LED环保光源生活化应用与路灯设计技术关键分析

 

　　LED光源就是发光二极管（LED）为发光体的光源。发光二极管发明于20世纪60年代，在随后的数十年中，其基本用途是作为收录机等电子设备的指示灯。这种灯泡具有效率高、寿命长的特点，可连续使用10万小时，比普通白炽灯泡长100倍。科学家预测，在未来5年，这种灯泡很可能成为下一代照明的主流产品。LED的发光原理与白炽灯和气体放电灯的发光原理都不同，LED光源的能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗，LED相比荧光灯也可以达到50%的节能效果。节能效果显着，这对能源十分紧张的中国来说，无疑具有十分重要的意义。LED还可以与太阳能电池结合起来应用，节能又环保。其本身不含有毒有害物质（如：汞），避免了荧光灯管破裂溢出汞的二次污染，同时又没有干扰辐射。

　　目前，涉足白光LED的照明产品（如本文探讨的半导体环保节能台灯）的企业基本上处于产品的研发和试产的阶段。我们与国外企业的差距并不大，只要从现在开始抓紧，我们在半导体光电子领域就一定能够有所作为，这对我国照明传统产业的技术转型和提升照明产品的国际竞争力有迫切而实际的意义。LED照明灯具包括半导体环保节能台灯，从技术领域来看，也处于研发及小批量生产状态。LED照明灯的技术水平，国际水平和国内水平相差不大，基本可以说国内及台湾的发展水平略处于国际水平，因为LED照明灯的生产居于劳动密集型产品，在我国珠江三角洲地区正拥有世界上丰富的灯具配套市场，因此拥有较好的技术基础。

　　LED特性显着优于白炽灯、高压纳灯

　　与传统的照明工具相比，LED照明工具，特别是GaN基白光LED照明，在功耗及寿命方面均有不可比拟的优越性。传统白炽灯采用热发光技术，浪费了90%的能源，而发光二极管的效能转换率却非常高。由于半导体照明具有节能、长寿命、免维护、环保等优点，业内普遍认为，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯也是大势所趋；半导体LED越来越被认同是绿色照明的理想光源。

　　相对的，原本多用于指示型光源的LED产品，近年在磊晶、封装、散热设计、驱动技术持续发展，目前已成为可与传统光源一较长短的新兴未来光源技术！而LED为全新型态的发光源，若与传统白炽灯进行比较，则有相当多明显的应用优势。

　　●LED光源具备环保优势

　　正因为LED发光元件本身即为全固态发光元件，因此元件本身具耐冲击、不易碎优势，而LED废弃物亦可资源回收，至于LED生产过程亦不需使用具污染疑虑氮化物、二氧化硫等有害气体，可改善温室气体在生产或使用中产生，改善我们的居住生活环境。

　　●LED光源耗电量极低

　　LED单个发光元件的消耗功率仅0.03~0.06W,而LED为采DC直流方式驱动，单元件的驱动电压多为1.5~3.5V之间，其驱动电流可在15~20mA,基本上在驱动的同时即可瞬间点亮元件。LED元件发光致能速度反映极快，同时可于高频点灭间进行运作，如果以单颗白炽灯的耗能观察，一个LED元件在发光时的耗能仅白炽灯泡的万分之一，若比较40W的萤光灯管能耗，若LED要发出与40W萤光灯管的亮度，采取LED模块取代仅需使用不到10W的能耗，就能发出相同的亮度。

　　●LED发光效率高

　　若以发光效率进行不同光源特性比较，一般白炽灯、卤素灯的发光效率为每瓦可发出12~24流明、萤光灯为每瓦60~70流明、高压钠灯则为每瓦100~140流明，而多数发光过程产生的废热成为消耗能源的去处，而为了散热或是因热影响温室效应产生，都是使用传统光源的不良影响。观察LED的发光效率会发现，依不同设计方式，目前每瓦可以产生50~200流明的发光效能。

　　●LED光源为较安全的光源

　　LED光源具备灯具之发热量较低，光源亦无热辐射性，灯具本身可触摸，同时LED为点光源，可以搭配PCB板或软板设计让灯具可发展为任意造型，设计者可以控制光形设计或发光角度，利用不同元件可以调配所需的光色，同时LED元件可不含汞、钠等可能危害健康的不良物质。

