作者：刘祖明
出版社：电子工业出版社
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LED照明应用基础与实践试读：
前言
LED问世于20世纪60年代初，1964年出现红光LED，然后出现黄光LED。直到1994年才研制成功蓝光、绿光的LED。1996年由日本日亚公司成功开发出白光LED。LED以省电、寿命长、耐震动、响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明及家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等领域。近年来，人们对半导体发光材料不断研究，随着LED制造工艺的不断进步及新材料的应用，使各种颜色LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，LED可以显示可见光波段的所有颜色，超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明市场。
21世纪，人们开始关注温室气体排放源、能源消耗及其对气候的影响。有关低效能耗的分析令全球立法转而支持逐步淘汰甚至最终禁止使用白炽灯泡。我国2011年发布逐步淘汰白炽灯路线图，再次表明我国政府深入开展绿色照明工程，大力推进节能减排，积极应对全球气候变化的坚强决心和采取的积极行动，将会对我国乃至全球淘汰白炽灯进程产生重要而深远的影响。随着国家推出“十城万盏”方案，上海世博会采用LED灯具，LED在各个领域中的应用日益广泛。
高亮度LED是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。LED作为一种新型的照明技术，其应用前景举世瞩目，LED被誉为21世纪照明最有价值的光源，必将引起照明领域一场新的革命。随着LED技术的不断创新和发展，使得LED在照明领域得以推广应用。在照明领域，LED照明灯具因为具有体积小、重量轻、方向性好、节能、寿命长、动态变幻、色彩丰富、抗震等特点而适用于各种恶劣环境条件，LED照明灯具必将对传统的照明光源市场带来冲击，成为一种很有竞争力的新型照明光源。
LED照明技术的发展与应用已引起了国内外光源界的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产业。LED照明灯具产品的开发、研制、生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。目前，由于LED照明技术的广泛应用及其潜在的市场，LED照明灯具显示出了强大的发展潜力，并已形成一条完整的LED照明灯具产业链。
本书结合国内外LED照明技术的应用和发展，全面、系统地阐述了LED照明技术的基础知识和最新应用。全书共分为9章，系统地介绍了LED照明基础知识、LED驱动电路、LED应用基本知识与LED应用常见故障、LED照明灯具的设计与组装等内容。本书题材新颖实用，内容由浅入深，循序渐进，通俗易懂，图文并茂，是一本具有很高实用价值的LED照明技术入门指南。
全书由刘祖明、丁向荣编著，刘祖明编写了第1～6章、附录A～C，丁向荣编写了第7～9章。刘祖明负责全书的统稿工作。参加本书编写的还有刘文沁、钟柳青、钟勇、张安若、祝建孙、刘国柱、刘艳生、刘艳明、邱寿华等。
本书在写作过程中参考了大量书籍，不能一一列举，同时也引用了互联网上的资料，在此向这些书籍和资料的原作者表示衷心的感谢。在写作过程中，资料收集和技术交流方面都得到了国内外专业学者和同行的支持，在此向他们也表示衷心的感谢。
本书的所有实例都经过编著者的实际应用，但由于LED照明设计涉及面广，实用性强，加之编著时间仓促，以及作者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。
同时感谢读者选择了本书，希望我们的努力能对您的工作和学习有所帮助，也希望广大读者不吝赐教。编著者 第1章LED照明基础知识1.1 光的基本知识1．光的基本特性
光在电磁波中只占很小一部分，人眼只能接收380～780nm的光，称为可见光。人眼接收到可见光，就会产生视觉效应。如果人眼接收到760nm左右波长的光波，就发生红色的视觉效应，波长短些为橙色。由此就会产生红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色。波长、振幅及频率之间的关系如图1-1所示。图1-1 波长、振幅及频率之间的关系
频率（Frequency）是指在单位时间内完成振动（或振荡）的次数或周数。通常用符号f表示，等于周期T的倒数，即f＝1/T，单位为赫兹（Hz）。
电磁波的辐射波谱如图1-2所示。图1-2 电磁波的辐射波谱
电磁波谱波长区域如表1-1所示。表1-1 电磁波谱波长区域电磁辐射种类波长范围无线电波0.1m以上红外线780nm以上红630～780nm橙600～630nm黄570～600nm可见光绿500～570nm青470～500nm蓝420～470nm380～420nm紫紫外线10nm以上，380nm以下Χ射线0.005nm以上，100nm以下γ射线0.0005nm以上，0.1nm以下比γ射线更短宇宙射线2．光的常用术语
1）发光强度（Luminous Intensity） 又称为光度或光强。发光强度是指点光源在某方向的光强，符号为I，单位是坎德拉（cd）。其定义为光源在这一方向上立体角内发射的光通量与该立体角之商。光强常用于说明光源和照明灯具发出的光通量在空间各方向或在选定方向上的分布密度。
说明
1cd＝1lm/sr（流明每球面度）。
