溫懷疆

(浙江傳媒學(xué)院 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

引言

白光LED是2l世紀(jì)最具潛力的環(huán)保照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、高可靠性等特點(diǎn)，符合當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)的需求，現(xiàn)今工業(yè)量產(chǎn)白光LED發(fā)光效率已能夠達(dá)到100lm/W 以上[1]，將成為市場(chǎng)上主流照明光源。

眾所周知，影響發(fā)光效率的主要因素有內(nèi)量子效率和外量子效率，但實(shí)際上驅(qū)動(dòng)方式對(duì)于內(nèi)量子效率和外量子效率也會(huì)有一定的間接影響。目前LED 驅(qū)動(dòng)電路種類繁多，從小功率的簡(jiǎn)單阻容降壓限流驅(qū)動(dòng)，到功率管線性恒流驅(qū)動(dòng)和開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的脈沖電流驅(qū)動(dòng)[2-4]。本文將主要研究不同形式的電流脈沖注入方式下與LED發(fā)光效率的關(guān)系。

1 LED的脈沖驅(qū)動(dòng)

LED驅(qū)動(dòng)方式目前主要有恒電流驅(qū)動(dòng)和脈沖電流驅(qū)動(dòng)。恒流驅(qū)動(dòng)是比較好的方式，但考慮到LED的大電流和低電壓特性，目前多數(shù)LED采用脈沖驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式的電源利用效率比較高，但在沒有對(duì)輸出電源進(jìn)行良好濾波的情況下，其脈動(dòng)成分比較高。

采用脈沖電流驅(qū)動(dòng)時(shí), 有兩個(gè)重要的因素要考慮：一是最大安全峰值電流與占空比的關(guān)系；二是在不同大小脈沖電流驅(qū)動(dòng)條件下，LED的長(zhǎng)期光性能。當(dāng)脈沖電流的占空比一定時(shí), 所輸出的平均亮度就取決于驅(qū)動(dòng)脈沖的最大安全峰值電流，該最大峰值電流取決于LED的電流密度, 即在LED不被損壞且其光輸出衰減在允許范圍內(nèi)的前提下, LED晶片每平方米允許通過(guò)的最大電流, 單位為A/m2[5]。

脈沖驅(qū)動(dòng)使LED在一個(gè)周期脈沖內(nèi)時(shí)亮?xí)r暗，由于人眼的“視覺暫留”效應(yīng)，當(dāng)頻率超過(guò)100 Hz時(shí)，人眼最終看到的就是平均亮度[6]，這種驅(qū)動(dòng)可以用于LED顯示屏或是分區(qū)控制亮度的節(jié)能LED背光屏。脈沖驅(qū)動(dòng)通過(guò)調(diào)整亮和暗的時(shí)間比例實(shí)現(xiàn)亮度控制。當(dāng)LED接通時(shí)的最大電流為Ip。開關(guān)開閉周期為T，每次閉合時(shí)間ton，即占空比為D=ton/T時(shí)，LED的平均電流Ia為：

(1)

由式(1)可知，當(dāng)T不變(即開關(guān)頻率固定)時(shí)，只要改變導(dǎo)通時(shí)間t，就可以改變LED兩端的平均電流，從而改變LED的亮度。

脈沖電流幅值的確定和重復(fù)頻率的選擇是LED脈沖驅(qū)動(dòng)需要重點(diǎn)考慮的，即當(dāng)脈沖驅(qū)動(dòng)電流的平均值Ia應(yīng)與直流驅(qū)動(dòng)的電流值相同時(shí)，才能得到與直流驅(qū)動(dòng)方式相當(dāng)?shù)陌l(fā)光強(qiáng)度。如圖1所示，平均電流是瞬間電流i的時(shí)間積分。對(duì)于矩形波，有

(2)

(3)

