白光LED的发光原理及其制造工艺 - 图文

白光LED的发光原理及其制造工艺

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1.1 LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它

可以直接把电转化为光：注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来。LED的核心是一个半导体的晶片，晶片附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。跟一般的二极管一样，LED半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面的载流子以空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边多数载流子主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。 当PN结加反向电压时，少数载流子难以注入，LED故不发光。而当PN结加正向电压时，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，这个复合过程会释放出能量，即以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。 而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，目前广泛使用的单色LED有红、绿、蓝三种。由于LED工作电压低（仅1.5-3V），能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长（10万小时），所以，LED是理想的光源[1]。

大功率LED又是LED的一种，相对于小功率LED来说，大功率LED单颗功率更高，亮度更亮，价格更高。小功率LED额定电流都是20mA，额定电流高过20mA[2]的基本上都可以算作大功率。一般功率数有：0.25w、0.5w、1w、3w、5w、8w、10w等等。

对于一般照明应用而言，人们更需要的是白色的光源。在工艺结构上，白光LED通常采用两种方法形成。第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光。1998年白光的LED开发成功。这种白光LED就是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射[3]，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。第二种是多种单色光混合方法：白光是一种多颜色的混合光，可被人眼感觉的白光至少包括两种以上波长的光。例如人眼同时受红、蓝、绿光的刺激 时，或同时受到蓝光与黄光的刺激时都可以感受为白色光。依照这种原理人们可以设计产生白光的LED光源。按照现有的技术能力，有两种可行的方案。第一种，使用红绿蓝的三色LED，

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按照所属光的强弱排成矩阵，三种色光混合后产生白色的光。但是，LED是PN结，它像所有PN结一样，遵守PN结的负温度特性的 特征规律。在LED器件上表现为它的正向电流随温度的升高而下降，它的光输出亦会随温度的升高而下降，不同的LED下降程度差别很大。采用不同色光的芯片封装在一起，通过各色光混合而产生白光[4]。这两种方法都已能成功产生白光器件。

1.2 白光LED的特点和性能

白光LED作为一种新的光源，其具有以下的特点及性能： （1） 效率高

按照通常的光效定义，LED的发光效率并不高(一般10～30 Lm/w)，目前己知光效最高的白色LED光效可以达到130Lm/W，但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，效率可以达到80％～90％，而光效差不多的白炽灯其可见光效率仅为10％～20％[5]。 （2） 光线质量好

人眼直接观察光源时所看到的颜色,称为光源的色表(CRI)[6]. CRI越高越好。色温越低,光源越“暖”。白炽灯色温2800K,卤素灯3200K,荧光灯2700K-6000K; 高强度放电汽车头灯3900K-4200K；日光5000K-5500K.冷白光LED6500K,暖白光LED3300K,RGB封装的1000K-10000K。参见下表1-1：

光源 日光灯 白炽灯 汞灯 金卤灯 低压钠灯 高压钠灯 LED(发光二级管) 显色性指数 52-95 95~100 15-55 65-80 0(monochromatic light) 22-75 0(mono-color LED)-80(high flux LED) 表1-1 各种灯具的关系质量

（3） 光色纯

与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED 光谱狭窄，发出的光线很纯。LED 的峰值波长一定，故其发光颜色一定，目前能制出红、橙、琥珀、黄、绿、蓝、紫、白等几种颜色的LED，经过适当的混合即可实现全光谱色[7]。 （4） 稳定性高

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采用环氧树脂固体封装[8]，管芯的工作不受外界环境的影响。 （5） 能耗小

LED 在发光过程中，只有很少一部分的电能变为热能，大部分都变为了光能， 因此能耗小。LED 无紫外和红外辐射,仅有热量损耗[9]。参见下表1-2：

光源 白炽灯 日光灯 汞灯 金卤灯 钠灯 LED(发光二级管) 辐射损耗(%) 81-86 30-32 62-65 57-74 47-63 0-0.2 热量损耗(%) 5-6 44 16-22 7-20 10-23 80-88 表1-2 不同照明设备的损耗

（6） 寿命长

光通量衰减到70％的标称寿命为10万小时。普通白炽灯的寿命约为1000h，荧光灯寿命约为10000h，而LED的寿命可达到10万小时[10]，可见其寿命长得多。 （7） 可靠耐用