2）光通量（Luminous Flux） 光源发射并被人的眼睛接收的能量之和即为光通量，记为Fv，单位是流明（lm）。一般情况下，同类型的灯的功率越高，光通量也越大。光通量又称为光束，是国际上通常的人眼视觉特性评价的辐射通量。在照明工程中，光通量是考察光源发光能力的基本量。
说明
流明（lumen；lm）是光通量的单位，均匀发光强度的1烛光（坎德拉）的点光源，在单位立体角内所发射的光通量为1lm；或者所有距此光源均为单位距离处的单位面积上所接收的光通量为1lm。
3）亮度（Luminance） 是指光源或受照物体反射的光线进入眼睛，在视网膜上成像，使我们能够识别它的形状和明暗。亮度是一单位表面在某一方向上的光强密度。它等于该方向上的光强与此面在这个方向上的投影面积之商，用符号L表示。亮度单位是坎德拉每平2方米（cd/m）。
4）照度（Illuminance） 是指受照射平面上接收的光通量的面密度，符号为E。照度的单位是勒克斯，符号为lx。
说明2
1lx等于1lm的光通量均匀分布在1m表面上所产生的照度，即1lx2＝1lm/m。照度表示被照物体照得有多亮，是照明设计中一个重要的指标。
光通量、光强、照度、亮度之间的关系示意图如图1-3所示。图1-3 光通量、光强、照度、亮度之间的关系示意图
5）色温（K） 以绝对温度（开尔文）来表示。将一标准黑体加热，温度升高至某一程度时颜色开始由深红、浅红、橙黄、白、蓝白、蓝红、蓝色，逐渐变化。利用光色变化特性，某光源的光色与黑体的光色相同时，将黑体当时的绝对温度定义为该光源的色温。一般情况下，在高照度环境中建议使用高色温的光源，在低照度环境中建议使用低色温的光源。
说明
色温与发光材质无关，只与温度有关。
6）显色指数（Ra） 光源对物体的显色能力称为显色性。通俗地讲显色指数指的是光源发出的光中各种颜色含量的程度，即某光源照射的物体所产生的心理感官颜色与该物体在标准光源照射下的心理颜色相符合的程度的参数。显色指数的分类与应用如表1-2所示。表1-2 显色指数的分类与应用平均显色评价数值显色指数分组应用范围Ra色检查、临床检查、美术Ra＞90Ⅰ馆、印刷、广告住宅、饭店、商店、医90＞Ra≥80院、学校、精密加工写字Ⅱ楼、印刷厂等80＞Ra≥60Ⅲ一般作业场所60＞Ra≥40粗加工工厂Ⅳ储藏室等变色要求不高的Ⅴ40＞Ra≥20场所
说明（1）显色指数越高，色彩失真越小。通常用正常日光作为准标准光源。国际照明委员会（CIE）把太阳的显色指数定为100。（2）显色指数高的光源，对颜色的表现较好，人眼所看到的颜色也就越接近自然原色。显色指数低的光源，对颜色的表现较差，人眼所看到的颜色偏差也较大。
说明
显色指数越高，显色性越好；色温越高，偏蓝色给人的感觉越清爽；色温低，偏红色给人一种鲜艳温暖感。
7）光源效率（简称光效） 是以其所发出的光的流明除以其耗电量所得之值，即
光源效率（lm/W）＝流明（lm）/耗电量（W）
说明
光源效率是指每一瓦电力所转换成光的量，其数值越高表示光源效率越高。光源效率通常是一个重要的考虑因素。
常用光源光效如表1-3所示。表1-3 常用光源光效光源种类光效（lm/W）光源种类光效（lm/W）白炽灯泡1616石英卤素灯2525水银灯6565普通日光灯7575三基色荧光灯8888T5荧光灯92eHF荧光灯104高压钠气灯130低压钠气灯200
8）寿命 平均寿命指一批灯泡点灯至其50％的数量损坏不亮时的小时数。
在长期制造的同一形式的灯具点灯2.5h，灭灯0.5h的连续反复试验条件下，到“大多数灯不能再灭亮为止的点灯时间”或“全光束下降到初光束的70％时的点灯时间”中的短时平均值定义为额定寿命。
经济寿命指在同时考虑灯泡损坏以及光衰状况下，其总和光束输出减至一特定比例的小时数。此比例一般用于室外的光源为70％，用于室内的光源为80％。
9）光通维持率（Luminous Flux Maintenance） 灯在规定的条件下点燃，灯在寿命期间内一特定时间的光通量与该灯的初始光通量之比，以百分数来表示。
说明
国标要求是2000h不小于78％，国外先进水平是2000h不小于90％，美国能源之星标准是40％额定寿命时不小于80％。
10）照明功率密度（Lighting Power Density，LPD） 单位面积2上的照明安装功率（总功率），单位为瓦特每平方米（W/m）。1.2 照明布线基础知识1．接线方式
传统灯具的接线方式是放射式﹑树干式﹑混合式，还有环链式，如图1-4所示。大多数情况下，常用的接线方式是树干式和混合式。图1-4 接线方式2．照明设计布线的注意事项
1）安全用电注意事项 在特别潮湿、高温﹑导电性灰尘﹑导电性地面的地方，需要特别注意用电的安全。保证用电的安全有很多方法，最常见的是将灯具的金属外壳接地，也有的用PVC等绝缘材料将线路中容易漏电的地方进行处理或者将整个用电场所围起来只让专业人员进入。
2）电气设备干扰 照明灯具可能会被电网中的其他电气设备干扰。如果有大型的电气设备，每次只要使用电气设备，照明灯具就不能正常工作。笔者建议对灯具供电网进行改造，从而彻底解决问题。
3）对实际场所考察与实施安装 对线路进行改造或者需要制定新的线路方案时，就需要对线路方案的实施进行实际场所的安装考察，以保证方案在实际施工中的可行性。照明布线时，一般导线是在PVC管或钢管中穿过的。管子的截面积一般比线大一倍。为了保证布线的可靠性，导线在管子内是不可以有接头和扭结的，其接头应在专门的接线盒内连接。不同回路的导线不应同穿于一根管子，不同电压的导线不应同穿于一根管子，交流与直流的导线不应同穿于一根管子。因此要注意照明布线经过的地方是否能按这些要求装下管子和接线盒。照明布线中，人容易碰到的电缆，应配有一定机械强度的保护管或加装保护罩。同时根据实际需要对安装地方加保护管或保护罩。3．常用电力电缆（PVC）
常用电力电缆（PVC）载流量与芯线粗细的关系如表1-4所示。表1-4 常用电力电缆（PVC）载流量与芯线粗细的关系
说明
