高亮度LED的新應用與新標準

要點：總體照明系統效率包括電源轉換、電流調節以及HBLED(高亮度發光二極管)裝置本身的效率，而不只是HBLED片芯的效率。

　　HBLED照明系統現在的效率低于最高效的熒光燈。但HBLED將在三年內迎頭趕上。

　　HBLED的其它優點有純凈光源、緊固性和調光控制能力，將幫助它們進入新型醫療與照明應用。

　　HBLED(高亮度發光二極管)的功率在不斷增加：例如，Cree公司現在提供88lm/W的器件，并且計劃在今年年底提供100lm/W的器件，五年內將出現150lm/W器件。作為獨立元件，HBLED效率高于白熾燈甚至熒光燈。但是，在系統級上，因為必須考慮它們帶來的功率損耗問題(包括AC/DC和DC/DC轉換與電流調節)，它們的優勢被削弱了。另外，LED照明裝置(或光源)會帶來損耗，LED組件本身亦有熱損耗。

隨著高亮度LED功率的增加，它們催生了很多新的應用，從建筑照明到醫療產品。能源之星照明標準正在逐步關注總體系統效率。

　　美國DOE(能源部)最近完成了針對SSL(固態照明)光源的新的能源之星規范，這樣系統設計者可以對光源與裝置采用相同的比較數字。新規范不是著眼于HBLED在元件級上的發光效率，而是整體的光源效率。

　　電流驅動的LED光強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，電壓上的小小變動會導致電流的一個相對較大的變化，亮度也產生變化，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務)都進入了LED驅動器電流調節市場。這些供應商包括：德州儀器公司、美國國家半導體公司、Intersil、Cypress、Maxim和LinearTechnology.

　　除了電流調節器以外，照明系統可能還必須帶有一個AC/DC轉換器，采用電池供電的系統可能還需要一個DC/DC升壓轉換器。總之，僅轉換方面，就可能損失10%~15%的系統功率。另外，由于反射和鏡頭損耗，設備中SSL的亮度損失可能高達一半。

　　能源之星SSL規范的標準將在2008年9月30日生效。該規范有兩個部分。CategoryA覆蓋今天現有的器件。它規定，一個符合CategoryA的嵌入發光設備(或“下射聚光燈”)必須為35lm/W.CategoryB將覆蓋三年內出現的高效SSL設備。那時，SSL能夠與今天采用傳統光源的最高效發光系統競爭。例如，現在最常見的高性能T8熒光燈和電子鎮流系統可以產生約100lm/W.這些熒光鎮流系統的高質量產品可以達到約70%的效率，獲得70lm/W的光源效率。而采用今天已商業化的SSL技術時，HBLED光源無法達到CategoryB級的最小發光效率。不過，LED技術正在快速發展，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勢，值得我們在獲得更高效率以前繼續跟蹤它的發展。例如，在熒光照明中，調光非常困難，而對LED不過是直接減小電流而已。另外，你可以用多個冷白色LED和暖白色LED陣列，動態地改變一個房間的顏色。預計SSL將在今后五年內成為家庭與工業照明的一種重要技術。

　　今天可用的多數HBLED都需要直流電壓和電流，因此，大多數SSL系統都含有轉換電路，將交流電源轉換為穩壓的直流電源。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半導體結。二極管結在總正向電壓接近于110V或220V的交流電壓時建立。這些器件有兩串背對背的LED.第一串導通，并在正半電壓周期內傳導，而第二個在另一串周期內導通，因此LED可在整個交流電壓周期內發光。直接采用交流工作簡化了電源轉換電路，增加了系統可靠性，并減少了設計時間。AcricheHBLED有兩種型號：用于100V/110V的AW3200和用于220V/230V的AW3220.兩種型號均具有59lm/W的效率，它低于直流供電的HBLED的發光，但也相差無幾。

　　隨著能量成本的持續上升，照明效率的重要性也日益增加。美國DOE估計，照明要消耗一座建筑20%的電力。然而，在發展中國家經常缺乏可靠的電力網絡，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，它既危險又昂貴。

　HBLED除了明顯的效率優點和壽命優點以外，還有其它的優點，并對非傳統照明應用很有吸引力。例如，它們有狹窄的光譜，因此最適合用作膽紅素燈。膽紅素是一種紅黃色的有機物，源自紅血球解體所產生的血紅蛋白。過高膽紅素會造成高膽紅素血癥，癥狀為黃疸，即鞏膜(即“眼白”)和體液等組織呈黃色。雖然一般不必擔心低水平的膽紅素，但大量膽紅素會循環至大腦組織，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，因為膽紅素會吸收藍光，分解為水溶形式而排出體外(圖2)。458nm~462nm區域中的窄帶藍光最有效。過去，膽紅素治療光線都采用定制的藍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，因此治療時間將延長。與之相比，藍光LED膽紅素光源可以有正確的頻率，幾乎不浪費光能量。另外，LED的膽紅素光源有機械穩定特性，更長的壽命，也比熒光設備低廉。在未來，光線療法將能通過“發光服”提供光照，提供比光箱更有效的治療方法。

　　HBLED與傳統白熾照明或熒光照明的一個顯著差異是，HBLED有更多的封裝變型。因此，可能預期將有一些關于封裝的標準出現，但至少五年內不會出現這種情況。Cree商務發展總監MarkMcClear預測說：“每次我們使HBLED更亮、更便攜和更高效時，都促成了更多的應用。我們位于一個陡峭的曲線上，要一次完成三個目標，一個重要的部分是封裝。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，而是因為(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業務部總監CaryEskow表示，HBLED的快速發展帶來了有關眼睛安全的問題，這些器件的設計者一般都要解決這個問題。他說：“HBLED的快速發展可能已超越了安全方面的設計。”對眼睛最直接的威脅來自于光的強度：有些HBLED可以從一個小片芯中產生高達150lm的光。在某種情況下，這種光強可以通過光熱效應和光化學效應過程而損壞眼睛。對這些類型的損害，我們人體的眨眼反應沒有多大的保護作用，因為在發生損害的視覺光譜末端，不會出現這種反應。

　　光熱損害出現在視網膜溫度增加大約10℃時。由于熱量傳過視網膜的方式，這種損傷直接與束斑尺寸有關;它隨著焦點的增大而增加，就像壓在皮膚上的一根針會造成遠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主導地位。

　　另一方面，強烈的紫外光和藍光會造成眼睛的光化學損害。藍光和短波長的危險性比IR輻射高出1000倍。同樣，這種情況下眨眼反應是沒有用的。Eskow強烈建議設計者將HBLED的安全性列入主要的設計考慮因素，因為這些器件正在成功進入越來越多的應用中，從照明到醫療設備，甚至玩具。