没有钨丝、玻壳等等容易损坏的部件,非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉[11]。

（8） 应用灵活

体积小，可平面封装，易开发成轻薄短小产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品[12]。 （9） 响应快

LED发光的响应速度快，它的响应时间为纳秒级，而荧光灯和日光灯等一般都为毫秒级[13]。 （10） 绿色环保

白炽灯在工作过程中，会发出过多的热量，影响环境温度；荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，这样在发光过程和废弃的灯管都会对人身健康和环境造成一定的危害。而LED则没有这些问题，是一种无污染的符合绿色照明要求的光源。 总之，LED固态照明有着显著的优势[14]。 参见表1-3：

光源总类

光效(lm/W) 显色指数(Ra) 色温(k) 4

平均 开启 成本 寿命(kh) 时间(s) ($/klm)

白炽灯 卤钨灯 荧光灯 三基色 荧光灯 高压汞灯 15 25 70 93 50 100 100 70 80-98 45 2800 3000 全系列 全系列 3300-4300 1 2--5 10 12 6 24 10-100 instant <0.4 1 instant 0.6 1 0.73 55 高压钠灯 100-120 23/60/85 1950/2200/2500 1W-3W LED 38-120 85 全系列 表1-3 LED与其他照明方式性能相比较

总之，LED具有效率高、光线质量好、光色纯、稳定性高、能耗小、寿命长、可靠耐用、应用灵活、响应快、绿色环保等优点，其作为更理想的照明光源，必将取代现有的照明光源。

1.3 白光LED照明新光源的应用前景

普通的白炽灯和卤钨灯，其光效为12～24流明/瓦；荧光灯和HID灯的光效为50～120流明/瓦。对白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明/瓦，到了1999年已达到15流明/瓦，这一指标与一般家用白炽灯相近，而在2000年时，白光LED的光效已达25流明/瓦，这一指标与卤钨灯相近。2005年时，LED的光效可达50流明/瓦，目前的白光LED的发光效率约为80流明/瓦，较传统高压钠灯可以节电50%～60%。随着LED效率的快速提升，半导体路灯在节能方面显示出了巨大的潜力。到2015年时，LED的光效可望达到150～200流明/瓦。那时的白光LED的工作电流就可达安培级。由此可见开发白光LED作家用照明光源，将成可能的现实[15]。

普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电），寿命短，维护工作量大，但若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间100000小时以上），几乎无需维护。我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来，白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。 LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点，虽然价格较现有照明器材昂贵，仍被认为是它将不可避免地现有照明器件。

总之，LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。LED以其小巧高效、坚固省电、使用寿命长、易于和计算机匹配等强大优势，在

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包括大屏幕显示、汽车尾灯、交通信号灯、LCD背光源等方面已大量使用，目前正朝着替代传统灯具向照明领域发展。固态照明光源：由多个超高亮度的红、蓝、绿色LED 制成的照明光源，不仅可以发出波长连续可调的各种色光，而且还可发出亮度高达上百坎德拉的白色光，成为照明光源。与传 统光源相比，固态光源具有发热量低、功耗小、寿命长、反应速度快、体积小、可平面封装、易开发轻薄短小产品等许多优点。 美国DOE（能源部）最近完成了针对SSL（固态照明）光源的新的能源之星规范，这样系统设计者可以对光源和装置用相同的比较数字。新规范不是着眼于HB LED 在元件级上的发光效率，而是整体的光源效率[16]。 目前，白光LED 仍处在初期发展阶段。但由于它的独特优点，这种固态照明光源已广泛用于手电照明、LCD 背光照明（汽车音响、仪表板、手机背光板）、交通 信号及指示板、室内照明、船舰、飞机、汽车内照明等，也用于诸如矿山、潜水、抢险军用装置的照明等特殊场合。一旦白光LED 光源的性能价格比可与白炽灯和 荧光灯相吻合时，其在民用照明方面的竞争力将无可估量。

1.4 LED 的控制拓扑讨论

最简单的LED 驱动电路就是串联一个合适的电阻，如图1-1。但是，由于在这种结构中，流过LED 的电流会随着电源电压Us、电阻Ri 的阻值、以及LED 自身温度等因素的变化而改变，故而这种结构是很不理想的恒流控制。并且，由于电阻元件的使用，其效率也不高[17]。