如果不知道电力电缆（PVC）的线径，可以通过实际测量利用公2式S＝πR（S就是电缆线芯线标称截面面积，R为电缆线芯线标称截面那个圆形的半径）估算出来。
常用电力电缆（PVC绝缘铜芯）基本参数如表1-5所示。表1-5 常用电力电缆（PVC绝缘铜芯）基本参数成品近似重量标称截面面积近似外径最大直流电阻2）（mm（mm）（Ω/km）（kg/km）1.02.818.110.91.53.312.113.62.53.97.4123.34.04.44.6135.26.04.93.0854.510.07.01.8375.816.08.01.15110.725.010.00.727183.735.011.50.524278.21.3 照明灯具及照明设计1．照明灯具的基本特点
照明的目的以能舒适地看清楚所视对象，提高工作效率为主。如机关单位、办公室、学校、工厂、交通及住宅等工作活动场所的功能性照明与装饰性照明等均以照明良好为条件。功能性照明要求根据不同的空间、不同的场合、不同的对象选择不同的照明方式和灯具，并保证恰当的照度和亮度。装饰性照明主要是烘托一种温暖、和谐、浪温的情调，体现舒适、休闲的氛围。功能性照明与装饰性照明的条件与要求如表1-6所示。表1-6 功能性照明与装饰性照明的条件与要求项目项目名称功能性照明装饰性照明序号 照度根据需要而定，不1照度 以高照度为标准一定要求高照度 照度按重要点配置，重 尽可能要求照度2均匀性要点的照度要高，周围较均匀暗 尽可能将眩光减 视场所应用而定，必要3眩光少至最低程度（直时利用适度的眩光以达到射与反射光源）气氛要求 在手部不造成阴 强调立体感，必要时须4方向性影的情况下，做适要求强烈的方向性当的光扩散配置 配合室内装修及装潢材 尽可能与自然光料，选择适当光色或合适光质及光色5相近，并要求不产色温的光源。室内反射光（色温）生紫外线及红外线及合成的色感必须充分表现 灯具的设计简 考虑第2～4项要求，选单，视觉上应满足择间接型灯具、半间接型灯具的形式6明快舒适，同时必灯具、直接型灯具的照明及配置须满足上面第2～4方式，来改变室内的高度项的要求及宽度的感觉 以实际状况为主，以达 以节能、高效率7效率及节能到气氛要求优先并结合节灯具为主能的要求 就经济观点而 能配合气氛效果变化，言，必须能简易操8开关及调光必须能简易操作开关控制作开关控制点亮、点亮、熄灭及调光功能熄灭2．灯具的功能● 视安装场所的功能与用途，有效地利用灯光，使灯光的分布合理。● 防止或限制眩光，保护视力。● 提高光源光通量输出的利用率，取得节能效益。● 灯具外表美观，能美化环境，照明光效达到环境需求。● 保证灯具使用安全，防止发生事故，如防火、防爆等。● 保护灯具光源，免致受损，且能防湿、防潮、防水等。3．照明灯具的配光方式
配光目的是重新分配灯具光源发出的光线分布，以达到功能、艺术或生理上的照明效果。配光实现方式有反射式（反光杯）、透射式（透镜、透光导光板、透光膜）。
国际照明委员会（CIE）根据灯具直接照到顶棚和地板上的光输出比例，将灯具分为5类：直接型灯具、间接型灯具、半直接型灯具、半间接型灯具和均匀扩散型灯具。
1）直接型灯具 光线通过照明灯具射出，其中有90％～100％的发射光通量直接到达假定的工作面上（向上光通量占0％～10％）。
2）间接型灯具 此类灯具中，10％以下的发射光通量直接到达假定的工作面上，其余90％～100％的光通量先射向上方，然后通过反射间接地作用于工作面上（向上光通量占90％～100％）。
3）半直接型灯具 此类灯具60％～90％的发射光通量向下并直接到达假定的工作面上，剩余的发射光通量是向上的，通过反射作用于工作面（向上光通量占10％～40％）。
4）半间接型灯具 主导照明方向是指向非工作面的，通过反射来对工作面进行照明（向上光通量占60％～90％）。
5）均匀扩散型灯具 此类灯具向上、下空间发射出的光通量大致相等，分别占了灯具总光通量的40％～60％（向下光通量占10％～40％）。4．电光源的分类
电光源的分类如图1-5所示。
说明
目前国内外电致发光器件有LED与OLED两种。5．照明设计
照明设计分为数量化设计与质量化设计两种。数量化设计是照明设计的基础，其目的是根据场所的功能和活动要求确定照明等级和照明标准（照度、眩光限制级别、色温和显色性）来进行数据化处理计算。同时还在此基础上进行质量化设计，其目的是以人的感受为依据，考虑人的视觉和使用的人群、用途、建筑的风格，尽可能多地收集周边环境（所处的环境、重要程度、时间段）等多种因素，做出合理的决定来进行综合考虑。图1-5 电光源的分类
照明设计其实就是灯光设计，灯光是一个较灵活及富有趣味的设计元素，可以成为气氛的催化剂，是一室的焦点及主题所在，也可以加强现有装潢照明设计的层次感。
随着LED的出现，照明设计理论也随着LED的优点在不断发展。目前主要有情景照明与情调照明两种。
情景照明是由飞利浦公司提出的，是以环境的需求来设计灯具。同时也以场所为出发点，旨在营造一种漂亮、绚丽的光照环境，去烘托场景效果，使人感觉到有场景氛围
情调照明是由凯西欧公司提出的，是以人的需求来设计灯具。同时是以人情感为出发点，从人的角度去创造一种意境般的光照环境。情调照明包含环保节能、健康、智能化、人性化四个方面。
情调照明与情景照明是不同的，情景照明是静态的，强调场景光照的需求，而不能表达人的情绪。情调照明是动态的，可以满足人的精神需求的照明方式，使人感到有情调。从某种意义上说，情调照明涵盖情景照明。6．照明设计相关概念
1）眩光（Glare） 由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。由于亮度分布或范围的不合理分配或空间、时间上的强烈反差，而引起的不舒适视觉条件或观察能力的下降。
