上海龍茂微電子有限公司 茅于海

　　現在大家開始意識到，光衰是大功率LED路燈不能長期工作的主要原因，也開始認識到降低光衰的一個重要方法就是改進其散熱。盡管如此，從這次深圳市燈光環境管理中心對各種路燈的測試結果來看，仍然有大多數路燈的光衰是不能滿足使用要求的。1200小時亮燈后的光衰，最好的為8%，最差的為26%，平均為14%。按照Cree公司的測試結果，結溫在105度時，14%光衰也應當要在工作了6000小時以后，可見大部分路燈的結溫在105度以上。

圖1. Cree公司LED的結溫和光衰壽命試驗結果

　　可能不少公司不會同意這樣的結果，因為他們認為他們的散熱器都是經過精心設計的。實際情況可能也是如此，但是測試的結果也不容懷疑。問題出在哪里呢?

　　我認為，可能散熱器也不至于設計得這么差，而可能是因為有一些路燈是采用恒壓電源供電的結果。

　　可是為什么采用恒壓電源供電會引起光衰呢?這聽上去好像有點天方夜譚。但實際上的確有這么嚴重。讓我們來從頭說起吧!

　　1.LED的伏安特性

　　我們都知道，LED是一個二極管，而二極管最重要的電特性就是它的伏安特性。圖2中給出了Cree公司的XLamp7090XR-E的伏安特性。

圖2. XLamp7090XR-E的伏安特性

　　2.LED伏安特性的溫度特性

　　雖然它的樣子和一般二極管沒有什么兩樣，但是最大的不同在于它的溫度特性。其實所有二極管的伏安特性都有溫度特性的問題，可是就是LED是需要特別加以注意的。這是因為：

　　2.1 大功率LED的工作電流比較大，1W為0.35A，3-5W為0.7A，20W為1.05A，30W為1.75A，50W為3.5A。不過可能也會有人覺得，整流二極管的正向電流也可能達到這樣大的數值的。

　　2.2 LED因為目前的發光效率還是比較低，所以大部分的輸入電功率都是轉化為熱，所以它的發熱很高，假如散熱器做得不好，那么結溫就會升得很高。

　　2.3 LED不同于整流二極管，它不是采用一般的硅材料做成的，而是采用特殊的材料(例如氮化鎵)制成。所以它的伏安特性的溫度特性也不同于一般二極管，而是要明顯大于一般二極管。例如一般二極管的伏安特性的溫度特性為-2mV/C，但是Cree公司的XLamp7090XR-E的伏安特性的溫度特性卻高達-4mV/C，要比一般的二極管大一倍。

　　3. 由結溫升高產生的問題

　　3.1 LED結溫升高以后首先帶來的是光輸出降低。

圖3. XLamp7090XR-E的相對光輸出隨結溫的升高而降低

　　3.2 結溫升高引起伏安特性的左移

　　因為伏安特性的溫度系數是負的，這意味著溫度升高，特性左移。例如，假定結溫升高50度，那么伏安特性就會左移200mV。

　　4. 采用恒壓電源供電會使LED正向電流隨溫升的增加而增加。

　　因為電源電壓是恒定的，而伏安特性卻左移了，其結果就是正向電流增加。從圖2的伏安特性可以看出，假如常溫下用3.3V的恒壓電源供電，其正向電流為350mA;結溫升高50度以后，伏安特性左移0.2V，那么相當于電源電壓升高到了3.5V，這時候，正向電流就會增加到600mA。

　　5. 采用恒壓電源供電會引起溫升增加的惡性循環

　　正向電流增加以后，因為電源電壓沒有變化，所以LED的輸入功率增加到3.3Vx0.6A=1.98W，

　　幾乎增加了一倍。但從圖3可以看出，結溫升高以后，光輸出會降低，這意味著更多的輸入功率轉換為熱能，也就是說如果這時候增加正向電流，它的光輸出并不隨著增加，反而降低。所以，這時的正向電流的增加只會引起結溫增加，而不會使光輸出增加。

　　所以，結溫增加以后正向電流增加結溫再增加正向電流再增加.

　　這就引起結溫升高的惡性循環。

　　結論：采用恒壓電源供電會使結溫升高，光衰加大，壽命縮短

　　所以，從前面的分析，可以得出這樣的結論：采用恒壓電源供電會使結溫升高，而結溫增加的結果就是光衰加大，壽命縮短。假定LED在常溫25度時開機，開機以后結溫就會升高，假定散熱器設計為溫升至75度，也就是結溫增加了50度，那么就會使得正向電流增加至600mA。總功率從1.155W增加到1.98W，增加了0.825W。而這部分所增加的功率幾乎全部轉換為熱量。假定原來LED的發光效率為30%，也就是70%的輸入功率(0.8W)都轉換為熱能。現在又多了一倍的熱能需要從散熱器散出去。顯然，這是原來的散熱器設計沒有考慮到的。這就使LED的結溫又升高50度，變成了125度。我們回到圖1來看光衰曲線，125度的光衰為14%的壽命也就差不多為1200小時，那么也就可以解釋為什么一個精心設計的散熱器，如果采用恒壓電源供電，其結果仍然是光衰很大，壽命很短了!

　　所以，給LED供電，一定要采用恒流電源供電，電流恒定以后，不管溫度怎么變化，伏安特性如何左移，電流都不變!結溫也就不會惡性循環了!

　　茅于海教授簡歷：

　　清華大學電子工程系教授、中國電子學會會士、美國IEEE高級會員。1982年任中國科學院技術科學部電子學分組成員。并任第一屆、第二屆中國宇航學會理事，86年任國家高技術八六三計劃信息技術專家委員會委員、1980-1981年，應美國康乃爾大學聘請任副研究員。1987-1988年，應日本學術振興會的邀請在日本東京工業大學研究所任訪問研究員。1990-1992年應美國Stanford大學聘請任客座教授。1989年在美國硅谷創辦Specom技術公司，1995年至2001年任美國ESS技術公司首席科學家。 2001年任北京萬事曉科技公司董事長。2003年任伯威微電子(上海)公司首席科學家。2004年任美國PAM(Power Analog Microelectronic)公司首席科學家，致力于黑色家電節能的綠色芯片的開發和應用，包括各種電源管理，D類功放和LED恒流驅動芯片。2006年任上海龍茂微電子公司總經理，該公司的主要方向為開發和銷售各種LED燈具恒流驅動模塊。

　　茅于海教授曾于1984年獲得國家發明一等獎。

　　(作者聯系方法：yuhai.mao@poweranalog.com, 公司網站： www.long-mao.com.cn )