大功率LED

大功率LED是指擁有大額定工作功率的發光二極體。普通LED功率一般為0.05W、工作電流為20mA，而大功率LED可以達到1W、2W、甚至數十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。由於目前大功率LED在光通量、轉換效率和成本等方面的制約，因此決定了大功率白光LED短期內的套用主要是一些特殊領域的照明，中長期目標才是通用照明。

基本介紹

• 中文名：大功率LED
• 使用壽命：50,000小時以上
• 耐高溫：135度.
• 低溫：-45度

簡介

大功率LED作為第四代電光源，賦有“綠色照明光源”之稱，具有體積小、安全低電壓、壽命長、電光轉換效率高、回響速度快、節能、環保等優良特性，必將取代傳統的白熾燈、鹵鎢燈和螢光燈而成為21世紀的新一代光源。

特點

大功率LED作為照明光源具有體積小、耗電小、發熱小、壽命長、回響速度快、安全低電壓、耐候性好、方向性好等優點。 外罩可用PC管制作，耐高溫達135度.，低溫-45度

1.使用壽命：大功率LED路燈使用壽命高達50,000小時以上

2.節能：比高壓鈉燈節電80%以上

3.綠色環保。大功率LED路燈不含鉛、汞等污染元素，對環境沒有任何污染

4.安全：耐衝擊，抗震力強，led發的光在可見光範圍內，無紫外線（UV）和紅外（IR）輻射。無燈絲和玻璃外殼，沒有傳統燈管碎裂的問題，對人體無傷害、 無輻射；

5.無高壓，不吸灰塵。消除了普通路燈因高壓吸收灰塵導致燈罩發黑引起的亮度降低；

6.無高溫，燈罩不會老化發黃。消除了普通路燈因高溫烘烤燈罩使其老化發黃引起的亮度降低和壽命的縮短；

7.啟動無延時。led在納秒級，通電即達正常亮度，無須等待，消除了傳統路燈長時間的啟動過程；

8.無頻閃。純直流工作，消除了傳統路燈頻閃引起的視覺疲勞；

9.無不良眩光。消除普通大功率LED路燈的不良眩光所引起的刺眼、視覺疲勞與視線干擾，提高駕駛的安全性，減少交通事故的發生。

10.柔性化好——LED光源的精巧，使LED燈能適應各種幾何尺寸和不同空間大小的裝飾照明要求，諸如：點、線、面、球、異形式，乃至任意藝術造型的燈光雕塑；

11. 色彩純厚——由半導體PN結自身產生色彩，純正，濃厚；色彩豐富——三基色加數位技術，可演變任意色彩；

可用範圍：

大功率LED在油田、石化、鐵路、礦山、部隊等特殊行業、舞台裝飾、城市景觀照明、顯示屏以及體育場館等，特種工作燈具中的具有廣泛的套用前景。

工作原理

發光二極體（LED）是一種能把電能轉化為光能的固體器件，它的結構主要由PN結晶片、電極和光學等系統組成。LED的基本工作原理是一個電光轉換的過程，當一個正向偏壓施加於PN結兩端，由於PN結勢壘的降低，P區的

正電荷將向N區擴散，N區的電子也向P區擴散，同時在兩個區域形成非平衡電荷的積累。由於電流注入產生的少數載流子相對不穩定，對於PN結系統，注入到價帶中的非平衡空穴要與導帶中的電子複合，其中多餘的能量將以光的形式向外輻射，電子和空穴的能量差越大，產生的光子能量就越高。能量級差大小不同，產生光的頻率和波長就不同，相應的光的顏色就會不同。

優缺點

由於大功率白光LED的轉換效率還較低，光通量較小，成本較高，白光使用時間長易變色，散熱等方面因素的制約，因此大功率白光LED短期內的套用主要是一些特殊領域的特種工作燈具，中長期目標才能是通用照明領域。

大功率和標準功率LED產品的對比

1、簡化設計過程

由於需要考慮極大簡化熱管理，因此相對於大功率技術所需的設計過程，標準LED陣列所需的設計過程要簡單得多。在我們的理論例子中，驅動1W LED需要350mA電流，而六個標準LED陣列僅需120mA電流。大功率技術需要使用散熱片和金屬芯PCB板，以確保避免結點溫度過高而造成的效率損失、使用壽命降低或者褪色。