2）配光曲线（Distribution Curve Flax） 配光曲线的单位是cd/klm（读法为：坎德拉每千流明），配光曲线是灯具的特有性质，同一种类型的灯具，无论功率大小，其配光曲线都完全一样。通过灯具配光曲线和灯具的光通量，可以算出任意方向的光强和确定距离处的照度。
说明
从配光曲线上我们也可看出灯具的配光性质，如投光灯具有对称狭长形的配光曲线，泛光灯具有扁平形的配光曲线，非对称灯具的配光曲线是非对称的。
3）照度均匀度（Uniformity Ratio of Illuminance） 照度均匀度是指区域内的最小照度与平均照度之比。在固定照明设计中，灯具总要安装一定的高度，且每两只灯具之间有一定距离。当高度一定时，灯具之间距离越小，照度的均匀度越高，距离大了，照度就不均匀。这时均匀度只与灯之间的距离和高度之比有关。
说明
照度的均匀度等于0.8，被认为是设计允许照度均匀度的最小值。灯具的距高比是灯具安装时，照度的均匀度不小于0.8的灯具之间距离与灯具安装高度之比，记为L/H。
4）灯具效率（Luminaire Efficiency） 在相同的使用条件下，灯具发出的总光通量与灯具内所有光源发出的总光通量之比，也称光输出比。
5）维护系数（Maintenance Factor） 照明装置在使用一定周期后，在规定表面上的平均照度或平均亮度与该装置在相同条件下新装时在同一表面上所得到的平均照度或平均亮度之比。
6）一般照明（General Lighting） 为照亮整个场所而设置的均匀照明。
7）局部照明（Local Lighting） 特定视觉工作用的，为照亮某个局部而设置的照明。
8）混合照明（Mixed Lighting） 由一般照明和局部照明组成的照明。1.4 LED封装形式
LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。自20世纪90年代以来，LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破。LED的上、中游产业受到前所未有的重视，进一步推动下游的封装技术及产业发展，采用不同封装结构形式与尺寸，不同发光颜色的管芯及双色、三色组合方式，可生产出多种系列、品种、规格的产品。1．LED封装形式概述
1）封装的必要性 LED芯片只是一块很小的固体（芯片），LED芯片的两个电极要在显微镜下才能看见，加入电流之后，LED芯片才会发光。在制作工艺上，除了要对LED芯片的两个电极进行焊接，引出正、负极引脚之外，同时必须对LED芯片和两个电极焊接地方进行保护。
2）封装的作用 LED技术大都是在半导体分立器件封装技术基础上发展与演变而来的。普通二极管封装将普通二极管的管芯密封在封装体内，其作用是保护芯片和完成电气互连。LED封装的作用是要完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出可见光的功能。LED封装既有电参数，又有光参数的设计及技术要求。
LED PN结能发射多少光，主要取决于LED芯片的质量、芯片结构、几何形状、封装内部材料及包装材料。所以对LED封装，要结合LED芯片的大小、功率大小来选择适当的封装方式，使LED的发光强度最大。
说明
封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。2．LED常用的典型封装形式
1）插件型封装（引脚式封装） 常规φ5mm型LED引脚式封装是将边长0.25mm的正方形管芯黏结或烧结在支架上，管芯的正极通过球形接触点与金线键合为内引线与一条引脚相连，负极通过反射杯和支架的另一引脚相连，之后在其顶部用环氧树脂包封。插件型封装外形与结构如图1-6所示。图1-6 插件型封装外形与结构
说明
反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，其作用是保护管芯等不受外界侵蚀或采用不同的形状和材料性质，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角。
2）COB封装 COB是板上芯片直装的英文缩写（Chip On Board），其工艺是先在基底表面用导热环氧树脂（掺银颗粒的环氧树脂）覆盖硅片安放点，再通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB上，最后通过引线（金线）键合实现芯片与PCB间电互连的封装技术。
COB封装技术主要用来解决小功率芯片制造大功率LED灯的问题，可以分散芯片的散热，提高光效，同时改善LED灯的眩光效应，减少人眼对LED灯的眩光效应的不适感。COB封装外形与结构如图1-7所示。在COB基板材料上，从早期的铜基板到铝基板，再到当前部分企业所采用的陶瓷基板，COB光源的可靠性也逐步提高。低热阻COB封装目前分为铝基板COB、铜基板COB、陶瓷基板COB。图1-7 COB封装外形与结构
说明
芯片直接置于铝基或铜基板上，导热、散热性好，光衰小。小芯片做大功率，成本低、光效高。极大地消除了点状效应，表现为面光源。整体发光，光线均匀柔和。● 铝基板COB：铝基板的成本低，封装出来的COB光源，性价比
高。其光效可达到130lm/W，应用于LED球泡灯、LED筒灯等灯
具中，由于铝基板导热系数的限制，光源功率为5～10W。● 铜基板COB：芯片直接固定在铜上面（导热系数在380W/m·
K），导热效果好，可以封装20～50W的COB（防止局部过热），
光效可达130lm/W，广泛应用于LED投射灯。● 陶瓷基板COB： 陶瓷目前最适合做LED封装基板的材料，以其
优良的导热性能、优良的绝缘性能、热形变小等优点，目前可封
装10～50W COB光源。由于基板价格较贵，一般用于高端照明
或高可靠性的照明领域。