图 1-1 电阻串联LED 供电电路

为了避免串联电阻上的高损耗,功率LED 通常通过开关模式驱动，今天这种转换器可以被用来作各种各样的应用。然而,通常设计的DC-DC 转换器是用来稳定输出电压的，而LED 要求一个稳定的输出电流。通过加一个采样电阻Rs 与LED 串联, 电流可以通过流过采样电阻Rs 上的电压测量到，从而标准的开关电源的电路拓扑结构和控制方案可以被应用于LED 恒流控制。和标准的DC-DC 转换器相比, 测量到的电压必须非常小以避免额外损耗。因此,控制IC 和采样电阻都必须连接到地。即通常的电路拓扑结构如图

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1-2、图1-3、图1-4 所示：

图 1-2 降压转换器

图 1-3 升压转换器

图 1-4 升压、降压转换器

只有在升压转换器中，开关晶体管也被连接到地了。对于降压和升压-降压转换器，N 沟道FET 的栅源端是悬空的,需要专门的电平移位驱动器。同样,也可以用P 沟道的

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FET,但是它仅适合低的电源电压。 同样，LED 也可以通过隔离转化器（galvanic isolated converter）如前馈(forward),反激(flyback),推挽(push pull) 转换器等来驱动。在这种情况下，比较参考电压Uref 和采样电压Rs*Io。同时，误差放大器必须放在第二级, PWM 控制器放在第一级。 控制部分都是通过一个光耦合器(opto coupler)连接。从图1-5 的电路图上看，这种控制方式需要更高的电路设计要求。这个解决方案的另外一个问题就是大多数低成本的误差放大器包含一个内部的2.5V 参考电压(如 TL431)，然而它不符合LED 采样电阻上的低压降。原因在于为了尽可能的提高整个系统的效率，一般Rs的阻值需要取得最小。

图 1-5 谐振式LED 驱动电路

迄今为止的LED 驱动器,都源于标准的DC/DC 转换器.然而将来的LED 照明源将会被大数量生产，因此鉴于LED 的特征和某些应用要求可以对它们的驱动器进行最优化设计:

??大规模生产的LED 驱动器需要考虑成本因素，因此，器件数目必须要减少。 ??LED 的发光强度直接跟流过其的电流成正比。因此，通过有规律的脉冲电流忽略其所带来的通常很小的颜色偏移来驱动LED 的方法是可行的。

??LED 另外一个重要的特性就是它们的长寿命。因此, 电子LED 驱动器也必须设计成长寿命。必须考虑电路中所用到的各个器件的使用寿命。尽量避免使用稳定性不好的器件。

如果去掉输出端的滤波电容，则LED 上的电流成为了有规律的脉冲。根据LED 驱动器的不同拓扑结构和控制方案，流过LED 的电流会是类似方波、三角波或者是正弦波。

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图 1-6 无滤波电容的LED 电路及其电流波形

如图1-6 所示：在LED 输出端没有滤波电容，那么流过LED 的电流将不再是一个纯正的直流,而是包含一个有规律的电流/脉冲成分。

基本的降压转换器产生的LED 电流是由一个直流和一个三角波组成的，它使得一个精确的电流控制更难。然而，如果降压转换器工作在临界传导模式，一个简单的峰值-零电流控制方案可以被采用。这种概念如图 1-7 所示：

图 1-7 峰值-零电流控制模式

反激(flyback) 转换器:功率小于100W 的反激(flyback)转换器拓扑结构应用广泛，因此也包含LED 照明所用的方案。在flyback 转换器第二级边上的存储电容可以被去掉从而LED 直接由第二级线圈(winding)来驱动[18]。

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图 1-8 隔离反激式LED 驱动电路

电流模式控制工作在一个恒定的开关频率fs, N 沟道FET 一直保持在开状态 (ON-sate)直到第一级电流I1(t)超过一个可以调整的参考电流值:

Imax?Ip?Iref?UrefRs

作为结果,一个恒定功率提供给第二级上,然后到LED 串:

12P0??Ip?L?fs?U0?I0

2通过这个电路LED 串被一锯齿波型电流Io(t)驱动,如图1-8 所示。在一个确定的工作范围内,LED 上的平均电流不受输入电压Uin 的影响,但是随着负载电压Uo(如:随着串联的LED 的数目)的变化而变化I0?P0/U0。这个拓扑结构要求器件数目最小,它提供电流隔离,通过调整变压器的线圈匝数比,其允许任何DC 电源电压和任意数目LED 的组合。

