压调整器。 电感L用来设置电感电流纹波的峰-峰值ΔIpp的大小，电容Co用来设置输出电压纹波和输出电压的负载瞬态响应。在这种降压型逆变器中电感的平均电流等于负载电流，因此我们可以通过控制电感电流纹波的峰-峰值来控制负载电流。这样可以使电压源控制的方式转换成电流源控制的方式。图1b为一种基本电流型降压调整器。与恒压型相似，恒流型降压调整器可以在输入电压变化的情况下，通过控制占空比或频率的变化使输出电流IF保持恒定。输出所需的电流由下面的公式计算得到(Eq. 2)： 式2 图1b：基本电流型降压调整器。 在我们设定好LED电流IF之后，我们必须准确的检测电感上的电流。从理论上来说，检测电感电流有很多方式，例如利用MOSFET的导通阻抗Rdson检测或者用电感的直流电阻检测。但是实际上这些检测方式在精度上不能满足LED电流设置的要求(高亮度LED的精度为5%-15%)。如果直接用电阻RFB来检测IF，这样在精度上就可以满足要求，但是在电阻上将会产生额外的功耗。降低反馈电压VFB，在同样的检测电流IF (图. 2)的情况下可以降低检测电阻的阻值，这样就可以使功耗降到最低。最新的LED驱动大多数提供的参考电压(反馈电压)在50-200毫伏之间。 恒流降压调整器独特之处在于输出可以不需要电容。因为有连续的输出电流和不存在负载瞬态变化，这个调整器中输出电容的作用只是局限于电流滤波器。当我们设置成没有电容的恒流型降压调整器时，此时输出阻抗将大幅增加，而对于升压型来说，由于输出阻抗增加，为了满足输出电流恒定，输出电压也将会大幅增加。结果调光的速度和调光的范围都有了显著的提高。在应用过程中，从背光和机器视觉角度来说调光的范围是一种非常有价值的特性。 在另一方面，由于输出电容不足，AC电流的纹波电路需要比较大的电感，以满足LED纹波的要求(正向电流ΔIF = ±5 到20%)。在同样的电流纹波时，大电感会增加面积和LED驱动的成本。因此在恒流降压电路中，输出电容的使用要在成本、面积和调光的速度、范围之间经行权衡。 例如，用纹波电流驱动一个1A的白光LED(VF ≈ 3.5V)，ΔIF需要满足±5%范围内，输入电压12V，频率为500kHz，在电感电流幅度为1.1A时，只能允许使用50mH的电感。然而如果电感的纹波电流允许增加±30%，那么电感将会小于10mH。如果10mH和50mH电感在使用相同的材料和相同的额定电流的情况下，在成本和体积方面，10mH大概只是50mH的一半。为了用10mH电感实现需求的ΔIF (±5 %)，输出电容需要根据LED的动态电阻rD和检测电阻RFB和在此开关频率下电容的阻抗来计算，可以利用下面的表达式(Eq. 3) 式3 式4： 式4 环路控制结构 基于降压的结构可以与很多环路控制结构很好的匹配，而且不用考虑稳定性的限制，例如右半平面零点问题。除了和其他调光方法兼容以外，这种降压结构使得PWM调光变得容易。基于这种结构的LED驱动可以使系统设计人员提供更多的选择。滞回控制非常适合在开关频率变化比较快和输入范围比较小的情况下应用，例如白纸灯泡和交通灯。由于滞回控制不用考虑稳定性限制，所以不需要考虑环路补偿。不像环路控制那样受带宽限制。利用滞回控制驱动降压LED驱动(图.2a)使设计变得简单，也减少了器件数量和成本。这种结构也使PWM调光的范围比其他结构好。利用滞回控制的LED驱动非常适合在要求调光范围非常大和调光频率比较高以及开关频率变化非常大的情况下应用。 图2a：基本的滞回控制降压驱动。 类似的滞回降压LED驱动可以在固定频率操作和不需要开关频率变化的滞回控制之间提供了一个比较好的折中方案。控制开启时间的降压LED驱动(图2b)使用了一个滞回比较器和开启时间控制器。让开启时间与输入电压成反比，这样可以让开关频率的变化减少的最小。运用这种结构同样可以避免环路控制的带宽限制。运用不同的调光结构可以让调光范围变得非常宽。 图2b：开启时间控制的降压LED驱动。 在一些情况下，例如许多自动控制应用中，LED驱动与外部时钟或与驱动之间进行同步时要求减少噪音的干扰。在没有时钟的滞回控制和准滞回控制的结构在执行同步频率时会带来困难。相比来说，这个问题对于由时钟控制的调整器来说就比较容易实现，例如图2c中固定频率的降压LED驱动。固定频率控制可以解决这个复杂的问题，但是由于它动态响应的限制也影响了调光的范围。 图2c：基本的固定频率的降压LED驱动。 总之，降压LED驱动的很多特点使其变得很有吸引力。它可以很容易设置成电流源，也可以实现最少的外围元器件，器件少可以使得设计变得简单，提高驱动的稳定性，也可以减少成本。降压结构的LED适合很多种控制方式使其应用的灵活性比较高。它输出可以省略输出电容，也可以与其他不同的调光方式进行很好的匹配，这些特点可以允许它在高速调光和宽范围调光的情况下应用。当应用允许的情况下，所有的这些特点使得降压LED驱动的拓扑结构有了很多的选择。 什么样的应用条件不允许使用这种结构呢？例如家用或商用的照明需要上千流明，设计一种方法来驱动一个LED串。LED串上的总的正向压降等于其中每个LED正向压降之和。在一些情况下，系统的输入电压范围可能比一串LED的正向压降低，或者有的时候高有的时候低。这些情况下有可能会需要升压结构，也有可能会需要降-升压开关调整器。在下一部分，我们将会讨论升压和降-升压结构的LED驱动。 作者简介 Sameh Sarhan：加利福尼亚州圣克拉拉县，主要从事于中压/高压电源管理的应用工程师。从1998年开始，开始涉及电源电子。曾经在联邦无线电委员会和Vicor公司工作。工作经验包括设计软/硬开关电源，从几瓦到600瓦开关电源。Sameh1996年在开罗大学(埃及)电子工程系取得学士学位。 Chris Richardson：中压和高压的应用工程师。他的主要工作是划分任务，包括实验室工作、新ic评估、规格书的书写和应用注意事项等文档工作、培训现场工程师工作。2001年加入国家半导体以来，Chris工作的重点主要是同步控制器和调整器。在最近的3年，他主要是关注于高亮度LED在汽车和工业方面的应用。Chris拥有维吉尼亚工学院和州立大学的学士学位。下页为英文原文参考 A matter of light, Part 2--- Buck whenever possible By Sameh Sarhan and Chris Richardson, National Semiconductor In part one of this series, we thrashed out the basics of LED lighting sources and their driving requirements. The performance of simple driving techniques, such as voltage sources/ballast resistors and linear regulators, fall short as the complexity and input power requirements of LED-based lighting sources increase. Thus a more sophisticated switch-mode LED driver is required. So what would be the topology of choice? In part 2, we discuss why a constant-current buck converter should be the first preference when it comes to switch-mode LED drivers or, in other words, why the buck should be used whenever possible. The rapid adoption of LEDs in