LED的概念简介

LED热特性
LED 的结温 •芯片节点处是LED发光的唯一來源。 •在导通电流发光状态下，节点区域将变得非常热。 当LED在长時间处于高温工作状态下, 将会影响光输出及使用寿命。
对于LED的结温能产生影响的因素有：
• LED周围的环境溫度； • 出光效率(绝大多数电能转化为热能，产生了结温)； • LED封装的散热能力；
ESD的防护
LED产品在加工生产的过程中 要采取防静电措施，如：工作台 要接地，工人要穿防静电服装， 带防静电环，以及带防静电手套 等，有条件的可以安装防静电离 子风机，进入生产车间人员做人 体静电综合测试等，同时要保证 生产车间的湿度在65% 左右，以 免空气过于干燥产生静电，尤其 是绿色LED容易被静电损坏。另外， 不同质量档次的LED抗静电能力也 不一样，质量档次高的LED抗静电 能力要强一些。据统计，由于操 作不当，LED产品有30%被静电损 坏。
连续光谱照射下的显色性
仅有蓝光和黄光的光照下的显色性
LED光特性
发光角度：是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法 向）的夹角。半值角的2倍为视角。
LED光特性
光 效：光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源节能的重要指 标。单位：每瓦流明（Lm/w）。
LED光特性
寿命：LED的寿命表现为光衰，定义衰减30%的时间为其寿命。
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ESD对LED的影响
PN结结构为主的LED，在生产加工过程中受静电感 应而产生感应电荷。若得不到及时释放，LED则在它的两 个电极上形成的较高电压将直接加上LED芯片的PN结两 端。 当电压超过LED的抗静电耐压值时，静电电荷将以极 短的瞬间(纳秒级别）在LED芯片的两个电极之间进行放 电，从而产生功率焦耳的热、形成高温（超过1000℃）， 高温将会把LED的PN结熔融破坏，从而造成漏电、短路、 死灯等现象。
LED热特性
差的和良好的热设计 • 良好的热设计 – 结温Tj <85°C – 热沉装置 • 差的热设计 – 周围无散热表面 – 结温Tj >85°C
什么是ESD
• ESD 就是静电泄放。 • 带有静电的物体靠近或接触另一物体，只 要它们之间存在电势差，就会发生静电荷 传递。这种静电荷传递过程我们称之为静 电泄放。当这种静电荷传递的过程强度足 够大，大到可以损坏我们的产品，我们就 称之为ESD事件。
色温低 色温高
K值(色温)越低，光色越偏红。 K值(色温)越高，光色越偏蓝。
LED光特性
能源之星的新要求
LED光特性
色坐标 色坐标是一组用来描述颜色的物理量
CIE 1931 xy色度图
CIE 1964xy色度图
LED光特性
显色指数 光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。通常叫做“显色指数” （Ra）。将在日光下的显色指数定义为100，其他光源根据其“变 色”和“失真”的程度来定义。
色温(TC) 以绝对颜色K来表示,即将以标准黑体加热,温度升到一定程度时颜色开 始由深红-浅红-橙黄-白-蓝,逐渐改变,利用这种光色变化的特性,某光 源与黑体颜色相同时,我们将黑体当时的绝对颜色称为该光源之色温。 CIE XYZ系统 CIE色区图
LED光特性
红绿蓝是三原色
• (不同色温空间效果)图例说明：
LED热特性
结温与寿命的关系 随着结温的增加，LED的寿命将会减少。
20K
30K 40K
LED热特性
结温与光通量的关系 随着结温的增加，LED的光通量将会减小。
LED热特性
结温与波长的关系 随着结温的增加，LED波长的中心会发生蓝移或红移,从而导致白光的色 坐标偏移。
LED热特性
结温与Vf的关系 LED PN结上的正向电压具有负的温度系数特性，一般为-(2-4)mV/ ℃。
LED电特性
• 正向特性 在二极管两端的正向电压很小时，LED不导通，当正向电压起过一定数 值后，LED才导通，电压再稍微增大，电流急剧暗加。 • 反向特性 二极管两端加上反向电压时，反向电流很小，当反向电压逐渐增加时， 反向电流基本保持不变，这时的电流称为反向饱和电流。 • 击穿特性 当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向 击穿。这时的反向电压称为反向击穿电压。
Ta：环境温度
Rth：LED的总热阻 LED典型热阻数值
Type Rth(℃／W） CHIP LED 400-600 TOP LED 300-500 Φ3mm LED Φ5mm LED 350-550 300-500 Power LED 8-20
LED热特性
驱动电流与热阻的关系 在同一环境条件下，热阻小的LED就能用较高的电流驱动；否则时能降低驱 动电流确保LED使用的可靠度。
LED电特性
• LED是半导体PN结二极管中的一种，正向导通，反向截止。 • LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电 压，LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。
I源自文库
I-V特性是LED芯片性能主要参 数。 在正向电压小于某一值（叫阈 值）时，电流极小，不发光。 当电压超过某一值后，正向电 流随电压迅速增加，发光。
• LED电致发光过程产生的热量和工作环境温度（Ta）的不同，引起LED 芯片结温Tj的变化。 • LED是温度敏感器件，当温度变化时，LED的性能和封装结构都会受到 影响，从而影响LED的可靠性。
LED热特性
何处是LED PN结?