然而,它也有一些缺点:

-输出平均电流值取决于串联的LED 数目。

-变压器的漏感应系数Ls 要求一个缓冲/阻止(snubber)电路，造成额外损耗(如:在Uz)

-LED 链上的电流波形可能会引起电磁干扰(EMI)问题。

谐振式LED 驱动器：近年来，谐振式转换器拓扑结构是各种各样的功率电子研究活动的主题，旨在有高功率密度，低开关损耗和低电磁干扰贡献。因此，这些拓扑结构也是LED应用所关心的。截至目前，只有很少关于谐振式LED 驱动器的发表论文。因此，谐振式LED 驱动器概念的研究将会有更多详细的论述[19]。图 1-9 是一谐振式LED 驱动器，它非常适合LED 驱动，因为它实现了无电流检测的电压到电流的转换。

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图 1-9 谐振式LED 驱动器

本文结合也已成熟的LED驱动芯片，提出了一种适用于低电压，大功率的白光LED 驱动电路。

1.5 LED 驱动芯片的现状与发展

目前的LED光源是低电压（VF=2→3.6V）、大电流（IF=200→1500mA）工作的半导体器件，必须提供合适的直流电流才能正常发光。直流（DC）驱动DC LED光源发光的技术已经越来越成熟，由于我们日常照明使用的电源是高压交流电（AC100-220V），所以必须使用降压的技术来获得较低的电压，常用的是变压器或开关电源降压，然后将交流电（AC）变换成直流电（DC），再变换成直流恒流源才能促使LED光源发光。

因此直流驱动LED光源的系统应用方案必然是：变压器+整流或开关电源+恒流源（图1）。LED灯具里必然要有一定的空间来安置这个电源模块，但是对于E27标准螺口的灯具来说空间十分有限，很难安置。无论是经由变压器+整流或是开关电源降压，系统都会有一定量的损耗，DC LED灯具在交流、直流电之间转换时约15～30%的电力被损耗，系统效率很难做到90%以上。如果能用交流电（AC）直接驱动LED光源发光，系统应用方案将大大简化，系统效率将很轻松地达到90%以上。

图1-10 直流驱动LED光源的系统应用方案

由此看来LED驱动IC在LED灯具中是至关重要的器件。目前国内照明LED 驱动 IC开发、生产厂家已有十多家。LED驱动IC的特性要求是电流输出的一致性与恒定性。目前国内照明LED 驱动 IC产品技术都还是采用传统的DC/DC降压、升压恒流的模式，和

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由PWM控制器组成的恒流源电路，目前这二类LED驱动IC技术尚处在产品发展的初级阶段，特别是限于低压的晶圆片的生产工艺，影响日益需求量大的较高电压应用。随着照明应用领域的扩展LED驱动IC正在向中高级和高度集成、多芯片封装（CMC）技术方向发展。

LED光源应用的基本技术要素是必须满足它的VF（正向电压）和IF（正向电流）需求，VF是为LED光源建立一个正常的工作状态，IF是促使LED光源发光，其亮度与电流大小成正比；顺应照明LED驱动IC技术的发展，LED驱动IC的输入电压（Vin）范围将更宽广（DC5C-45V），输出恒流精度更高（1%）；鉴于越来越多的LED灯具选用多颗大功率LED串联应用技术，要求新一代LED驱动IC输出耐压提高到60V-100V，这就需要用高压工艺来生产LED驱动IC的晶圆片；LED驱动IC输出耐压提高为它在汽车电子、汽车灯具、高光照明等高电压要求的市场打开新的市场门路。

对新一代LED驱动IC的设计必须打破传统的DC/DC拓扑结构设计理念，如采用恒功率、不采用磁滞控制的降压型而采用定频定电流控制、解决使用卤素灯电子变压器所产生的灯源闪烁和多灯并联不亮问题等等；还必须解决LED驱动IC在多种应用电路中能过EMC、安规、CE、UL等认证；应用电路力求简洁、使用元器件少也是客户降低成本所梦寐以求，和市场竞争所必须的；隔离与非隔离的应用历来是商家在安全与效率之争焦点；提高PWM控制器的占空比等等。0.5W-3W的LED光源与LED 驱动 IC集成在一个CMC封装内的新一代芯片已经小批量生产，显示LED 驱动 IC正在向高度集成化的多芯片CMC封装方向发展；可用交流电（AC）直接驱动发光的新一代、特殊拓扑结构AC LED光源生产技术的日趋成熟，将开创LED照明技术的又一新纪元。