various applications makes simple drive solutions such as linear regulators impractical in many cases. In general, simple drive schemes continuously dELiver power from the input source to the driver's output while using resistive elements to program the desired LED forward current. For the same LED current, the losses in these resistive elements increase considerably as the line voltages increase. For example, a linear regulator based LED driver yields 70 percent efficiency when supplying 1 amp from a 5-volt input source to a typical white InGaN LED (VF = 3.5V). Under the same operating conditions, the driver's efficiency will drop to approximately 30 percent when the input voltage increases to 12 volts. Such poor efficiencies require impractical thermal management schemes. Switching regulators Switching regulators improve the conversion efficiency. They interrupt the power flow while controlling the conversion duty cycle to program the desired output voltage or output current. Interrupting the power flow results in pulsating current and voltage and therefore it necessitates the use of energy storage elements (inductors and/or capacitors) to filter these pulsating waveforms. Contrary to linear regulators, switching regulators can be configured in different arrangements to realize voltage or current step-down (buck), step-up (boost) or both (buck-boost) functions. They are also capable of achieving high conversion efficiencies across wide input/output range. Replacing the linear regulator with a buck-based LED driver in the previous example yields 95 to 98 percent efficiency across the 5-to-12 volt input range. The configuration flexibility and the efficiency improvements of switching regulators come at the expense of higher noise generation caused by the periodic switching events, as well as higher premiums and reduced reliability due to their perceived complexity. Constant-current LEDs favor regulator topologies that can be simply configured as a constant-current source. The selected topology should also combine high performance with minimum component-count to increase the driver's reliability and to reduce cost. It should also facilitate the use of various dimming techniques to take advantage of the LEDs dynamic light- tuning characteristic. Fortunately, the most basic step-down (buck) switching topology enjoys all these characteristics, making it the regulator of choice to drive LEDs whenever possible. Constant-current power stage Switching regulators are most commonly known as voltage regulators. Figure 1a illustrates a basic constant-voltage buck regulator. The buck controller maintains a constant output voltage as the line voltage changes by varying the operating duty cycle (D) or the switching frequency. The desired output voltage set point is programmed using the following equation (Eq. 1): Eq. 1 Fig. 1a: Basic step-down (buck) voltage regulator. The inductor, L, is selected to set the peak-to-peak current ripple, ΔIpp, while the capacitor, Co, is selected to program a desired output-voltage ripple and to provide output-voltage hold-up under load transients. The average inductor current in a buck converter is equal to the load current, and, therefore, we can set the load current by controlling the peak-to-peak inductor-current ripple. This significantly simplifies the conversion of a