因為標準的LED不需要使用散熱片、金屬芯印刷電路板(MCPCB)、電容器或電阻器，所以這些LED更易於設計、測試和製造。這種簡化的過程不僅為生產過程節約了時間和金錢，而且還可以加快產品的上市時間。

2、節省成本

大功率LED需要進行熱管理，這極大地增加了LED的成本。在設計過程中，最昂貴的附加物就是散熱片。散熱片可以由各種金屬材料製作，這些材料既包括相對便宜的鋁，也包括導電性能更好但卻更昂貴的材料(如銅和銀)。這些昂貴的材料可能導致大功率產品的成本增加1~10美元，而標準LED器件就可以避免這種成本的增加。

同樣，大功率LED也需要使用MCPCB作為另一種被動冷卻技術來控制結點溫度。因為MCPCB的材料具有更好的導熱性，所以相比於標準LED使用的更便宜的FR4 PCB，這些電路板的散熱效率更高。然而，其成本卻可能高達FR4 PCB成本的5倍。使用更便宜的FR4 PCB，根除對昂貴散熱片的需求，以及簡化設計的考慮事項，可以節約高達60%的成本。

3、節省空間

當設備的內部空間限制非常大時，標準LED通常是最佳的選擇。如上所述，大功率LED需要額外使用散熱片以及總體來說較占空間的冷卻技術。其首要任務是創造更多的表面積，以通過對流和輻射冷卻。表面積較大可以更有效地幫助減少熱量，但是同時也增加了大功率LED的體積。這對於較小空間和較小產品而言，增加了設計障礙。

標準LED陣列通常不需要占用空間的驅動器、電容器和電阻器(這些均為大功率LED所需)，從而節省了高達50%的空間。針對有限空間的套用，標準LED陣列可以提供與大功率LED相等的亮度，而同時又能極大地節省空間。

種類

封裝器件成品

市場有普通型和集成型大功率LED兩種。而普通型大功率LED分為單色光與RGB全彩兩種，集成型大功率LED一般均為單色，RGB全彩的極少。

照明套用成品

大功率LED有很多種，如大功率LED路燈、大功率LED射燈、大功率LED投光燈、大功率LED水底燈、大功率LED天花燈、大功率LED洗牆燈、大功率LED隧道燈……

其中，大功率LED路燈和大功率LED洗牆燈套用的是最為多的，也是最流行的。

結構

1. 大功率LED射燈的結構，大功率LED射燈包含外殼、LED、PCB板、驅動和底座五個部分。

外殼主要承擔散熱和保護LED以及成形的作用。大功率LED射燈的外殼的材料一般來說都是鋁，第一散熱好，其次質量較其他金屬要輕。有些外殼為了美觀，還會鍍上鉻和鎳等金屬。功率較高的大功率射燈，人們通常用銅質的外殼。外殼的設計上一般採用的是扇形圍邊設計，也就是在外殼的周圍是一些扇葉裝外延體，主要目的是增加散熱面積，提高散熱效率。

大功率射燈用LED市場上只有兩種，即1W和3W兩種，有較少廠家用5W和100W的來做，但由於散熱不能很好解決，基本沒有太大的市場。

PCB板是用來置放並排布大功率LED的，同時又起著將LED與外殼之間絕緣並且將熱量傳導至外殼的作用。市場上有兩種PCB板，一種是適用於普通大功率LED的PCB，另一種是適用於CREE大功率LED的PCB板。

驅動：又稱電源，承擔給LED供電的作用。常用的電源有兩種：AC12V/DC12V，AC85-260V。簡稱低壓和高壓驅動。高壓驅動是將AC85-260V的輸入電壓轉化為適用於LED的5V左右電壓，同時滿足其輸入電流。高壓電源分為隔離電源和非隔離電源兩種，隔離電源帶有變壓器，但成本較高；非隔離電源沒有變壓器，成本較低，但使用時不夠安全，採用的是隔離電源。

底座：大功率射燈的底座有Gz4，GU5.3，GU10，E27，E26，E14，B22等。Gz4即為常規MR11所用的底座，Gu5.3為MR16所用底座，這兩種底座公用一種燈座。E26，E27，E14都是螺旋底座，其中E26為美洲及日本110-130V電壓適用的底座，E27為亞洲歐洲220-240V電壓適用底座。B22主要在中國及東南亞使用較多。