式中:IF為直流額定驅(qū)動(dòng)電流值；Ia這脈沖驅(qū)動(dòng)電流平均值；Ip為脈沖電流幅值；ton/T為占空比。

為了使脈沖驅(qū)動(dòng)方式下的平均電流Ia與直流額定驅(qū)動(dòng)電流IF相同，則需使其脈沖電流幅值Ip滿足：

(4)

圖1 LED的脈沖驅(qū)動(dòng)Fig.1 The drive pulse of LED

通常我們會(huì)認(rèn)為L(zhǎng)ED的發(fā)光強(qiáng)度基本上正比于通過(guò)LED器件的電流，因此當(dāng)脈沖電流的平均電流與直流電流相等的條件下，LED的發(fā)光亮度一樣。實(shí)際是否如此，下面我們將進(jìn)行相應(yīng)的研究。

2 實(shí)驗(yàn)及研究方法

本次實(shí)驗(yàn)和研究中主要選擇兩大類LED器件，一種是φ5mm的小型白光LED，另一種是國(guó)產(chǎn)1W白光LED。實(shí)驗(yàn)采用球型光度計(jì)和熒光光度計(jì)測(cè)光系統(tǒng)來(lái)測(cè)量LED的光通量，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由多功能可調(diào)信號(hào)發(fā)生器、壓控電流源以及光通量測(cè)量的裝置組成，其系統(tǒng)圖如圖2所示，其中可調(diào)信號(hào)發(fā)生器可輸出直流分量和交流分量都可調(diào)的方波、三角波以及正弦波電壓信號(hào)，去控制壓控電流源輸出的電流信號(hào)。壓控電流源系統(tǒng)的核心器件采用音頻線性功率放大器LM3886，其電壓轉(zhuǎn)換速率較高，可以達(dá)到19V/μs，同時(shí)輸出電流也可達(dá)4A，從實(shí)際研究的結(jié)果來(lái)看，這個(gè)可控脈沖源的效果很好，當(dāng)脈沖頻率達(dá)到200kHz，脈寬只有2～3μs時(shí)，波形仍能保持良好的上升沿和下降沿，上升沿和下降沿可以做到小于1μs。

相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)[7]認(rèn)為：用高幅值的脈沖電流驅(qū)動(dòng)LED，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比獲得較合適的平均電流，這樣可以降低功耗。脈沖電流驅(qū)動(dòng)LED可比直接恒流驅(qū)動(dòng)的LED更亮，即獲得同樣的發(fā)光亮度，脈沖電流驅(qū)動(dòng)方式比直流電流驅(qū)動(dòng)方式所需要的平均電流值更小。采用脈沖電流驅(qū)動(dòng)LED，與恒流控制方式相比，其控制效率比較高，另外還可去掉或減小限流電阻。因此，采用脈沖驅(qū)動(dòng)方式更有利于節(jié)能。

根據(jù)筆者之前對(duì)脈沖法測(cè)量LED結(jié)溫進(jìn)行研究的結(jié)果顯示：即使是有若干個(gè)很窄的連續(xù)脈沖電流注入LED，其結(jié)溫也會(huì)有較明顯的上升[8]，而結(jié)溫的上升會(huì)使其結(jié)電壓線性下降，相應(yīng)的LED兩端承受的電功率也會(huì)隨之下降，光通量必然會(huì)下降，會(huì)對(duì)LED的發(fā)光效率產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Pulse experiment system diagram

當(dāng)采用脈沖方式驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，脈沖電流的波形形式以及工作頻率與發(fā)光效率可能存在一定的關(guān)系，有文獻(xiàn)顯示：當(dāng)頻率超過(guò)一定范圍，器件將無(wú)法正常工作，LED的工作頻率是10 MHz到幾百M(fèi)Hz范圍內(nèi)[7]?；谝陨显蛞约胺治?，設(shè)計(jì)了脈沖電流幅值占空比與發(fā)光效率、電流波形種類與發(fā)光效率、脈沖頻率(周期)與發(fā)光效率之間關(guān)系等幾個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了較詳細(xì)的測(cè)量和研究。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 脈沖電流幅值占空比與發(fā)光效率的關(guān)系

