4. LED 控制

　　4.1 冷流明與熱流明

　　LED發出的光通量與正向電流的大小緊密相關，一般產品手冊中列出的光通量都是指在額定正向電流If (例如350mA)下的額定光通量。達到額定光通量所需要的輸入功率可以用 P=If×Vf 來計算。其中Vf是LED在額定電流If時的正向電壓。

　　LED的發光效能(后面簡稱“光效”)以光通量與輸入功率的比值來表達。但是，這些額定電流和電壓都是LED發光層Tj為25℃時的數值，這也就是我們所稱的冷流明。在實際的燈具中，LED的結溫會因為LED芯片能量轉換時的熱消耗而明顯上升。最高的結溫Tj按不同的LED種類一般在130℃到150℃。結溫越高對LED芯片的損耗越大。

　　如圖4.1.1所示，LED的光通量隨著結溫的升高而降低。所以在實際應用中，LED的結溫越低越好。我們所指的熱流明是指LED在達到穩定工作時的結溫(70-120℃)狀態下所發出的光通量。

圖4.1.1 相對光通量與結溫的函數關系曲線圖

　　另一方面，結溫越高LED芯片的內阻越小，光效越高。我們一般用“電壓的溫度系數VT”來表示這樣的降低，即mV/℃。

　　LED燈具中最常見的是被動式散熱系統，做這種系統設計時必須考慮幾項主要因素比如LED光源的布局、燈具材質的屬性、散熱片的形狀及表面處理，以及下文中描述的其它因素。

圖4.1.2 Cree XP-E HEW的各項特性

　　Thermal Resistance，junction to solder point

　　焊點處熱阻

　　Viewing Angel(DWHM)- white

　　發光角度(白光)

　　Temperature coefficient of voltage

　　電壓的溫度系數

　　ESD classification(HBM per Mil-Std-883D)

　　靜電放電等級(HBM per Mil-Std-883D)

　　DC Forward Current

　　正向電流

　　Reverse Voltage

　　反向電壓

　　Froward Voltage(for 350 mA)

　　正向電壓(350 mA)

　　Froward Voltage(for 700 mA)

　　正向電壓(700 mA)

　　Froward Voltage(for 1000 mA)

　　正向電壓(1000 mA)

　　LED Junction Temperature

　　LED結溫

　　由圖4.1.1，我們可以發現當結溫為25℃時，該LED發出100%的相對光通量;而當結溫升高至150℃時，相對光通量則降低至70%。

　　根據方程式：

　　光效 = Tj對應的相對光通量/[(Vf + ΔV)×If ]

　　其中ΔV = (Tj — 25) × VT

　　(注：Tj為結溫，Vf為額定電壓，ΔV為電壓變量，If 為額定電流，VT為電壓的溫度系數)

　　我們能夠計算LED Cree XP-E HEW在結溫25℃對應相對光通量為114 lm情況下的光效，通過額定正向電流350 mA(圖4.1.2)進行如下偏置：

　　ΔV = (25 - 25) × (-0.003) = 0 V

　　那么：

　　在If = 350 mA, Tj = 25 °C的情況下，

　　光效 = 114/[(3 + 0)×0.35]=108.57 lm/W

　　現在計算LED在結溫150℃下的光效，通過同樣電流進行偏置(根據圖4.1.1，結溫150℃對應相對光通為79.8 lm)：

　　ΔV = (150 - 25) × (-0.003) = -0.375 V

　　那么：

　　在If = 350 mA, Tj = 150℃的情況下，

　　光效 = 79.8/[( 3-0.375)×0.35]=86.86 lm/W

　　通過比較兩者我們可以發現，當結溫上升時功耗會略有下降，但是光通量會有更明顯的下降。在功率和光通量兩者的共同作用下，光效會隨著結溫的上升而下降。

　　在實際應用中，一般結溫總是高于25℃，因而”冷流明”數據雖然好看，但并不能代表LED的性能。實際LED的光效總是低于基于冷流明計算的光效，并且會受環境溫度的影響，所以在做燈具設計的時候我們必須要考慮熱流明。