- 探究LED去電源化設(shè)計(jì)技術(shù)
- 按功率開發(fā)驅(qū)動方式
- 采用模塊化設(shè)計(jì)，組合設(shè)計(jì)大瓦數(shù)燈具
一． LED照明路線分析
照明燈具設(shè)計(jì)基于LED發(fā)光部分、驅(qū)動控制部分和光學(xué)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三方博弈。
1. 發(fā)光部分：LED發(fā)光芯片光效的不斷提高，LED不節(jié)能爭議慢慢淡去。在未來的幾年里，會有進(jìn)一步的提升，加速LED應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，燈具設(shè)計(jì)會變得簡單化趨勢。封裝方式會根據(jù)燈具應(yīng)用而改變，長期以來按照LED散熱在發(fā)展封裝設(shè)計(jì)，隨著針對LED封裝散熱的理解，更合適專用燈具的封裝形式會陸續(xù)誕生。LED外延上游投資加大，競爭加劇，下游應(yīng)用還沒有起來，勢必會造成LED芯片價格大幅度下降。相比封裝成本降低速度要快得多，有些LED成本已經(jīng)低于封裝成本，因此封裝技術(shù)革新也是LED發(fā)展中最重要的部分之一。
2. 驅(qū)動控制：驅(qū)動轉(zhuǎn)換效率的提高是最有效的解決辦法之一。提高電源轉(zhuǎn)化效率，可以降低整燈功率，是在提升整燈光效，節(jié)省散熱設(shè)計(jì)成本。功率因數(shù)需求之前的開關(guān)電源沒有法規(guī)要求，可是LED燈具各國以經(jīng)有了硬性的指標(biāo)?？煽啃?、壽命的提高也是當(dāng)前重要部分。還有對色溫，亮度，智能化也是未來的需求的方面，在稍后的時間里。
3. 光學(xué)設(shè)計(jì)和散熱器：光學(xué)設(shè)計(jì)人性化，燈的設(shè)計(jì)近來發(fā)展迅速，還是先沿著替代路線開始。未來LED要發(fā)展更合適LED本身的燈具產(chǎn)品，散熱結(jié)構(gòu)趨于合理性，更具標(biāo)準(zhǔn)化的模組光源顯露優(yōu)勢。新材料散熱技術(shù)陸續(xù)推出，成本會進(jìn)一步降低。
分析認(rèn)為，只有取消短壽的器件LED燈具指標(biāo)才能綜合性的提高，取消電感、電子變壓器，電解電容，徹底解決壽命及體積問題。提升電源驅(qū)動效率，減小發(fā)熱源延長燈具壽命。深知只有創(chuàng)新的技術(shù)才能讓自身跨越式的發(fā)展，截獲在LED技術(shù)演進(jìn)道路上。只有自主創(chuàng)新，獲得更多的知識產(chǎn)權(quán)，為后續(xù)LED發(fā)展鋪平道路。
取消電源不能理解為不需要驅(qū)動，更不是不要“電”。而是取消電源中阻礙壽命的部分器件，一種全新的LED驅(qū)動方式，取名為《去電源化技術(shù)》。
二． 高壓標(biāo)稱值LED設(shè)計(jì)
發(fā)展《去電源化設(shè)計(jì)》必須要發(fā)展高壓LEDs，多顆LED串接均可以稱作是高壓LEDs，串接方式有光刻技術(shù)、倒裝基板連接，COB金線連接、PCB單顆粒焊接等。長運(yùn)通選擇了光刻技術(shù)，我們是專業(yè)的集成電路設(shè)計(jì)公司，深知光刻技術(shù)的成熟度和生產(chǎn)效率。我們很欣賞倒裝技術(shù)，要得到能讓市場接受的價格，需要時間考驗(yàn)。COB金線連接時，數(shù)量太多品質(zhì)很難保證，金線吸收藍(lán)光效率會降低，金價堅(jiān)挺，因此COB金線連接只能作為細(xì)分市場應(yīng)用，規(guī)模性的普及受限。