3）SMD封装 SMD封装是一种新型的表面贴装式半导体发光器件，具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高等优点。电气连接采取2、4或6引脚贴片的方式，是当前常用的光源。SMD封装外形与结构如图1-8所示。图1-8 SMD封装外形与结构
说明
SMD形式封装的LED又分CHIP、TOP、SIDEVIEW等若干种。封装分为0805、1206、3014、3528、3535、5050、5060、5730等规格，封装外形越大，散热性能越好，可承受功率相应也越大，输出光能越多。
4）食人鱼型封装 食人鱼型封装是因LED的形状很像亚马孙河中的食人鱼Piranha而得名，是4引脚的直插封装形式。食人鱼LED所用的支架是铜制的，面积较大，具有传热和散热快的特点。食人鱼型封装与结构如图1-9所示。图1-9 食人鱼型封装与结构
5）大功率LED封装 大功率LED是指拥有大额定工作电流的LED，功率可以达到1W、2W，甚至数十瓦，工作电流可以是几百毫安到几安不等。在这主要以仿lumileds封装为例，其封装与结构如图1-10所示。图1-10 仿lumileds封装与结构
6）LED小功率芯片电极图 LED小功率芯片电极图如图1-11所示。图1-11 LED小功率芯片电极图
7）LED大功率芯片电极图 常用LED大功率芯片电极图如图1-12所示。图1-12 常用LED大功率芯片电极图1.5 LED的电学指标1．LED的伏安特性
LED的伏安特性曲线如图1-13所示。图1-13 LED的伏安特性曲线2．LED的电学指标
1）正向电压V LED在加载正向电流20mA或350mA时的正向电F压。
2）正向电流I 对于小功率LED正向工作电流一般为20mA，大F功率芯片要依据芯片的规格（大小）来确定正向工作电流，一般为350mA。
说明
在同一批产品中，I值相同，而V值则可能会有偏差。FF
3）反向漏电流I 是指LED在加上反向偏置电压5V时电流的大R小。
说明
反向漏电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10℃，反向漏电流增大一倍。二元、三元、四元晶片的LED反向漏电流I≤R10μA，GaN类晶片的LED反向漏电流I≤50μA。R
4）耗散功率P 即正向电流乘以正向电压。D3．LED的极限参数
1）最大允许耗散功率P P＝I×V，一般按环境温度maxmaxFHFH为25℃时的额定功率。当环境温度升高时，P会下降。max
2）最大允许工作电流I 由最大允许耗散功率来确定。最好在FM使用时不要用到最大工作电流，要根据散热条件来确认，为安全起见，实际电流I＜0.6I。与亮度成比例关系。FFM
3）最大允许正向脉冲电流I 一般由占空比与脉冲重复频率来FP确定。LED工作于脉冲状态时，可通过调节脉宽来实现亮度调节。
4）反向击穿电压V 一般要求反向电流为指定值的情况下可测R试反向电压V，反向电流一般在5～100μA之间。反向击穿电压通常R不能超过20V，在设计电路时，一定要确定加到LED的反向电压不要超过20V。
说明
一般要求为V＜0.6V。RRM1.6 LED光学特性参数
LED的光学性能主要涉及光谱、光度和色度等方面的性能要求。根据行业标准“半导体发光二极管测试方法”，主要有发光峰值波长、光谱辐射带宽、轴向发光强度、光束半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。相关色温和显色指数是照明用的白光LED的主要参数之一。1．LED的光学指标
1）色品图 用CIE1931色品图内的某点坐标方法表示颜色，白光LED通常用此项指标。1931年由国际照明委员会（CIE）制定，故称CIE色品图。描述颜色品质的综合指标称为色品。色品有3个属性即色调、亮度、饱和度。CIE1931色品图如图1-14所示。图1-14 CIE1931色品图
2）光的颜色鲜艳度● 主波长λ：设F点为某一光源在CIE1931色品图中的坐标，E点为D
理想等能量白光的参考光源点，在色品坐标中为（0.3，0.3）。
由E点连接F点并延伸交于G点，则G点对应的单色光波长即称为
F点光源的主波长，为人眼所感受到的颜色，如图1-15所示。图1-15 色品坐标
说明
GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有1个。● 峰值波长λ：光谱发光强度或辐射功率最大处所对应的波长，为P
纯粹的物理量。
说明
只有单色光才有λ波长。P● 中心波长：光谱发光强度或辐射功率出现主峰和次峰时，主峰半
宽度的中心点所对应的波长。● 色纯度P：如图1-15所示，P＝EF/EG。如果某一光源在色品图ee
中F点的坐标越靠近G点，那么EF和EG的长度就越接近相等，Pe
越接近于1，色纯度就越高。色纯度通俗地讲是指光源发出光的
色坐标靠近CIE1931色品图上光谱轨迹的程度，靠得越近则纯度
越高。所以，若坐标位于光谱轨道上，则色纯度为100％；反之，
色纯度为0％。● 半宽度：光谱发光强度或辐射功率最大处的一半的宽度（FWHM），简称“带宽”。带宽越小则颜色越纯。
3）色温 当光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的这个温度就称为光源的颜色温度，简称色温。高色温称为冷色调，低色温称为暖色调。大功率白光LED通常用此项指标。2．光辐射强度指标
1）光通量（Φ） 是指用人眼的光感觉来度量光的辐射功率，即辐射光功率能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量。表征的符号为Φ，国际通用的光通量单位为流明（lm）。大功率LED通常用此项指标。
2）发光强度（I） 光源在指定方向上的立体角内所发出的光通量或所得到光源传输的光通量，这二者的商即为发光强度。表征的符号为I，单位为坎德拉（cd）。小功率LED通常采用此项指标。