1.6 大功率LED恒流驱动

LED有着和传统光源不一样的电源驱动要求。先来看看一个各种LED工作的特种曲线。如图一所示，LED在加上电压以后，当电压越过一临界值后，就开始流出电流，发出光，LED开始工作。不同颜色的LED，其临界电压不一样，这就是我们前面所提到的禁带宽度相一致的。比如，红光的波长较长，能量低，其对应的LED临界电压也比较低，蓝光的波长较短，能量高，其领结电压也高。这一电压，就是LED一个及其重要的参数，正向电压：VF，forward voltage。我们还注意到，这些电压都比较低，只有几伏，如红外光的1.1V左右，最高的蓝光也只不到3V，即使到比较大的电流如30-40mA,其电压值也只在3.5V左右。这个电压和我们的日常使用电压是要一定距离的，因此要对电源电压进行变换才能满足LED驱动要求。另外一个重要的现象是：一旦电

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压超过VF之后，电流就变化比较快，而且不是线性关系，即电流增加和电压增加不成比例。

图1-11同一批次LED的正向电压和电流的关系曲线

由图1-11可以看出，即使在同一批次其正向电压会200-300mV.虽然，200-300mV只相当于10%的电压变动，但却会使流经LED的电流相差一倍以上。而我们知道，LED发光强度是由其PN结两边电子和空穴的复合数量，即流过PN结的电流决定的。这就意味着，即使在相同的电压条件下，同一批次的LED，其表现的亮度会差上一倍，这会严重影响我们的视觉。因此说LED是电流驱动器件，要想保证LED一定的亮度，最直接最简便的方法就是输入给LED一定的电流，而不是控制加在LED两端的电压。 LED不采用恒流电流驱动，不仅照明度将不稳定，还会影响其波长，缩短其寿命。图三显示了蓝光LED的正向电流和发射波长间的关系。从图中可以看出，随着电流的增大，LED发光的中心波长将会向短波长方向移动。当电流从0增大到500mA时，其波长偏移将近10nM,这会带来明显的色彩飘移。更为严重的是，如果LED在超过最大额定值长期运行时，有可能被损坏。图1-12是Philips公司的实验结果，显示了LED早衰，具体表现为亮度下降，平均期望寿命降低.如图所示，在同样的结温下，电流越大，其期望寿命越短:在140度的结温下，1.5A时(B50,L70)为17000小时，1A时为36000小时，700mA和350mA时，都会超过60000h。

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图1-12 LED寿命，驱动电流，结温和平均寿命（B50，L70）

恒流源作为一种能向负载提供恒定电流的电源装置，它在外界电网电源产生波动和阻抗特性发生变化时仍能使输出电流保持恒定。恒流源电路具有输出电流恒定、温度稳定性好、直流电阻很小但等效交流输出电阻却很大等特点。恒流范围大致为1μA～20A。它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点,又可以作为其有源负载,以提高放大倍数。因此，作为电流型器件的LED,恒流驱动是非常重要的，不仅能保证一定的亮度，还能延长其使用时间。

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第二章 电路介绍和工作原理

2.1 芯片特性

本文提出一种恒流、高效率的LED驱动电路。使用PT4114芯片驱动，其效率可以达到97%。PT4115 输入电压范围从6 伏到30 伏，输出电流可调，最大可达1.2 安。据不同的输入电压和外部器件，PT4115 可以驱动高达数十瓦的LED。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0.3伏时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。其芯片具有以下特点：

（1） 极少的外部元器件

（2） 很宽的输入电压范围：从6V到30V （3） 最大输出1.2A的电流

（4） 复用DIM引脚进行LED 开关、模拟调光和PWM 调光 （5） 5%的输出电流精度 （6） LED开路自然保护 （7） 高达97%的效率

（8） 输出可调的恒流控制方法

（9） 增强散热能力的ESOP8封装可用于大功率驱动

2.2 典型应用

通过查找资料，发现PT4115的生产商，华润矽威科技的官方资料中已经给出了PT4115驱动芯片的典型应用电路，其电路如下图所示：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jzp8.html