4. LED 控制

　　4.1 冷流明与热流明

　　LED发出的光通量与正向电流的大小紧密相关，一般产品手册中列出的光通量都是指在额定正向电流If (例如350mA)下的额定光通量。达到额定光通量所需要的输入功率可以用 P=If×Vf 来计算。其中Vf是LED在额定电流If时的正向电压。

　　LED的发光效能(后面简称“光效”)以光通量与输入功率的比值来表达。但是，这些额定电流和电压都是LED发光层Tj为25℃时的数值，这也就是我们所称的冷流明。在实际的灯具中，LED的结温会因为LED芯片能量转换时的热消耗而明显上升。最高的结温Tj按不同的LED种类一般在130℃到150℃。结温越高对LED芯片的损耗越大。

　　如图4.1.1所示，LED的光通量随着结温的升高而降低。所以在实际应用中，LED的结温越低越好。我们所指的热流明是指LED在达到稳定工作时的结温(70-120℃)状态下所发出的光通量。

图4.1.1 相对光通量与结温的函数关系曲线图

　　另一方面，结温越高LED芯片的内阻越小，光效越高。我们一般用“电压的温度系数VT”来表示这样的降低，即mV/℃。

　　LED灯具中最常见的是被动式散热系统，做这种系统设计时必须考虑几项主要因素比如LED光源的布局、灯具材质的属性、散热片的形状及表面处理，以及下文中描述的其它因素。

图4.1.2 Cree XP-E HEW的各项特性

　　Thermal Resistance，junction to solder point

　　焊点处热阻

　　Viewing Angel(DWHM)- white

　　发光角度(白光)

　　Temperature coefficient of voltage

　　电压的温度系数

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

　　静电放电等级(HBM per Mil-Std-883D)

　　DC Forward Current

　　正向电流

　　Reverse Voltage

　　反向电压

　　Froward Voltage(for 350 mA)

　　正向电压(350 mA)

　　Froward Voltage(for 700 mA)

　　正向电压(700 mA)

　　Froward Voltage(for 1000 mA)

　　正向电压(1000 mA)

　　LED Junction Temperature

　　LED结温

　　由图4.1.1，我们可以发现当结温为25℃时，该LED发出100%的相对光通量;而当结温升高至150℃时，相对光通量则降低至70%。

　　根据方程式：

　　光效 = Tj对应的相对光通量/[(Vf + ΔV)×If ]

　　其中ΔV = (Tj — 25) × VT

　　(注：Tj为结温，Vf为额定电压，ΔV为电压变量，If 为额定电流，VT为电压的温度系数)

　　我们能够计算LED Cree XP-E HEW在结温25℃对应相对光通量为114 lm情况下的光效，通过额定正向电流350 mA(图4.1.2)进行如下偏置：

　　ΔV = (25 - 25) × (-0.003) = 0 V

　　那么：

　　在If = 350 mA, Tj = 25 °C的情况下，

　　光效 = 114/[(3 + 0)×0.35]=108.57 lm/W

　　现在计算LED在结温150℃下的光效，通过同样电流进行偏置(根据图4.1.1，结温150℃对应相对光通为79.8 lm)：

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

　　那么：

　　在If = 350 mA, Tj = 150℃的情况下，

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

　　通过比较两者我们可以发现，当结温上升时功耗会略有下降，但是光通量会有更明显的下降。在功率和光通量两者的共同作用下，光效会随着结温的上升而下降。

　　在实际应用中，一般结温总是高于25℃，因而”冷流明”数据虽然好看，但并不能代表LED的性能。实际LED的光效总是低于基于冷流明计算的光效，并且会受环境温度的影响，所以在做灯具设计的时候我们必须要考虑热流明。