當(dāng)前設(shè)計(jì)燈具多采用單顆粒的低壓LED，這是設(shè)計(jì)燈具需要電源轉(zhuǎn)換的主要原因。要想得到最佳的驅(qū)動效率，最好的方式是能讓LED電壓更接近驅(qū)動電壓值。這樣就不在需要電源轉(zhuǎn)換，恒流源簡化的電路結(jié)構(gòu)就可以完成驅(qū)動任務(wù)。
LED有與白熾燈同樣的一項(xiàng)特性。白熾燈采用鎢絲發(fā)光，可以做到1.5-380V電壓適應(yīng)，通過鎢絲粗細(xì)長短獲得不同的阻抗，去適應(yīng)不同的電壓驅(qū)動要求。而LED同樣可以采用多數(shù)量串接，獲得不同的高電壓值，可見標(biāo)稱值電壓是發(fā)展高壓LEDs的導(dǎo)向標(biāo)。實(shí)際上國外的交流LED和高壓LED也是通過光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，正式因?yàn)槠x了標(biāo)稱值導(dǎo)向標(biāo)，一直都沒能找到正確的市場定位。
需要開發(fā)幾款標(biāo)稱值電壓？長運(yùn)通光電研究認(rèn)為，各國市電電壓主要是110V和220V，在同等功率下串并即可獲得到同等功率光源。為此，市電集中開發(fā)一款110V-LEDs即可滿足照明需要。在低壓電源部分，開關(guān)電源長期形成12V、24V、36V、48V標(biāo)稱值電壓，汽車是12V或24V電壓，風(fēng)力和太陽能均需要鉛酸蓄電池儲能，需要是12V和24V。為此應(yīng)著重考慮12V-LED設(shè)計(jì)，因?yàn)?4V、36V、48V均是12V倍數(shù)，正常情況下LEDs串接，均能靈活的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。
高壓LEDs可以使得我們的設(shè)計(jì)不再需要電源電壓轉(zhuǎn)換，或者沿用傳統(tǒng)成熟的開關(guān)電源，不需要在開發(fā)新的電源系統(tǒng)。同時歡迎新的電源設(shè)計(jì)支持LED，但是需要能在驗(yàn)證后的電源基礎(chǔ)上保證我們的設(shè)計(jì)燈具壽命，提升LED產(chǎn)品可靠性。
三． 去電源化設(shè)計(jì)
圖1是目前主要幾種設(shè)計(jì)方式，AC-LED因其整流橋部分也是采用LED組合設(shè)計(jì)的，整流橋部分也是發(fā)光的一部分。它的優(yōu)點(diǎn)是體積可以設(shè)計(jì)最小。缺點(diǎn)是在很小的體積下集中散熱，同時還要做絕緣處理，設(shè)計(jì)成本最高。再因?yàn)長ED本身反向耐壓值偏低，只有10V左右，使的要獲得到幾百伏的反向整流耐壓，要浪費(fèi)30%LED顆粒。因此，交流LED發(fā)展這幾年來一直都無法讓客戶接受的價格。但是分析認(rèn)為還是會有5%的市場機(jī)會，因?yàn)榻涣鱈ED體積最小，在針對體積要求很高的細(xì)分市場。
圖1中LV-LED部分是目前使用最多的驅(qū)動方式，包括傳統(tǒng)的整流橋部分，單顆粒LED，在中間需要一個電壓轉(zhuǎn)換電路。電壓轉(zhuǎn)換部分沿用了傳統(tǒng)的開關(guān)電源技術(shù)，去電源化設(shè)計(jì)就是針對電源驅(qū)動，開發(fā)更合適LED應(yīng)用電路，在批量的過程中簡便可靠，采用傳統(tǒng)的開關(guān)電源驅(qū)動LED以后會受到去電源化技術(shù)挑戰(zhàn)。去電源化設(shè)計(jì)是針對照明設(shè)計(jì)專用驅(qū)動電路，在有些數(shù)細(xì)分市場不能被專用驅(qū)動IC所覆蓋，還是會使用開關(guān)電源，大約會有10-20%市場機(jī)會。