constant-voltage source into a constant-current source. Figure 1b illustrates a basic constant-current buck regulator. Similarly, constant-current buck regulators provide line regulation by adjusting the conversion duty cycle or the switching frequency, and the LED current, IF, is programmed using the following equation (Eq. 2): Eq. 2 Fig. 1b: Basic step-down (buck) current regulator. After we set the LED current, IF, we must properly sense the inductor current. Theoretically, multiple current sense schemes such as MOSFET Rdson sensing and inductor DCR sensing can be used. However, practically, the current sense precision of some of these would not meet the required LED current set point accuracy (5 to 15 percent for a high brightness LED (HB-LED). If we directly sense IF through an inline resistor, RFB, we can secure the needed precision, but there may be excessive power dissipation in the current-sense resistor. Lowering the feedback voltage, VFB, allows the use of lower resistance values for the same IF (Eq. 2), which minimizes losses. The newer dedicated LED drivers generally offer reference voltages (feedback voltages) within the range of 50 to 200 millivolts. Uniquely, constant-current buck-driven regulators can be configured without output capacitance. The use of the output capacitor, Co, in these regulators is limited to AC current filtering since they inherently do not experience load transients and have continuous output currents. When we configure a constant-current buck regulator without output capacitance, we substantially increase the converter's output impedance and, in turn, boost the converter's ability to rapidly change its output voltage so that it can maintain a constant current. As a result, the dimming speed and dimming range of the converter improve significantly. Wide dimming range is valuable feature in applications such as backlighting and machine vision. On the other hand, lacking the required output capacitance, AC-current-ripple filtering circuitry necessitates the use of higher inductance values in order to meet the LED manufacturers recommended ripple current (ΔIF = ±5 to 20 percent of the DC forward current). At the same current rating, higher inductance values increase the size and cost of the LED driver. Consequently, the use of output capacitors in constant-current buck-based LED drivers is governed by a tradeoff between cost and size versus dimming speed and dimming range. For example, in order to drive a single white LED (VF ≈ 3.5 volts) at 1 amp with a ripple current, ΔIF, of ±5 percent from an input of 12 volts at 500 kHz requires a 50 microhenry inductor with a current rating of 1.1 amps. However if the inductor ripple-current is allowed to increase to ±30 percent, then the inductance required is less than 10 microhenries. For the same core material and at approximately the same current rating, a 10 microhenry inductor will be typically offered at roughly half the size and cost of a 50 microhenry inductor. To attain the desired ΔIF (±5 percent) using the 10 microhenry inductor, the output capacitance required is calculated based on the dynamic resistance, rD, of the LED, the sense resistance, RFB, and the impedance of the capacitor at the switching frequency, using the following expression (Eq. 3): Eq. 3 where (Eq. 4): Eq. 4 Control-loop schemes Buck-based power