3）亮度（L） 等于垂直于给定方向的平面上所得到的发光强2度与该正投影面积之商。表征的符号为L，单位为cd/m，面光源、背光、显示屏等产品采用此项指标。
4）照度（E） 即光源照到某一物体表面上的光通量与该表面面积之商。表征的符号为E，单位为勒克斯（lx）。
5）半强角度 光源中心法线方向向四周张开，中心光强I到周围的I/2之间的夹角，即为半强角度θ。1/2
说明
θ是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法1/2向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。3．热学特性
LED发光效率和功率的提高是目前LED产业发展的关键问题之一，由此可知LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要，一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。
1）LED结温 LED的基本结构就是PN结。当电流流过LED元件时，PN结的温度将上升，实际就是把PN结区的温度定义为LED结温，LED的光学参数与PN结结温有很大的关系。产生LED结温的主要原因有：● 元件电极结构不良，同时视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶
等均存在一定的电阻值，相应电阻相互累加，构成LED元零件的
串联电阻。当电流流过PN结时，同时也会流过LED元件的串联
电阻，从而产生热，引致芯片温度或结温的升高。● 由于PN结不可能达到完美，元件的注入效率也不能达到100％，
电荷注入不会产生光电效应，但有一部分会与结区的杂质或缺陷
相结合之后以发热的形式消耗。● LED芯片材料与周围界质具有大得多的折射系数，致使芯片内部
产生的极大部分光子（＞90％）无法顺利地溢出界面，从而在
芯片与介质的界面之间产生全反射，最终使大部分光子返回芯片
内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格
振动的形式变成热能，促使结温升高。● 环氧胶是低热导材料，PN结处产生的热量很难通过环氧胶向上
散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接
层、PCB与热沉向下发散。● LED的输入功率是元件热效应的唯一来源，能量的一小部分变成
了辐射光能，其余大部分变成了热。
目前降低LED结温的主要途径有：减小LED本身的热阻，采用良好的二次散热机构，减小LED与二次散热机构安装界面的接触热阻，控制额定输入电流的大小。
2）LED热阻 LED热阻是指LED点亮之后热量传导稳定时，LED芯片表面每1W耗散，PN结点的温度与连线的支架或散热基板之间的温度差就是LED的热阻R。热阻值一般常用θ或R表示，单位为℃/W。thLED产生LED热阻的主要原因是LED芯片架构与原物料、不同导热系数的热沉材料或相同的热沉材料，散热面积的不同、导热胶和金属的不同、LED元件的工作环境不同。LED典型热阻数值如表1-7所示。表1-7 LED典型热阻数值
降低LED热阻的主要途径如下。● 尽可能降低芯片的热阻。● 达到最佳的热通道。● 通道架构是长度（L）越短越好，面积（S）越大越好，环节越
少越好，消除通道上的热传导瓶颈。● 通道材料的导热系数λ越大越好。● 改良封装工艺，使通道环节之间的界面接触更紧密可靠，同时也
要尽可能降低芯片的接触热阻。
说明
当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。1.7 LED防静电知识1．静电基础知识
静电属于电荷和电场的存在而产生电荷转移的一种现象，静电与常用电性质上都是一样的，本质都是电荷。静电产生原因是摩擦、感应、剥离等，其机理是物质因失去或得到电子而带电，是一种普通的物理现象。静电产生不仅取决于材质，而且在相当程度上还与外界因素有关。运动摩擦可引起静电放电效应。
说明
同种物质摩擦也会因其表面光滑程度、纹理差异或温度不同而带电。1）常见静电产生源● 地板：尤其是塑料地板或地毯。● 椅子：木质、塑料或化学材质。● 衣服：尼龙及一般布料。● 工作台面：采用磨光、油漆及上蜡等工艺。
2）静电的特点 静电具有高电位、低电量﹑小电流﹑短作用时间的特点。几种常见情况下的ESD放电对照表如表1-8所示。表1-8 几种常见情况下的ESD放电对照表静电电位（kV）人体活动（10～20）％RH（65～90）％RH人在地毯上走动351.5人在乙烯树脂地板上行走120.25人在工作台上操作60.1包工作说明书的乙烯树脂封皮70.6从工作台上拿起普通聚乙烯袋201.2从垫有聚氨基甲酸泡沫的工作椅181.5上站起2．LED防静电知识
LED属于SSD（静电敏感性器件）半导体器件，且各种芯片的抗ESD能力（尤其是对于白、绿、蓝、紫色LED）也有所不同，因此要求用户在半成品、成品装配过程中必须加强对静电的防范（特别是气候干燥的冬季），必须做好预防静电产生和消除静电工作。正是因为存在静电威胁，对于上述结构的LED芯片和器件，在加工过程中对加工场地、机器、工具、仪器，包括员工服装均要采取防静电措施，确保不损伤LED。另外，还要在芯片和器件的包装上也采用防静电的材料。
1）LED生产、应用过程中的防静电原则● 避免静电产生：设法消除一切可能出现的静电源。● 消除静电：设法加速静电荷的逸散泄漏，防止静电荷的累积和耗
量。
2）LED器件使用环境的防静电措施 器件对ESD的灵敏度等级分类（依照抗静电放电电位最大值划分）：● I类：≤100V；● II类：≤500V；● III类：≤1000V。
说明