在進(jìn)行發(fā)光效率測(cè)量時(shí)，首先要進(jìn)行輸入LED電功率的測(cè)量，LED電功率的計(jì)算方法為：

P0=IaUa=IpDUa=IFUa

(5)

式中：P0為輸入LED電功率；為Ia為脈沖驅(qū)動(dòng)電流平均值；Ip為脈沖電流幅值；IF為定工作電流；Ua為平均電流響應(yīng)電壓；D為占空比。

圖3為兩種LED在多倍額定工作電流脈沖作用下的LED的V-A特性，從圖3中可以看出其V-A特性遠(yuǎn)沒有普通二極管那樣理想，其動(dòng)態(tài)電阻也要比普通二極管大很多。

圖3 多倍額定電流下LED的V-A特性Fig.3 LED V-A characteristics at many times rated current

發(fā)光效率的計(jì)算公式為：

式中：η為發(fā)光效率；Φ為光通量。

圖4是以兩個(gè)φ5mm的LED為測(cè)量對(duì)象，取額定工作電流IF=20mA，脈沖頻率取3kHz,按前面關(guān)系式(2)-式(4)要求，分別測(cè)量1IF(占空比100%)、2.5IF(占空比40%)、5IF(占空比20%)、10IF(占空比10%)、20IF(占空比5%)以及30IF(占空比3.33%)這幾種具有相同平均電流值的脈沖電流下，LED發(fā)出的光通量，結(jié)合圖3數(shù)據(jù)以及式(5)-式(6)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的發(fā)光效率，所繪制的發(fā)光效率與占空比的關(guān)系曲線。從曲線中可以看出，在平均電流相等的情況下，脈沖幅度越高，LED的發(fā)光效率越低，其變化規(guī)律為非線性。

出現(xiàn)以上現(xiàn)象，其主要原因是隨著注入電流的增加，注入勢(shì)阱中的電子數(shù)量也增加，擴(kuò)散出勢(shì)阱的電子越多，內(nèi)量子的效率越低[9-10]。

如圖5所示，在電流為I時(shí)，電子擴(kuò)散到位置a處，并且隨著外加電流I的增加，a也將增大。把電子濃度分布近似成一定斜率的線段。勢(shì)阱區(qū)域是0～x0，在勢(shì)阱左側(cè)是N型半導(dǎo)體，在勢(shì)阱右側(cè)是P型半導(dǎo)體?？梢酝瞥鲭娮訚舛确植迹?/p>

(6)

在(0，x0)中的電子總數(shù)：

(7)

在(x0，a)內(nèi)的電子總數(shù)：

(8)

圖5 勢(shì)阱中電子濃度分布Fig.5 The electron concentration distribution in potential wel1

其中勢(shì)阱內(nèi)的電子總數(shù)和總共注入電子數(shù)量之比記為M，稱為有效電子比例。M越大，內(nèi)量子效率越高。

(9)

M對(duì)a求導(dǎo)得：

(10)

即隨著注入電子數(shù)量的增加，a也逐漸增大。a越大，M越小，內(nèi)量子效率也越小。

隨著注入電子數(shù)量的增加，使更多的電子擴(kuò)散出勢(shì)阱，發(fā)生無(wú)輻射復(fù)合，降低了芯片的內(nèi)量子效率，進(jìn)而降低了發(fā)光效率[11]。這剛好說(shuō)明高峰值電流窄脈沖的驅(qū)動(dòng)方式也可以影響LED的內(nèi)量子效率。