　　●LED光源具寿命长效益

　　观察常用传统光源会发现，如白炽灯、萤光灯、卤素灯，由于采用电子光场以辐射方式进行发光，而这类灯具会发生灯丝易烧熔、灯具内产生热沉积、元件长时间使用呈现光衰减等限制，若改用LED则有相当多的优势，例如灯体本身的体积可以相对较小、重量轻，以环氧树脂进行封装还可具备高冲击、耐震动的使用要求，元件的平均寿命可达10万小时，多数LED灯具在设计方面可达到保用寿命达5年以上，降低建筑或生活照明灯具的维护成本。

　　而目前用量较多的属「白光」产品为多，以市售白光LED作法相当多元，大致能汇整三种制作方式，例如，可利用三原色生产高亮度的白光LED产品，例如将蓝、绿、红三色高亮度LED进行0.38/2/1比例调配混光，即可产生几近完美的白光效果。另一种作法是利用高亮度的蓝光LED为基础，例如采InGen制作的方式，搭配不同的萤光粉配方进行透明塑料封装，如此一来蓝光搭配不同萤光粉设计，即解决白光的发光需求。至于「节能」，即是促使用户大量采行LED发光源的关键原因，而这也是大量路灯采行LED发光源设计的重点效益。

　　LED取代传统光源必须突破的技术限制

　　LED由于发光原理异于传统光源，因此具备低能耗、省电、寿命长与耐用等优点，但在各方强调「节能」的应用前提下，LED用于取代传统光源成为相关业者看好的光源技术，然而，LED为点状光源，发光过程所产生的热源多数集中在单点，加上随元件功率（发光效率）增加、LED元件产生热处理设计，自然成为技术发展的关键限制，而热处理没做好也将导致发光效率低落或提早使元件出现光衰问题。

　　一般定义当LED发光效率低于原有效率的70%以下，即可视为LED寿命达到必须更换的程度，一般LED的发光效率会随使用时间增加、应用次数提升而降低，而过高的元件与接面温度也会加速LED发光效率降低。

　　LED芯片技术日益成熟，单一芯片输入功率亦不断提升，但此举虽能有效提升发光效率与单位元件的亮度表现，但元件温度过高也会加速产品老化。一般的设计作法是透过主、被动冷却手段来防止LED工作温度持续飙高，若无法有效将芯片接面与灯具本体产生的热源处理掉，所产生热效应将会变得显着，即加速元件衰竭、减少寿命，温度升高也会使发射光谱产生红移、色温质量下降。

　　当LED发光二极管p-n接面温度（Junction Temperature）达25℃的典型工作温度时，此时LED的亮度定义为100,若温度升高至75℃状态，亮度会持续递减至80,若持续加温至元件至125℃，发光亮度可能仅达到60以下！接面温度与发光亮度呈反比线性关系相当明确。接面温度除影响照明质量，元件高温也对使用寿命产生影响。

　　针对LED元件特性的高效散热手段

　　LED元件热传递路径可分为三种型态，分别为热辐射传递（Radiation heat transfer）、热传导传递（Conduction heat transfer）、热对流传递（Convection heat transfer），LED在三种热传导方式作用方式差异相当大，可从空气中散逸或直接由基板导出、或经由金线传导热能。而LED各部位热流量所占比例，以铝基板（MCPCB）和电极引脚（Lead），的热流占比，由于LED接面温度较其它光源温度低许多，因此，热能无法透过辐射模式散逸，加上为求高亮度采取高电流驱动会间接使LED芯片接面温度提升，系统化的设计必须考量良好的LED封装及模块设计，做到为LED元件提供适当热传导途径，降低p-n接面温度。

　　应用高散热性基板强化散热

　　LED散热处理设计，可自LED晶粒与元件载板下手，进行散热设计改善，实务设计中，承载LED晶粒载板属于LED封装制程可加强技术改善的重点，但LED元件与PCB电路基板的散热设计，一般为模块厂商的散热改善设计关键。常见采AlN、SiC、BeO绝缘材料材质设计陶瓷基板，因材料本身具备绝缘特性，减省绝缘层工序处理，陶瓷基板另具备多项优点，例如，可承受电压、击穿电压（Break-down voltage）较高、热膨胀系数匹配表现，制成元件具备低热应力、热变形优点，但关键问题仍在成本过高。

　　而LED常见基板散热的设计方式相当多，传统的方式为采金属基板（MCPCB）设计。金属基板多以铜（Cu）、铝（Al）为材料，可分金属基材（metal base）、金属蕊（metal core），至于金属基板制程还必须多许多绝缘工序，这也是成本居高不下的问题。单价较高的覆铜陶瓷基板（DBC）多用于高单价产品，覆铜陶瓷基板DBC的原理是将铜箔材质，直接透过制程将之烧结至陶瓷表面处，让基材形成的一种复合型态的基板形式。至于PCB及金属基板MCPCB,为可使用于一般LED元件应用的产品。