GaInN类LED（蓝色、绿色、白色）为I类器件，应在I类防静电工作区内使用。而一般的上下电极的红色和黄色LED的抗ESD能力相对较高，它能够耐不超过500V的静电放电，因此属于II类器件。
LED器件使用环境的防静电措施如下。（1）工作车间铺设防静电地板并做好接地，工作台采用防静电工作台，带电产品接触低阻值的金属表面时，由于急放电引发产品故障的可能性是很高的，故要求工作台及与产品相接触之处使用表面电692阻为10～10Ω/cm的桌垫。（2）LED在周转以及使用过程中，必须在防静电作业台和防静电周转盒/箱流转、使用，防静电工作台面应铺设用静电耗散材料制作的防护台布，这些设施都必须予以良好的接地，且这些设施的相关参数必须能够符合以下要求：692● 表面电阻率：10～10Ω/cm。382● 体电阻率：10～10Ω/cm。● 摩擦起电电位：≤100V。● 静电电压衰减时间：≤0.5s。（3）静电敏感器件的整个使用操作过程，应开启直流式离子风机，且在离子风机的有效作用范围内（一般不超过60cm）操作。
说明
静电区域内所有的物品静电不能超过100V，静电区域内的容器应该用防静电材料的，若静电区域内的物品的静电电压超过100V，则应采用去离子风机消除物体表面静电。（4）静电防护区的相对湿度控制在50％以上，环境湿度以50％～60％为宜。（5）要有良好的防静电接地系统，将地面、作业台、生产设备（切脚机、锡炉、波峰焊、回流焊、SMT设备、电烙铁）、检测设备/仪器、腕带等，工作区域和单元，相互隔离，顺次入地，再汇入总线入地。
说明
接地交流阻抗小于1.0Ω。（6）静电保护区内应使用防静电器具：● 静电防护区的各种容器，工装夹具、作用台面和设备垫等应避免
使用易产生静电材料，主要指普通塑料制品和橡胶制品。● 焊接用的烙铁（直流式恒温烙铁）和使用的测试仪器要接地良
好。
说明
盛装LED需使用防静电元件盒，包装则采用防静电材料。（7）有条件时应安装静电监测报警装置。在生产现场设定静电敏感区域，并且要做明显警示，使到现场的每个人都能注意。
3）器具使用过程中的防静电措施 凡接触静电敏感器件的人员（生产、装配、测量、调试、包装、运输、储存、发放等），应注意如下几点。（1）使用防静电腕带（或肘带、踝带）。（2）穿着防静电工作服、鞋、帽。（3）应避免如下可能造成静电损伤的操作。● 从包装袋内倾斜倒出器件时，应尽可能轻缓，避免快速倾斜时产
生静电荷（此动作产生的静电位最高可达1000～1500V）。● 拿器件时，应仅接触管体，尽量不要碰器具的外引线。● 作业者在操作前或站立起来以后，要先用手接触防静电工作台或
金属接地线，然后再进行工作。不要做易于产生静电的动作如擦
脚、搓手、穿或脱衣服等。● 使用仪表检测器件时，应在检测前将表笔接触接地的地线，以释
放仪器内部的静电荷。
说明
操作者应该佩戴防静电腕带，应该穿着防静电服装、鞋、围巾，椅子应该套防静电套（一端与人体接触，另一端与地线相连）。3．静电对LED的危害● 因瞬间的电场或电流产生的热，使LED局部受伤（潜在损伤），
表现为漏电流迅速增加，且仍能工作，但亮度降低（白光将会变
色），寿命受损。● 静电吸附灰尘，降低LED产品绝缘电阻（缩短寿命）。● 因电场或电流破坏LED的绝缘层，使器件无法工作（完全破坏），
表现为死灯。● 静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百V/m），频谱极宽（从
几十兆赫兹到几千兆赫兹），对LED产品造成干扰甚至损坏（电
磁干扰）。4．静电击穿LED的常见识别与筛选方法
当检查LED组件的最后成品时，要检验组件LED是否被静电损坏，很容易发现被静电破坏的LED。被在低电流（建议1～3mA）测试光强或VF静电损坏的LED将表现出一些异常特性，例如漏电流明显地增大，顺向电压变得很低；或者在低电流情况下不会发光。当发生此问题时请检查上述防静电措施是否在执行。
说明
静电接地需与电源零线、防雷地线分开，接地措施应完全防止静电产生，必须用粗的铜线引入泥土内，在铜线末端系上大铁块，埋入地表1m以下，各接地线均需与主线连接在一起。5．产生过电冲击的主要原因● 静电放电（ESD）事件。ESD普遍被认为是半导体器件制造、运
输和装卸过程中的一种常见危害。大部分LED中都含有ESD防护
器件，并被列为MIL-STD-883标准的第2类“人体静电放电模
式”，可以承受2kV的静电放电。尽管目前大部分LED配备了防护
装置，但在静电放电的情况下，有可能导致EOS损坏。● 瞬态过电流事件。发生瞬态过电流事件时，通过LED的电流大于
LED规格书中的最大额定电流。通过高电流直接产生或通过高电
压间接产生，但都是瞬态的（发生时只持续极短的时间，通常不
会超过1s），也将它们称做“尖峰”，如“尖峰电流”或“尖峰
电压”。如果在LED接通或插入电源时产生过电流事件，则称为“浪涌电流”。● 过驱动。在发生过驱动时，LED持续受到最大额定电流的驱动，
这可能是驱动电路设计原因引起的，无论有意还是无意，这一点
在设计时应注意。
说明（1）目前有两种ESD抑制器件：瞬态电压抑制器（TVS）与多层压敏电阻器，它们均为过电压钳位器件。LED不受过度电性应力损坏的器件有：过电压保护器件和限流器。（2）有源浪涌电流保护电路可以使用MOSFET&TVS电路或专用的浪涌电流限流器件加以实现。（3）在电源带电插拔或初始通电时，NTC器件提供一个高电阻值来保护LED免受浪涌电流的损坏。（4）因EOS而导致失效模式是LED封装内部的焊接线受损，这种损坏通常表现为接线烧毁或烧断。另一种常见失效模式是LED芯片本体靠近焊盘的位置受损。1.8 LED规格书
本节所介绍的LED规格书内容都在后续中用到，主要介绍LED的封装规格及相关的知识。1．3528封装的LED规格书
本产品主要作为信号指示及照明的电子元件，广泛应用于各类使用表面贴装结构的电子产品及各类室内外的装饰照明。
