高亮度LED產(chǎn)生新應(yīng)用與新標(biāo)準(zhǔn)

　　隨著高亮度LED功率的增加，它們催生了很多新的應(yīng)用，從建筑照明到醫(yī)療產(chǎn)品。能源之星照明標(biāo)準(zhǔn)正在逐步關(guān)注總體系統(tǒng)效率。

　　要點(diǎn)

　　總體照明系統(tǒng)效率包括電源轉(zhuǎn)換、電流調(diào)節(jié)以及HBLED(高亮度發(fā)光二極管)裝置本身的效率，而不只是HBLED片芯的效率。

　　HBLED照明系統(tǒng)現(xiàn)在的效率低于最高效的熒光燈。但HBLED將在三年內(nèi)迎頭趕上。

　　HBLED的其它優(yōu)點(diǎn)有純凈光源、緊固性和調(diào)光控制能力，將幫助它們進(jìn)入新型醫(yī)療與照明應(yīng)用。

　　HBLED(高亮度發(fā)光二極管)的功率在不斷增加：例如，Cree公司現(xiàn)在提供88lm/W的器件，并且計(jì)劃在今年年底提供100lm/W的器件，五年內(nèi)將出現(xiàn)150lm/W器件。作為獨(dú)立元件，HBLED效率高于白熾燈甚至熒光燈。但是，在系統(tǒng)級(jí)上，因?yàn)楸仨毧紤]它們帶來的功率損耗問題(包括AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換與電流調(diào)節(jié))，它們的優(yōu)勢被削弱了。另外，LED照明裝置(或光源)會(huì)帶來損耗，LED組件本身亦有熱損耗。

　　美國DOE(能源部)最近完成了針對SSL(固態(tài)照明)光源的新的能源之星規(guī)范，這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以對光源與裝置采用相同的比較數(shù)字。新規(guī)范不是著眼于HBLED在元件級(jí)上的發(fā)光效率，而是整體的光源效率。

　　電流驅(qū)動(dòng)的LED光強(qiáng)直接與正向電流成正比。這些器件有與二極管相同的陡峭電壓/電流曲線，電壓上的小小變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電流的一個(gè)相對較大的變化，亮度也產(chǎn)生變化，因此控制電流比控制電壓更重要。很多IC制造商(通常從事于電源控制器業(yè)務(wù))都進(jìn)入了LED驅(qū)動(dòng)器電流調(diào)節(jié)市場。這些供應(yīng)商包括：德州儀器公司、美國國家半導(dǎo)體公司、Intersil、Cypress、Maxim和LinearTechnology.

　　除了電流調(diào)節(jié)器以外，照明系統(tǒng)可能還必須帶有一個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器，采用電池供電的系統(tǒng)可能還需要一個(gè)DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。總之，僅轉(zhuǎn)換方面，就可能損失10%~15%的系統(tǒng)功率。另外，由于反射和鏡頭損耗，設(shè)備中SSL的亮度損失可能高達(dá)一半。

　　能源之星SSL規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)將在2008年9月30日生效。該規(guī)范有兩個(gè)部分。CategoryA覆蓋今天現(xiàn)有的器件。它規(guī)定，一個(gè)符合CategoryA的嵌入發(fā)光設(shè)備(或“下射聚光燈”)必須為35lm/W.CategoryB將覆蓋三年內(nèi)出現(xiàn)的高效SSL設(shè)備。那時(shí)，SSL能夠與今天采用傳統(tǒng)光源的最高效發(fā)光系統(tǒng)競爭。例如，現(xiàn)在最常見的高性能T8熒光燈和電子鎮(zhèn)流系統(tǒng)可以產(chǎn)生約100lm/W.這些熒光鎮(zhèn)流系統(tǒng)的高質(zhì)量產(chǎn)品可以達(dá)到約70%的效率，獲得70lm/W的光源效率。而采用今天已商業(yè)化的SSL技術(shù)時(shí)，HBLED光源無法達(dá)到CategoryB級(jí)的最小發(fā)光效率。不過，LED技術(shù)正在快速發(fā)展，未來將可以滿足能源之星CategoryB的要求。但LED除了效率和長壽命以外還有其它優(yōu)勢，值得我們在獲得更高效率以前繼續(xù)跟蹤它的發(fā)展。例如，在熒光照明中，調(diào)光非常困難，而對LED不過是直接減小電流而已。另外，你可以用多個(gè)冷白色LED和暖白色LED陣列，動(dòng)態(tài)地改變一個(gè)房間的顏色。預(yù)計(jì)SSL將在今后五年內(nèi)成為家庭與工業(yè)照明的一種重要技術(shù)。

　　今天可用的多數(shù)HBLED都需要直流電壓和電流，因此，大多數(shù)SSL系統(tǒng)都含有轉(zhuǎn)換電路，將交流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓的直流電源。不過，SeoulSemiconductor公司最近推出了AcricheHBLED,它可以直接用交流電源工作(圖1)，用一只表面組裝電阻設(shè)定輸入電壓，范圍從100V~110VAC和220V~230VAC.在片芯中，LED包含了多層LED半導(dǎo)體結(jié)。二極管結(jié)在總正向電壓接近于110V或220V的交流電壓時(shí)建立。這些器件有兩串背對背的LED.第一串導(dǎo)通，并在正半電壓周期內(nèi)傳導(dǎo)，而第二個(gè)在另一串周期內(nèi)導(dǎo)通，因此LED可在整個(gè)交流電壓周期內(nèi)發(fā)光。直接采用交流工作簡化了電源轉(zhuǎn)換電路，增加了系統(tǒng)可靠性，并減少了設(shè)計(jì)時(shí)間。AcricheHBLED有兩種型號(hào)：用于100V/110V的AW3200和用于220V/230V的AW3220.兩種型號(hào)均具有59lm/W的效率，它低于直流供電的HBLED的發(fā)光，但也相差無幾。