　　利用封装方式设计改善散热

　　LED不同封装方式，对于散热效率也有极大影响，以SiC、Sapphire不同封装芯片进行热分析，如果采不同封装的芯片发热量一致，SiC封装方式芯片温度会呈现较均匀的分布状态、接面温度也相对较低，此与SiC具较高热传导系数有关。LED元件本身散热设计，还有多个可控制变因，例如，LED介电层厚度、电路层厚度、焊锡厚度与环境温度等。

　　LED 除了考虑芯片温度之外，仍需考虑以热阻大小（热量传递至每个传输介质，在介质两侧所产生之温差，除以发热瓦数，即可求出热阻值，热阻的定义就类似电阻一样）来判断散热效率的好坏，在LED散热设计时，需降低LED整体封装热阻值确保元件能稳定运作。

　　LED光源的路灯应用市场

　　路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯360度发光，光损失大的缺点造成了能源的巨大浪费。当前，的环境在日益恶化，各国都在发展清洁能源。而随着国民经济的高速增长，我国能源供需矛盾日渐突出，电力供应开始存在着严重短缺的局面，节能是目前所急需解决的问题。因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的LED路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，LED路灯以定向发光、功率消耗低、驱动特性好、响应速度快、抗震能力高、使用寿命长、绿色环保等优势逐渐走入人们的视野、成为目前世界上有替代传统光源优势的新一代节能光源，因此，LED路灯将成为道路照明节能改造的选择。

　　LED路灯用途可以说是让LED照明光源用量激增的关键应用，观察目前台湾LED路灯的国家标准（LED路灯照明标准CNS15233）在2008年底公告，大陆的路灯标准原本采取由各省份（地区）统一公布方式施行，这将导致相关产品的性能测试会出现差异，影响LED的良性发展。

　　而大陆的全国性的LED路灯标准，会使LED路灯产品在质量验证方面更有依据，并提供一个评估的基准。欧、美地区的LED标准，同样会将标准聚焦在LED光源的光角度、光质量与光衰多项要求。

　　在整体LED路灯设置中，电源供应器为相当关键的元件，因为目前多数LED元件仍属于DC直流驱动方式，这表示若要点亮路灯，必须经过将AC交流转换为DC直流驱动的程序，而能源转换的过程就无法避免产生转换损失，基本上要使LED路灯的运作表现达到更好的节能效益，在能源转换环节就必须达到高转换效率、低转换损失的设计，这会让LED路灯的BOM成本增加。

　　因应路灯设施将销售到各国的设置需求，这代表电源供应器装置本身即必须因应各国安规规范，而观察目前实验设置的LED路灯设施的使用现况发现，多数LED路灯故障的主因大都源自电源供应电路失效或运作稳定度造成，尤其是路灯为设置在户外恶劣环境条件，更考验着电源供应电路的运作稳定性与抗候、抗环境温差设计。

　　LED路灯散热处理、光形为产品表现关键

　　LED虽具备低热发光，但实际上点状光源的LED会让点亮过程产生的热源，过度集中在元件的单点上！这代表LED灯具必须搭配更高效能的散热处理设计，才能因应路灯的散热要求，让LED发光元件不会因为散热不良让运作出现不稳定，或设施提早出现光衰问题。

　　常见的LED路灯散热设计，多数会采取铝挤型散热器方式设置，或搭配鳍片型散热器，或在装置内部的热源产生重点位置，搭配热导管甚至风扇主动式散热机制。

　　随着绿色照明概念的提出，研制新型的环保节能台灯成为当务之急。不断努力，业已研发出一系列半导体环保节能台灯，成为国内将半导体LED用于室内照明的重要的先驱厂家。其推出的实用新型的台灯，由于以发光二极管为光源，再配以专门设计的外形结构，可极大限度地利用光的效率，给人以温馨或者恬静的感觉，特别适用于家庭、宾馆以及办公室等环境的工作、学习、休息等照明与装饰的需要，由于基本消除了频闪，使得灯光对视力保健更有效果，同时，还具有节省电能的效能。相信随着科技的发展，未来的照明光源将以环保节能的半导体发光器件为主，更易控制和实现多功能化和智能化。