設計人員必看！UVC LED的一些設計問題及解決方案

隨著UVC LED（深紫外LED）性能的提高，這種相對較新的技術在生命科學和環境監測儀器方面使用率正在迅猛發展。與所有新興技術一樣，設計師必須意識到與現有解決方案之間存在一些根本性的差異，而不是認為是簡單替換器件。這可以讓設計人員充分發揮UVC LED的全部優勢。經過仔細的思考，UVC LED可以減少占用空間和功耗，從而提高最終用戶的擁有成本。

深紫外LED在儀器中的應用

UVC LED在光譜應用的興趣在不斷增加，因為它們可以解決小型化、降低成本和實時測量方面的市場趨勢。與氘燈或氙氣閃光燈不同，LED發出窄光譜，其中來自設備的所有光輸出可用于測量。用戶可以根據應用要求選擇感興趣的特定峰值波長。在具體應用中，已經開發了254nm汞燈發射線的標準測量方法。例如，根據EPA標準測量的水和空氣質量要求LED接近254nm峰值波長。表1列舉了可以用光譜鑒定的生命科學研究、藥物生產和環境監測中的一些重要的有機化合物。

表1． 常見有機化合物的峰值吸收波長

儀器光源選擇的另一個主要標準是峰值波長的光輸出。因為LED只有單個峰值，所以與其他UV燈不同，光輸出集中在特定的波長。吸收光譜應用通常需要低水平的光輸出 － 1mW或更小。但是，在流動池與光源隔離的情況下，由于在信號到達流動池之前存在顯著的光衰減，因此需要較高的輸出。這可以將LED所需的光輸出提高到1mW以上。在熒光光譜中，信號強度與光強成正比。激發功率取決于需要檢測的示蹤劑的濃度水平，因此在這些應用中，單個LED所需的光輸出可大于2 mW。圖1比較了儀器中常見的紫外線光源之間的輻照度。雖然LED的輸入功率要少得多，但所需UVC波長的輻照度要高于其他光源，因此對于特定測量來說，它成為了更有效的光源。

圖1． 該圖比較了UVC LED、氙氣閃光燈和氘燈的輻照度。

在選擇波長和光輸出后，另一個重要參數是觀察角度，因為它影響儀器光學系統。 廣泛而言，有兩個選擇 － 窄角或寬角。前者是用球透鏡實現，后者有平面窗。窄角允許在較小的區域獲得高強度的光。當將光直接聚焦到儀器中時，通常使用這種封裝類型。

平面窗包裝具有更寬的輻射，當與光纖對準用于遠程耦合時，允許有更大的公差。在流動池必須與光源和電子設備隔離的應用中，比如監測高溫化學過程或使用高揮發性溶劑進行色譜分離時，特別適用。實際上，窄角球透鏡可將儀器中的組件保持最小，而平面窗則可提高設計靈活性。

優化驅動電流需要設計者平衡光輸出與應用的壽命要求。以低于制造商額定的電流驅動LED會降低光輸出，但也會增加光源的使用壽命。在需要高LED輸出功率的應用中，一些終端用戶選擇以高于數據表規格的電流來操作LED。以這種方式增加驅動電流可以增加光輸出，但也會導致性能上的某些風險。

過熱是一個常見的問題，可以對LED的光輸出和壽命產生負面影響。由于LED的即時開關功能，可以以周期性的方式快速打開和關閉LED。熒光的應用通常需要更高的光輸出，通常使用脈沖模式（占空比）來更安全地增加LED電流。占空比是指在一個脈沖循環內，通電時間相對于總時間所占的比例。例如，以50％占空比工作的LED，關閉和打開的時間正好各一半。圖2顯示了各種驅動電流和占空比下的歸一化光輸出。

圖2． 這里我們看到了不同的占空比對歸一化光輸出的影響，而開啟時間恒定在500μs。歸一化功率是相對于最大額定工作電流100mA時（加上合適的散熱器）光輸出的相對光輸出功率。

以高電流操作LED會影響LED結溫，從而影響壽命和光輸出。優化占空比可以最大限度地減小驅動電流對結溫的影響，從而保持LED的性能。圖3說明了占空比對維持LED結溫的影響。通過在5％占空比下工作，可以實現光輸出的三倍以上（如圖2所示），對結溫的影響最小。

圖3． 該圖顯示了不同的占空比對結溫的影響，其開啟時間保持恒定在500μs。

過熱會對LED的光輸出和使用壽命產生負面影響。長期而言，這種熱量會降低LED的使用壽命。由于與較長波長的LED相比，能量轉換成熱量的比例更大，因此設計UVC LED時，熱管理非常重要。正確的熱管理可使結溫保持在給定應用所需的低溫度，并保持LED的性能。除了被動和主動冷卻方式之外，所選擇的PCB還可以實現更好的散熱。

圖4． 對比不帶散熱器的FR4和鋁芯PCB的熱盤溫度（a）；對比帶和不帶散熱器的鋁芯PCB的熱盤溫度（b）。

FR4是最常用的PCB材料之一，因為其成本相對較低，但它的導熱性低。在熱負載高的系統中，金屬芯PCB具有更好的導熱性，是更優的選擇。隨著散熱需求的增加，設計人員通常會傾向于增加PCB面積，并添加散熱片以實現好的散熱管理。 如果需要進一步散熱，設計師可以采用更多的主動冷卻技術。

隨著UVC LED性能的提高，設計人員正在利用設計靈活性的優勢，用于光譜儀器和消毒反應器。LED在這些應用中的優勢會實現更緊湊、高效、更具成本效益的設計。隨著這項技術的不斷發展，聰明的設計師將會發現更多的方法使用UVC LED的優勢來應對這些市場的挑戰。