stages are well-matched to several control-loop schemes and free of stability limitations such as right-half-plane zeros. They uniquely facilitate the shunt PWM dimming approach in addition to being compatible with other dimming methods. This provides the system designer with configuration flexibility when designing an LED driver for specific requirements. Hysteretic control is well-suited for applications such as light bulbs and traffic lights, in which variable switching frequencies are tolerated or where narrow input-voltage range supplies are used. Hysteretic control doest not experience control-loop bandwidth restrictions, which eliminates the need for loop compensation because of its inherent stability. Utilizing hysteretic control to drive a buck-based LED driver (Fig. 2a) greatly simplifies the design as well as reduces the component count, and the cost of the driver. This configuration also yields superior PWM dimming ranges that outperform other buck-based schemes. Using hysteretic buck-based LED drivers with the shunt-dimming approach is well-suited for applications that require ultra-wide dimming ranges at high dimming frequencies and that can tolerate variable switching frequencies. Fig. 2a: Basic hysteretic buck-based driver. Quasi-hysteretic buck-based LED drivers offer a good compromise between fixed-frequency operation and hysteretic control for applications in which variable switching frequencies may not be desired. The controlled on-time (quasi-hysteretic) buck-based LED driver (Fig. 2b) employs a control scheme based on a hysteretic comparator and a one-shot on-timer which is used to set a controlled on-time. This controlled on-time is programmed so that it is inversely proportional to the input voltage, and, therefore, it minimizes the switching frequency variations as the line voltage changes. Using this scheme also eliminates the need for control-loop bandwidth limitations, enabling it to achieve wide dimming ranges when used with different dimming configurations. Fig. 2b: Basic controlled on-time buck-based LED driver. In some cases, as in a number of automotive applications, synchronizing the LED driver(s) to an external clock or to each other may be required to minimize noise interference. Implementing the frequency synchronization feature with the non-clock-based hysteretic and quasi-hysteretic scheme can be challenging. In contrast, this feature can be simply realized in clock-based regulators such as the fixed-frequency buck LED driver shown in Fig. 2c. Fixed frequency control generally yields a more complex solution, and it limits the dimming range of the driver regardless of the dimming approach due to its dynamic response limitations. Fig. 2c: Basic fixed-frequency buck-based LED driver. In summary, there are many characteristics that make buck-based regulators attractive LED drivers. They are simple to configure as a current source and can be realized with minimum component counts, which simplifies the design process, improves the drivers' reliability, and reduces cost. Buck-based LED drivers also provide configuration flexibility since they are compatible with multiple control schemes. They also allow for high-speed dimming as well as wide dimming ranges since they can be configured without output capacitance and are well-matched to various dimming approaches including