3.2 脈沖頻率、占空比與發(fā)光效率的關(guān)系

圖6是以一個(gè)1W白光LED為測(cè)量對(duì)象，研究LED發(fā)光效率與不同占空比和不同頻率脈沖電流之間的關(guān)系所得到的曲線。在這次研究中，取1W白光LED的額定電流IF=340mA，分別取脈沖幅值340mA和680mA，占空比分別為40%、20%和10%，測(cè)量當(dāng)脈沖電流的頻率從100Hz～20kHz時(shí)，LED的發(fā)光效率變化。從圖6中可以看出，如果采用脈沖驅(qū)動(dòng)，頻率在200～2000Hz之間發(fā)光效率較高，過(guò)高和過(guò)低的頻率都會(huì)使LED的發(fā)光效率有所降低；在平均電流相等的情況下，脈沖幅度高發(fā)光效率低。在相同幅值電流下，占空比低的發(fā)光效率高，特別是在額定工作電流幅值下，減小占空比，LED的發(fā)光效率提升很快，10%占空比的效率可高于40%占空比的效率近30%，相比之下兩倍額定工作電流幅值下，減小占空比，LED的發(fā)光效率提升就不那么快了。

以上研究結(jié)論應(yīng)用到LED背光源或顯示屏，從驅(qū)動(dòng)頻率方面考慮建議驅(qū)動(dòng)頻率不宜太高；從占空比角度考慮建議采用功率余量大的LED，這樣輸入額定值的低占空比的脈沖電流，可使其整體發(fā)光效率更高些，并有助于延長(zhǎng)LED的壽命。

3.3 電流波形、紋波系數(shù)與發(fā)光效率的關(guān)系

圖7是以一個(gè)1W白光LED為測(cè)量對(duì)象，研究LED的發(fā)光效率與不同電流波形、不同紋波系數(shù)之間的關(guān)系所得到的曲線。在研究中，分別給LED注入方波、三角波和正弦波三種不同形式的脈沖電流，并且調(diào)節(jié)輸出到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓控電流源的信號(hào)，使該信號(hào)的紋波系數(shù)在0.01～1之間變化，而整體電流的平均值與LED的額定工作電流相等，從而來(lái)研究

圖6 脈沖頻率、占空比與發(fā)光效率的關(guān)系Fig.6 The relationship of pulse frequency, duty ratio and luminous efficacy

該系數(shù)對(duì)LED發(fā)光效率的影響。紋波系數(shù)定義如下：

(11)

式中：Ip為峰值電流；Iv為谷值電流；Ia為平均電流。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)，Ip、Iv均為正向電流。

圖7 紋波系數(shù)對(duì)發(fā)光效率的影響Fig.7 Effect of the influence ripple on LED luminous efficacy

從圖7中可以看出，對(duì)于LED的驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，紋波系數(shù)越小發(fā)光效率越高，即驅(qū)動(dòng)電流中的交流成分越小，發(fā)光效率越高，顯然恒流驅(qū)動(dòng)最好，如果實(shí)際應(yīng)用中紋波系數(shù)控制在0.2以下，發(fā)光效率與恒流驅(qū)動(dòng)幾乎相差無(wú)幾；對(duì)于相同的電流驅(qū)動(dòng)波形不同的紋波系數(shù)，光效最大可以分別相差5.5%(三角波)、7.2%(正弦波)和10.1%(方波)，另外同樣紋波系數(shù)為1的脈沖電流，三角波電流的LED發(fā)光效率大于正弦波電流和方波電流的，它們之間分別有1.5%和2.8%的差距。

目前為提高電源變換效率，LED廣泛采用220VAC-DC變換的脈沖電流驅(qū)動(dòng)方式，但其輸出原始波形基本上是紋波系數(shù)接近1的方波，這樣看來(lái)提高LED發(fā)光效率與提高驅(qū)動(dòng)電源效率還是一對(duì)矛盾，因此目前多數(shù)脈沖電流源，都會(huì)在LED端并上一個(gè)濾波電容，以降低紋波系數(shù)，提高發(fā)光效率。筆者測(cè)量了某品牌5W LED燈的紋波電壓為1.54V，紋波波形為近似三角波，平均電壓為16.48V，頻率為66kHz，紋波系數(shù)經(jīng)測(cè)量為4.7%，加了4.7μF的濾波電容，LED基本處于一個(gè)比較良好的工作狀態(tài)。但一些廠商考慮到高頻大容量電容的成本、壽命、體積等問(wèn)題，可能會(huì)減小這個(gè)電容，盡管這樣會(huì)降低LED的光效。