1）极限参数（温度＝25℃） 具体见表1-9。表1-9 极限参数（1）符号数值参数名称Parameter单位UnitSymbolRatingI正向电流Forward Current20mAF正向脉冲电流Pulse Forward I100mAFPCurrentV反向电压Reverse VoltageR5VT工作温度Operating Temperature-30～＋85℃OPR-40～＋Tstg储存温度Storage Temperature℃100PD功耗Power Dissipation60mW
2）光电参数（温度＝25℃） 具体见表1-10。表1-10 光电参数（1）
3）3528封装的外形与封装尺寸 具体见图1-16。图1-16 3528封装的外形与封装尺寸2．3014封装的LED规格书
1）极限参数（温度＝25℃） 具体见表1-11。表1-11 极限参数（2）参数名称符号Symbol数值Rating单位UnitParameter正向电流I30mAFForward Current正向脉冲电流I100mAFPPulse Forward Current反向电压V5VRReverse Voltage工作温度TOperating -40～＋100OPR℃Temperature储存温度TstgStorage -40～＋100℃Temperature功耗Power PD120mWDissipation
2）光电参数（温度＝25℃） 具体见表1-12。表1-12 光电参数（2）
3）3014封装的外形与封装尺寸 具体见图1-17。图1-17 3014封装的外形与封装尺寸3．3535封装的LED规格书
1W或以上的功率等级，采用HTCC高导热陶瓷基板，硅胶透镜封装。集成了高光效、低热阻、体积小、易配光的特点，适用于电视背光、各种室内照明、汽车信号灯等通用照明、大功率信号灯领域。
1）极限参数（温度＝25℃） 具体见表1-13。表1-13 极限参数（3）参数名称符号Symbol数值Rating单位UnitParameter正向电流I350mAFForward Current正向脉冲电流IFP1000mAPulse Forward Current反向电压V5VRReverse Voltage工作温度TOperating -20～＋65OPR℃Temperature储存温度TstgStorage 0～＋40℃Temperature功耗Power PD1000mWDissipation
2）光电参数（温度＝25℃） 具体见表1-14。表1-14 光电参数（3）
3）3535封装的外形与封装尺寸 具体见图1-18。图1-18 3535封装的外形与封装尺寸4．5050封装的LED规格书
本产品主要作为信号指示及照明的电子元件广泛应用于各类使用表面贴装结构的电子产品或各类室内外的装饰照明。
1）极限参数（温度＝25℃） 具体见表1-15。表1-15 极限参数（4）参数名称符号Symbol数值Rating单位UnitParameter正向电流I75mAFForward Current正向脉冲电流IFP200mAPulse Forward Current反向电压V5VRReverse Voltage工作温度TOperating -30～＋85OPR℃Temperature储存温度TstgStorage -40～＋100℃Temperature功耗Power PD90mWDissipation
2）光电参数（温度＝25℃） 具体见表1-16。表1-16 光电参数（4）
3）5050封装的外形与封装尺寸 具体见图1-19。图1-19 5050封装的外形与封装尺寸5．大功率LED封装的规格书
1）极限参数（温度＝25℃） 具体见表1-17。表1-17 极限参数（5）参数名称符号Symbol数值Rating单位UnitParameter正向电流I350mAFForward Current正向脉冲电流I1000mAPulse Forward FPCurrent反向电压V5VRReverse Voltage工作温度TOperating -20～＋75OPR℃Temperature储存温度TstgStorage -30～＋80℃Temperature功耗Power PD1120mWDissipation
2）光电参数（温度＝25℃） 具体见表1-18。表1-18 光电参数（5）
3）大功率LED封装的外形与封装尺寸 具体见图1-20。图1-20 大功率LED封装的外形与封装尺寸 第2章LED应用基本知识与LED应用常见故障2.1 LED应用线路设计1．LED在线路中的排列方式
在LED设计应用电路中，设计PCB线路时应根据LED特性，合理选择LED排列方式。对于TOP LED，在柔性PCB的应用中，由于柔性软灯条在作业或使用过程中无法避免弯折、卷曲、拉伸的情形，一般情况下都采用横向排列方式。主要是因为LED内部线路（金线焊接位置）走向与软性PCB延展方向一致，其生产、焊接、使用的过程中产生的内应力释放将直接作用于LED，增加LED死灯的概率，故LED应用于柔性PCB产品的线路设计中，应考虑此项因素带来的影响，要选择竖向排列。竖向排列的LED示意图如图2-1所示。图2-1 竖向排列的LED示意图
说明
特别针对类似4008、5730等引脚式的TOP LED，用于软性PCB场合时，应避免采用横向排列方式。
TOP LED元件如应用于硬性PCB（如FR4、铝基板），也应优先选择竖向排列方式。由于应用产品的实际设计中需要考虑美观、发光曲线等需要，故某些应用场合也会采用横向排列方式，如图2-2所示。在生产组装、成品安装过程进行硬性PCB翘曲程度进行一定管控，如图2-3所示。图2-2 横向排列方式的LED示意图
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]