shunt dimming. All these features make buck-based (step-down) LED drivers the topology of choice whenever the application permits. What if the application does not permit their use? Applications such as residential and commercial lighting require thousands of lumens, creating a need to drive LED strings. The total forward voltage drop of an LED string is equal to the sum of the forward voltage drops of all the LEDs in the string. In some cases, the input voltage range of the system can be lower than the forward voltage drop of the LED string, or it can vary so that sometimes it's lower and sometimes it's higher. These scenarios would require either boost, or buck-boost switching regulators. In the next installment, we discuss the challenges of using boost and buck-boost topologies to drive LEDs. About the authors Sameh Sarhan is a staff applications engineer for the Medium Voltage/High Voltage Power Management group in Santa Clara, CA. He has been involved with power electronics in various forms since 1998, having worked for FRC Corp. and Vicor Corp. His experience includes the design of hard/soft switching power supplies from a few watts to 600 watts. Sameh received a bachelor's degree in electronics engineering in 1996 from Cairo University (Egypt). Chris Richardson is an applications engineer in the Power Management Products group, Medium and High Voltage Division. His responsibilities are divided between lab work, bench evaluation of new ICs, written work such as datasheets and applications notes, and training for field engineers and seminars. Since joining National Semiconductor in 2001, Chris has worked mainly on synchronous buck controllers and regulators. In the last three years he has focused on products for the emerging high brightness LED market in the automotive and industrial areas. Chris holds a BSEE from the Virginia Polytechnic Institute and State University. 来源：美国国家半导体公司

红外热像仪成LED应用和发展的关键因素

LED作为取代传统照明工具（如白炽灯、卤素灯等）的新型光源，其散热效果严重影响LED的实际使用寿命，散热工艺成为LED应用和发展的关键因素，红外热像仪可以进行LED温度检测，帮助验证散热工艺。 事实上，LED的实际寿命与工作温度往往成反比，如LED使用寿命在工作温度为74℃为10000小时、63℃为25000小时，小于50℃时，则可为50000小时。根本原因是LED的光电转换效率极差，大约只有15%至20%左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此，当大量使用高功率的LED于一块模组，应用于高亮度的操作时，这些极差的转换效率将造成散热处理的大问题。 热像仪不仅在研发过程中能够发挥作用，而且也可以应用在产品的品质管理等方面。 1研发:主要是对LED模块驱动电路（包括电源）、光源半导体发热分布分析、及光衰测试等。 a）LED模块驱动电路 在LED产品研发中，需要工程师进行一部分驱动电路设计，例如整流器电路模块。利用热像仪，工程师可以迅速而便捷地发现电路上温度异常之处，便于完善电路设计。 b）LED光源半导体芯片发热 利用热像仪，工程师可以通过光源半导体芯片发热红外热图，分析出其芯片在工作时的温度，以及温度的分布情况，在此基础，达到提高LED产品寿命的目的。 c）光衰试验 LED产品的光衰就是光在传输中的信号减弱，而现阶段全球的LED大厂们做出的LED产品光衰程度都不相同，大功率LED同样存在光衰，这和温度有着直接的关系，主要是由晶片、荧光粉和封装技术决定的。目前，市场上的白光LED其光衰可能是向民用照明进军的首要问题之一。 2品质管理 a）半导体照明：吹制灯泡均匀性 通过热像仪抓拍产线玻璃吹泡的过程，进行参数修正，改善掐口工艺，可以有效提高产品成品率，降低成本。 b）LED检测芯片封装前的温度 LED芯片封装前检测温度可以避免封装后因温度异常，降低废品率。此阶段手不能接触表面，热像仪能够很好的帮助客户发现此处的问题，作为流水线检测工具。 c）LED成品显示屏开机测试 LED显示屏完成后，要做最后验收，通过不同颜色的测试来看屏幕是否符合交货的要求，目前大多数企业都没有这个流程。使用热像仪后，能够为厂家完善产品检测标准，提高产品质量。 典型客户 大晨光电、飞利浦照明等。 红外热像仪的独特作用 在使用热像仪前，LED产品企业一直都没有很好的解决这个问题手段或方法。热像仪能够发挥独特作用： 1通过红外线热像仪检测目标时，不需要断电，操作方便，同时非接触测量使原有的温度场不受干扰；反应速度较快，小于1毫秒。 2Fluke热像仪IR-Fusion技术：用户采用Fluke专利IR-Fusion技术除了可以拍摄红外图像外，还可以同时捕获一幅可见光照片，并将其融合在一起，有助于第一时间识别和定位故障。 拍摄时可能会遇到哪些问题？ 可能由于观察目标较小，使用160×120热像仪时，会发生很难发现准确的故障点，需要我们更换320×240热像仪（甚至需要更换镜头）进行检测。 如何才能拍摄优质红外热像？ 使用热像仪进行拍摄时，若要得到一幅优秀的红外热图，我们建议： 1需要分辨较小温差的场合，尽量选择热灵敏度较高的热像仪； 2先用自动模式测量温度范围；然后手动设置水平及跨度，将温度范围设置在最小，并包含有先前测量的温度范围。来源：中国化工仪器网