4 結(jié)論

LED有恒壓、恒流和脈沖等幾種驅(qū)動(dòng)方式，恒壓驅(qū)動(dòng)容易使LED過(guò)載損壞，線性恒流驅(qū)動(dòng)效果好，但電源效率不容易做高，從而影響LED的整體效率，因此DC-DC或AC-DC變換的脈沖驅(qū)動(dòng)還是目前LED驅(qū)動(dòng)的主要方式。本文研究揭示了LED脈沖驅(qū)動(dòng)中幾個(gè)可能影響發(fā)光效率的問(wèn)題：①高峰值低占空比的脈沖電流驅(qū)動(dòng)，LED的發(fā)光效率會(huì)受到較嚴(yán)重的影響，從理論的推導(dǎo)也得到相關(guān)的映證，這點(diǎn)與文獻(xiàn)[4]所提供的結(jié)論有明顯差異；②脈沖驅(qū)動(dòng)的頻率在200～2000Hz范圍內(nèi)，LED有相對(duì)較高的發(fā)光效率，這與文獻(xiàn)[4]所述LED的工作頻率范圍也有所不同；③額定電流值的低占空比的脈沖驅(qū)動(dòng)，LED的發(fā)光效率會(huì)得到一定的提高；④脈沖電流的波形和紋波系數(shù)對(duì)LED的發(fā)光效率都會(huì)有一定影響，在參加測(cè)試的三角波、正弦波和方波三種電流波形中，三角波驅(qū)動(dòng)光效最高，方波最低。此外脈沖電流驅(qū)動(dòng)的紋波越大，LED的發(fā)光效率越低。

[1] 首爾半導(dǎo)體.照明用交流白色LED Acriche發(fā)光效率達(dá)到100lm/W[OL/EB].http://www.newmaker.com/news_77190.html.

[2] 張祥東,閻麗永,夏偉,楊子旭.HB_LED 驅(qū)動(dòng)方法綜述[J].中國(guó)照明電器,2009(12)：17-19.

[3] 林繼鋼,俞安琪.LED 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介[J].中國(guó)照明電器,2007(9)：10-13.

[4] 平立. 白光LED 驅(qū)動(dòng)綜述[J].現(xiàn)代顯示,2006(6)：44-48.

[5] 深圳雷曼光電科技有限公司.LED 的脈沖驅(qū)動(dòng)[J].現(xiàn)代顯示，2007(77).

[6] 王浩, 陳東瑛.一種利用占空比控制發(fā)光二極管亮度的方法[P]. 中國(guó)發(fā)明專利, CN1658730.2005-08-24.

[7] 溫懷疆，牟同升.脈沖法測(cè)量LED結(jié)溫、熱容的研究,[J].光電工程,2010(07).

[8] 程安寧,王晉,尚相榮,等.白光LED的PWM驅(qū)動(dòng)方式分析[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010(2):109-111.

[9] Grzanka S，F(xiàn)ranssen G，Targowski G，et a1.Role of the electron blocking layer in the low-temperature collapse of electroluminescence in nitride light-emitting diodes[J].App1.Phys.Lea.，2007，90(10)：103507-1-3.

[10] Lee Sung-Nam，Cho S Y，Ryu H Y，et a1.High-power GaN-based blue-viote diodes with A1GaN/GaN multiquantum barriers[J].App1.Phys.Lea.，2006，88(11)：111101-1.

[11] 王健，黃先，劉麗.溫度和電流對(duì)白光LED發(fā)光效率的影響[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2008(04).