封裝技術

大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方面，如圖1所示。這些因素彼此既相互獨立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關鍵，電、結構與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現。從工藝相容性及降低生產成本而言，LED封裝設計應與晶片設計同時進行，即晶片設計時就應該考慮到封裝結構和工藝。否則，等晶片製造完成後，可能由於封裝的需要對晶片結構進行調整，從而延長了產品研發周期和工藝成本，有時甚至不可能。

具體而言，大功率LED封裝的關鍵技術包括：

(一)低熱阻封裝工藝

(二)高取光率封裝結構與工藝

(三)陣列封裝與系統集成技術

(四)封裝大生產技術

(五)封裝可靠性測試與評估

存在問題

我國雖有多家企業開發生產LED城市照明路燈，但很多是用小功率LED陣列作發光體，散熱問題解決了，所用LED數量要很多，小功率LED光衰強，安裝成本高。

城市照明LED路燈採用大功率LED是發展的趨勢，少數用大功率LED作發光體的路燈產品由於沒有很好地解決功率達到一定量時，LED的散熱問題;LED的散光和聚光控制問題;路燈在路面照射面的照度範圍、型態和照度的均衡問題;光電轉換效率太低，每瓦只有幾個流明等問題。因此產品性能還不盡如人意；高性能的產品價位又居高不下，難以推廣普及。

散熱和可靠性是影響大功率LED套用主要因素 。LED封裝光源的散熱問題，一直是LED產品開發中遇到非常重要的問題，其中產品材料的導熱性能就非常之關鍵。陶瓷材料是導熱性能非常好的材料，它有導熱率高，良好的物量性能（不收縮，不變形），良好的絕緣性能與導熱性能。因此，採用陶瓷材料將是未來LED產品開發的主流趨勢。

光源優點

大功率LED一般是指lW以上的LED光源。與前三代光源比較，具有以下優點：

(1)環保、無污染——在現代社會，這是最重要的一條。LED為固態照明，不含汞等重金屬，不污染環境，對人

體沒有不良影響。

(2)高光效— 鹵鎢燈色溫為3200 K時，光效在24 lm/W左右；高顯色

的氣體放電燈及三基色螢光燈的光效不超過100 lm/W；高顯色~I．ED光源，品牌產品白光LED的光效已超過100 lm/W。400 nm～700 I1I蛐等能量白光，理論光效值為241 lm/W。在不久的將來，滿足影視、舞台需要(主要指顯色指數及色溫)的LED光源光效完全可能超i 00 lm/W。

(3)壽命長——影視、舞台常用的鹵鎢燈壽命只有200 h～300 h；電腦燈中的金屬鹵化物燈一般為幾百/J\13,J；三基色螢光燈的壽命可達8 000～10 000 h；而品牌的大功率LED光源在燈具中的壽命，已超過10 000 h。隨著燈具及驅動電源散熱條件的改進，不久的將來，其壽命有可能達到30 000h～50 000h。

(4)發光回響時間快——前三代光源中，白熾燈的點亮時間最短，大約為100 ms(毫秒，1 ms=10- s)。而LED

的點亮時間僅為納秒(1 ns=10 s)級，因此，高頻特性好。

(5)適宜在低溫條件下工作——在景觀照明中，特別是像冰燈這樣的景觀，由於溫度很低，螢光燈往往難以啟

動，而LED光源在低溫下壽命會更長。

(6)在影視、舞台照明中需要多姿多彩的顏色時，LED光源具有突出的優點：在一檯燈具中可放置多種顏色的

LED，用加色法得到各種各樣的顏色，光通利用率高，顏色飽和度也高。

發展趨勢

1.大功率led光效提高空間還很大。led光效已超過前三代光源，但距理論最高值還相差很遠，也就是說它還有很大的發展潛力。led的內量子效率可以做的很高一般都可以到90%以上，但外量子效率普遍很低。如果能大幅度提高外量子效率，就可以大大提高led產品的發光效率。這是led的重點研究課題之一。另外，在談及led光源光效的時候，要區分幾個概念。首先，實驗室內led光源達到的光效，不表示現有產品的光效，它還要解決生產工藝等一系列問題才能變成批量產品。因此它代表的是未來產品的光效。其次，低顯色指數產品的光效，不代表高顯色指數產品的光效。有些廠家在宣傳其產品的時候，說產品的光效達到多少流明瓦，是顯色指數比較低的led光源的數值，高顯色指數的led光源達不到所宣傳的數值。還有，的led光源，高色溫光源比低色玩光源的光效高，5600K的led比3200k的led光效高。了解led的這些特點，便於正確選購所需要的產品。