　　隨著能量成本的持續(xù)上升，照明效率的重要性也日益增加。美國DOE估計(jì)，照明要消耗一座建筑20%的電力。然而，在發(fā)展中國家經(jīng)常缺乏可靠的電力網(wǎng)絡(luò)，人們可以使用太陽能SSL為電池供電，從而獲得可靠的夜間照明。唯一的其它選擇是煤油燈，它既危險(xiǎn)又昂貴。

　HBLED除了明顯的效率優(yōu)點(diǎn)和壽命優(yōu)點(diǎn)以外，還有其它的優(yōu)點(diǎn)，并對非傳統(tǒng)照明應(yīng)用很有吸引力。例如，它們有狹窄的光譜，因此最適合用作膽紅素?zé)簟Ｄ懠t素是一種紅黃色的有機(jī)物，源自紅血球解體所產(chǎn)生的血紅蛋白。過高膽紅素會(huì)造成高膽紅素血癥，癥狀為黃疸，即鞏膜(即“眼白”)和體液等組織呈黃色。雖然一般不必?fù)?dān)心低水平的膽紅素，但大量膽紅素會(huì)循環(huán)至大腦組織，可能造成新生兒癲癇和大腦損壞。所幸，光療通常對此種病癥有效果，因?yàn)槟懠t素會(huì)吸收藍(lán)光，分解為水溶形式而排出體外(圖2)。458nm~462nm區(qū)域中的窄帶藍(lán)光最有效。過去，膽紅素治療光線都采用定制的藍(lán)色熒光燈管和彩色過濾器。但是，熒光燈的光譜相對較寬。盡管其分布中心位于所需波長上，但光譜分布在兩端下降，表示能破壞膽紅素的光能量下降，因此治療時(shí)間將延長。與之相比，藍(lán)光LED膽紅素光源可以有正確的頻率，幾乎不浪費(fèi)光能量。另外，LED的膽紅素光源有機(jī)械穩(wěn)定特性，更長的壽命，也比熒光設(shè)備低廉。在未來，光線療法將能通過“發(fā)光服”提供光照，提供比光箱更有效的治療方法。

　　HBLED與傳統(tǒng)白熾照明或熒光照明的一個(gè)顯著差異是，HBLED有更多的封裝變型。因此，可能預(yù)期將有一些關(guān)于封裝的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，但至少五年內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)這種情況。Cree商務(wù)發(fā)展總監(jiān)MarkMcClear預(yù)測說：“每次我們使HBLED更亮、更便攜和更高效時(shí)，都促成了更多的應(yīng)用。我們位于一個(gè)陡峭的曲線上，要一次完成三個(gè)目標(biāo)，一個(gè)重要的部分是封裝。我們有一種類型的封裝;我們的競爭對手就可能有另一種......并非為把客戶搞糊涂，而是因?yàn)?一種類型封裝)有更多的光輸出，而光是最重要的。”

　　Avnet公司的LightSpeedSSL與LED業(yè)務(wù)部總監(jiān)CaryEskow表示，HBLED的快速發(fā)展帶來了有關(guān)眼睛安全的問題，這些器件的設(shè)計(jì)者一般都要解決這個(gè)問題。他說：“HBLED的快速發(fā)展可能已超越了安全方面的設(shè)計(jì)?！睂ρ劬ψ钪苯拥耐{來自于光的強(qiáng)度：有些HBLED可以從一個(gè)小片芯中產(chǎn)生高達(dá)150lm的光。在某種情況下，這種光強(qiáng)可以通過光熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)過程而損壞眼睛。對這些類型的損害，我們?nèi)梭w的眨眼反應(yīng)沒有多大的保護(hù)作用，因?yàn)樵诎l(fā)生損害的視覺光譜末端，不會(huì)出現(xiàn)這種反應(yīng)。

　　光熱損害出現(xiàn)在視網(wǎng)膜溫度增加大約10℃時(shí)。由于熱量傳過視網(wǎng)膜的方式，這種損傷直接與束斑尺寸有關(guān);它隨著焦點(diǎn)的增大而增加，就像壓在皮膚上的一根針會(huì)造成遠(yuǎn)高于相同壓力手指的疼痛。隨著波長從約550nm(綠色)通過黃色、橙色和紅色延長到IR(紅外)，這種類型的損傷逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　另一方面，強(qiáng)烈的紫外光和藍(lán)光會(huì)造成眼睛的光化學(xué)損害。藍(lán)光和短波長的危險(xiǎn)性比IR輻射高出1000倍。同樣，這種情況下眨眼反應(yīng)是沒有用的。Eskow強(qiáng)烈建議設(shè)計(jì)者將HBLED的安全性列入主要的設(shè)計(jì)考慮因素，因?yàn)檫@些器件正在成功進(jìn)入越來越多的應(yīng)用中，從照明到醫(yī)療設(shè)備，甚至玩具。