应对UVC LED的设计问题

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随着UVC LED(短波紫外线LED)性能的提升，在生命科学和环境监测仪器应用中，使用这种相对较新技术的势头在增长。与使用所有新兴技术一样，设计师必须了解其与现有方案的一些基本差异，并不要想当然地认为可以“即换即用”。在此，这种了解使设计师能充分发挥UVC LED的全部优势。经过仔细权衡，采用UVC LED的设计可以缩小产品体积、降低功耗，并降低最终用户的使用和保有成本。

UVC LED在仪器方面的应用

UVC LED因其可顺应市场对小型化、低成本和实时测量等趋势的要求，所以光谱应用对其的兴趣在增加。与氘或氙气闪光灯不同，LED输出的是窄谱光源，器件的光输出全部都可用于测量。用户可根据应用需求，选择感兴趣的特定峰值波长。在特定应用中，已开发出254nm波长水银灯的标准化测量方法。例如，当依据EPA标准检测水和空气质量时，需要一个接近254nm峰值波长的LED光源。表1给出了在生命科学研究、药品生产和环境监测等应用中，可被光谱识别的一些重要的有机化合物。

表1：常见有机化合物的峰值吸收波长

在仪器仪表应用中，选择光源的另一个主要标准是峰值波长的光输出。因为LED只有单一峰值，所以光输出集中在一个特定波长，这与其它紫外线灯不同。吸收光谱的应用通常需要低水平的光输出——1mW或以下。但在流通池(flow cell)与光源隔离的情况，因光信号在到达流通池前存在严重衰减，所以需要更高的光输出功率。这可要求LED的光输出远超1mW。在荧光光谱域，信号强度直接正比于光强。LED的激励功率取决于所需检测的示踪剂的浓度水平，所以在这些应用中，要求单一LED提供大于2mW的光输出。图1比较了仪器仪表应用中，常用紫外光源的辐照度。尽管LED的输入功率要小得多，但在所需短波紫外线波长段的辐照度却高于其它光源，所以在特定测量中，LED是更高效的光源。

图1：该图比较了UVC LED、氙气闪光灯和氘灯的辐照度。

选择完波长、光输出后，另一个重要参数是视角，它影响仪器的整个光学系统。泛泛地说，有两种选择：窄角或宽角。窄角通过球透镜实现，宽角采用平面窗。窄视角可在小范围内获得高强度光。窄视角封装通常用在将光直接聚焦投射进仪器的应用。

平面窗具有更宽的辐射，当与光纤对齐用于远程耦合时，对这种对齐的要求不是非常苛刻。在流通池必须与光源和电子电路隔离的应用(如：监测高温化学过程或带高挥发性溶剂的色谱分析)，宽角就特别有用。实际应用中：窄角球透镜可使仪器中的组件数最少；而宽角平面窗则使设计具有更大灵活性。

优化驱动电流允许设计师在光输出和应用的使用寿命要求间进行平衡。以低于厂商规范给定的额定电流驱动LED将降低光输出，但也将延长光源的使用寿命。在需要高LED输出功率的应用，一些最终用户选择以高于数据表规范的电流驱动LED。以这种方式增加驱动电流可增加光输出，但也会带来牺牲性能的一定风险。

过热是种可同时对LED的光输出和生命周期带来负面影响的常见问题。由于LED的瞬时开关特性，可以周期性方式快速开启和关闭LED。在通常需要更高光输出的荧光应用中，通常采用更安全的脉冲模式(占空比操控)来提高LED电流。占空比定义为：一个工作周期内，LED开启时间所占的百分比；其中，工作周期是指：一个完整LED开-关循环所用的总时间。例如，以50%占空比操作的LED，其开启和关闭时间恰好各占一半。图2显示了不同驱动电流和占空比下的归一化光输出。

图2：这里，我们看到不同占空比对归一化光输出的影响，其中LED的开启时间都是500μs。归一化功率是相对于最大额定工作电流100mA时(加装合适散热器)光输出的相对光输出功率。

以大电流驱动LED会影响LED结温，进而影响其使用寿命和光输出。优化占空比可将增加驱动电流对结温的影响降至最小，从而保护LED性能。图3说明了占空比对维持LED结温可产生的影响。通过以5%的占空比操作LED，在对结温影响最低的情况下，光输出可增加三倍(见图2)。

图3：该图表显示了不同占空比对结温的影响，其中LED开启时间都是500μs。

过高的发热对LED光输出和使用寿命有负面影响。长期看，发热会缩短LED的使用寿命。采用UVC LED设计时，热管理极其重要，因为与更长波长的LED比，驱动UVC LED能量的更大部分被转化为热量。好的热管理使结温低于应用要求的最高温度，并保持LED的性能。除被动和主动冷却方法外，所选的PCB也可以实现更好的散热。

图4：图(a)比对了不带散热器的FR4和Al PCB的热盘温度；图(b)比对了带和不带散热器的Al PCB的热盘温度。

FR4 因其相对低的成本，是最常用的PCB材料之一，但其热导率较低。对系统热负荷高的系统来说，热导率更高的金属芯PCB是更好选择。随着散热需求的增加，设计师通常采用加大PCB面积和增加散热片的方法来获得优良的热管理。若需更强散热，设计师还可采用更积极的冷却技术。

随着UVC LED性能的增强，设计师正在把其设计灵活性的优势用在了光谱仪器和消毒反应器应用中。在这些应用中，选用LED，将支持实现更紧凑、更高效，通常也更具成本效益的设计。随着UVC LED技术的不断发展，聪明的设计师将会发现更多的方法来发挥UVC LED的优势以应对这些市场挑战。

参考文献：

1. "The Case for UVC LEDs in Spectroscopic Instrumentation，" Crystal IS.

2. "Optan SMDs for Biofilm and Biofouling Control，" Crystal IS.

3. OPTAN UVC LEDs数据手册和产品文档

本文来自《电子工程专辑》2016年4月刊，版权所有，谢绝转载。