2.提高顯色指數是led光源的重要課題之一。一般情況下，顯色指數高，光效往往低一些；光效高，顯色指數就差一些。有些套用領域，例如影視、舞台照明，對光源的顯色指數就要求很高。

使用注意事項

大功率led屬於敏感型元器件，散熱和可靠性是影響大功率LED套用主要因素 ，那么在使用大功率led光源時要注意哪些問題呢？

散熱

由於半導體發光二極體晶片技術的限制，LED的光電轉換效率還有待提高，尤其是大功率LED燈珠，因其功率較高，大約有60%以上的電能將變成熱能釋放（隨著半導體技術的發展，光電轉換效率會逐漸提高），這就要求終端客戶在套用大功率LED產品的時候，要做好散熱工作，以確保大功率LED燈珠產品正常工作。
1．散熱片要求。
外型與材質：如果成品密封要求不高，可與外界空氣環境直接發生對流，建議採用帶鰭片的鋁材或銅材散熱片。
2．有效散熱表面積：
對於1W大功率LED白光（其他顏色基本相同）一些使用單位使用散熱片，有效散熱表面積總和≥50-60平方厘米。對於3W產品推薦散熱片有效散熱表面積總和≥150平方厘米，更高功率視情況和試驗結果增加，儘量保證散熱片溫度不超過60℃。
3．連線方法：
大功率LED燈珠基板與散熱片連線時請保證兩接觸面平整，接觸良好，為加強兩接觸面的結合程度，建議在LED基板底部或散熱片表面塗敷一層導熱矽脂（導熱矽脂導熱係數≥3.0W/m.k），導熱矽脂要求塗敷均勻、適量再用螺絲壓合固定。

靜電防護

因為LED屬半導體器件，對靜電較為敏感，尤其對於白、綠、藍、紫色LED燈珠，所以要做好預防靜電產生和消除靜電工作
1．靜電的產生：
摩擦：在日常生活中，任何兩個不同材質的物體接觸後再分離，即可產生靜電，而產生靜電的最常見的方法，就是摩擦生電。材料的絕緣性越好，越容易摩擦生電。另外，任何兩種不同物質的物體接觸後再分離，也能產生靜電.
感應：針對導電材料而言，因電子能在它的表面自由流動，如將其置於一電場中，由於同性相斥，異性相吸，正負離子就會轉移，在其表面就會產生電荷。
傳導：針對導電材料而言，因電子能在它的表面自由流動，如與帶電物體接]觸，將發生電荷轉移。
2， 靜電對LED燈珠的危害：
因瞬間的電場或電流產生的熱，使LED燈珠局部受傷，表現為漏電流迅速增加，仍能工作，但亮度降低（白光將會變色），壽命受損。
因電場或電流破壞LED燈珠的絕緣層，使器件無[法工作（完全破壞），表現為死燈。
3.靜電防護及消除措施：
對於整個工序（生產，測試、包裝等）所有與LED燈珠直接接觸的員工都要做好防止和消除靜電措施，主要有：
車間鋪設防靜電地板並做好接地。
工作檯為防靜電工作檯，生產機台接地良好[。
操作員穿防靜電服、帶防靜電手環、手套或腳環。
套用離子風機，焊接電烙鐵做好接地措施。
包裝採用防靜電材料。

焊 接

焊接時請注意選擇恆溫烙鐵，焊接溫度為260℃，烙鐵與LED焊盤一次接觸的時間不要超過3S（焊接時注意電烙鐵一定要接地，操作人員要佩帶靜電手環或吹離子風機）
四驅動電路因大功率LED遵循二極體的伏安特性曲線，如果驅動電壓浮動則相應的驅動電流漂移很大，容易損害燈珠，因此建議使用較穩定的恆流驅動電源或IC，而不要採用恆壓驅動電源或IC.