LED PN结
• LED PN结位于 LED 芯片内部 • LED 结温 (Tj) 无法直接测量
LED的简介
目录
• • • • • 什么是LED LED光特性 LED电特性 LED热特性 ESD防护
什么是LED
• LED的全称Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种半导体
固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当
两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发 射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、
白色的光。
1、LED的发光原理？ 发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P 型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。 P型半导体里面空穴占主导地位，N型半导体主要是电子。当电流通 过PN结作用于晶片时，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复 合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
LED光特性
流明维持寿命：指定流明维持百分数达到的时间，用小时表示。 额定流明维持寿命：LED光源的实际操作时间将保持为起始光输出的百分数。 如L70为70%流明维持的时间。 在测试过程中，LED光源的操作必须是在驱动电流相同的情况下，三个壳体 温度的最小值。55 ℃和85 ℃为既定的参考点，第3个温度由厂家选定，选 定的管壳温度和驱动电流必须代表他们对客户应用的预期，并且必须在建 议的操作温度范围内。
6000小时 维持率%
初始 100
55 ℃ 95
85 ℃ 90
100 ℃ X
X=95-(95-90)*(55-100)/(55-85)=87.5
LED光特性
电流与光通量的关系 LED光通量与外加电流有关，电流增加，光通量也随之增大。
Φv (lm)
If (mA)
LED光特性
电流与相对光通量、相对光效的关系
I V
R
F
I
R
V
F
V
LED I~V特性曲线
LED电特性
• 正向电流IF ：LED在理想的线性工作区域，在此电流下可维持正常 的工作状态。超过此值可能会导致LED的失效。 • 正向电压VF：由LED本身固有的I-V特性曲线决定，在IF条件下所对 应的VF。 • 反向电压VR：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可 能被击穿损坏，通常电压为5V。 反向电流IR：LED在一定的反向电压（通常为5V）下的反向漏电流。 一般正常LED的特性是正向才能导通，反向是无法导通的。 所以正常的LED是量测不到IR的数值(IR=0 )。 但在芯片的制程上产生异常时，有时并无法立即从外观上做 判定，但因为芯片本身的结构产生异常，因而造成LED反向亦能 导通，所以我们可以藉由IR的数值来判定LED的好坏。
LED热特性
为什么LED结温Tj很重要? 结温(Tj)影响LED寿命和长期光通量维持
Tj (°C) 相 对 光 通 量 （ ）
X + 10°C + 20°C
L70 97,000 小 时
X
X + 10
X + 20
55,000 小 时
32,000 小 时
% 寿命（小时）
LED热特性
在大功率LED中，散热是个大问题。若不加散热措施，则大功率LED的器芯温 度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时(一般是150℃)， 大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工 作就是散热设计。
单位
图示
光通量(Φ)
Lumen (lm)
光强(I)
cd / mcd
亮度(L)
cd/m^ 2 nit
照度(E)
lm/m^ 被照表面的单位面积 2 上接收到的光通量称 为该被照表面的照度。 lux
具体如下图指示:
波长 光是种电磁波波长决定光的颜色可见光波长从380nm到780nm
LED光特性
LED热特性
热阻的定义
LED热阻描述为LED散热通道上的两个节点之间热功率流的阻值， 热阻单位为℃／W,通常用Rth表示。 用热阻来衡量LED热量从 PN结通过导热通道将热量导出的能力, 低热阻=良好散热。
j
sp
LED热特性
结温与热阻的关系：
T j=Ta + Pd*(Rth) T j：LED结温
LED热特性
恒流驱动的重要性
结温Tj 上升 LED电 压降低
Φv (lm)
例: 10 LED 串联
发热量 增大
LED电 流增加
If (mA)
正向电压Vf （@ Tj =25℃） = 3.3V 总电压 = 10 * 3.3 = 33V 当结温 Tj = 60 ℃时 正向电压Vf = 3.3 –(.004*35) = 3.16V 总电压 = 10*3.16 = 31.6V ★这事例说明采用恒流驱动是非常重要的
LED PN结
2、LED白光的发光原理？ 在发蓝光的芯片上涂能吸收蓝光而发黄光的荧光粉，蓝光激发荧光 粉发出的黄光与蓝光混合发出白光。
LED特性
• LED的光特性 • LED的电特性 • LED的热特性
LED光特性
光通量、光强、亮度和照度
说明
光源在单位时间发出 并被人的眼睛感知的 能量即为光通量 点光源在包含给定方 向上的单位立体角内 所发出的光通量，称 为该点光源在给定方 向上的发光强度 1cd=1lm/1sr 光源在给定方向上的 亮度就是该方向上单 位投影面积的发光强 度
LED电特性
电流与电压的关系 LED电压与电流有关，电流增大，电压也随之增大。
电压
电流
3.0V
3.1V 3.2V
150mA
200mA 350mA
LED热特性
• LED的发光需要电流驱动。输入LED的电能中，只有约15-20%有效复合 转化为光，大部分（约80-85%）因无效复合而转化为热。LED是种会 发热的冷光源。