圖 1 交流LED、高壓LED和低壓LED電路示意
HV-LED是今天重點(diǎn)討論的部分，正是我們設(shè)計(jì)高壓LEDs，才使得LEDs電壓接近驅(qū)動電壓，不再需要電源轉(zhuǎn)換部分。HV-LED與AC-LED區(qū)別是整流橋不在光源的設(shè)計(jì)范圍，在燈具設(shè)計(jì)增加成熟的整流橋部分，可大大縮減設(shè)計(jì)成本。HV-LED與LV-LED相比不在需要電源轉(zhuǎn)換，驅(qū)動效率及電路設(shè)計(jì)大大簡化。
從表1測試數(shù)據(jù)可以看出，交流LED驅(qū)動效率是較低的，除功率因數(shù)較高外，電氣參數(shù)普遍偏低。最致命問題是有閃爍感，特別是感光拍攝情況下，沒有恒流電路支持，PTC限流驅(qū)動方式性能低劣，設(shè)計(jì)成本與光效率普遍偏低，獲得最大的優(yōu)勢就是光源體積最小。UL認(rèn)證要求光源在±10%波動不能看到光源閃爍，PTC很顯然是做不到的。
低壓LED驅(qū)動電源是從開光電源原邊反饋電路移植過來的產(chǎn)物，設(shè)計(jì)電路復(fù)雜，恒流精度誤差較大。小功率開關(guān)電源驅(qū)動方式驅(qū)動效率充其量設(shè)計(jì)到80%，LED應(yīng)用開始要求功率因數(shù)，小功率電源并不具備。器件壽命受到限制，內(nèi)置電源體積也受限，市場機(jī)會因此受到局限。 高壓LED是因上述問題而誕生的產(chǎn)物，集交流LED和低壓LED之優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動效率及恒流精度大大提升，各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)秀，性能價格比高。
目前推出的去電源化設(shè)計(jì)有兩種方式，其中方式一是：
徹底取消了電源轉(zhuǎn)電路部分，最簡單的整流橋和一顆電容組成，驅(qū)動恒流保護(hù)電路與光源集成，光源部分是高壓LED封裝集成。還有一顆電解電容，在各國的認(rèn)證中并沒有禁止使用電解電容，看來很多地方并不能沒有它，電解電容的存在帶來多項(xiàng)指標(biāo)提高，還能使得驅(qū)動電路最簡化。
去電源化設(shè)計(jì)方式二：
這款電流支持全方位可控硅調(diào)光，電解電容也被取消，理論上影響壽命的器件全部被取消，驅(qū)動效率略遜于方式一，75%效率與小功率開關(guān)電源效率相當(dāng)，可靠性卻大大提升。LED為多個高壓LED組合分段應(yīng)用。
燈具都可以適用去電源化設(shè)計(jì)，要看市場可否值得定向投入，在一定的規(guī)模情況下，去電源化設(shè)計(jì)性能的優(yōu)勢和成本具有絕對的競爭力。在今天萬變不能抵擋成本的時代，去電源化一定占據(jù)80%未來主流市場。去電源化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)密集型項(xiàng)目，設(shè)計(jì)戰(zhàn)線長，具有綜合的技術(shù)協(xié)調(diào)能力才可以完美的完成設(shè)計(jì)。并且多個環(huán)節(jié)創(chuàng)新，測試設(shè)備也需要開發(fā)跨行業(yè)整合，考驗(yàn)整體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的凝集力。
四． 燈具設(shè)計(jì)發(fā)展思路
按照燈具產(chǎn)品設(shè)計(jì)光源。一直我們的光源都是依照光源發(fā)光及散熱考慮，并沒有預(yù)見性的知道燈具的需求。燈具公司按照既定的光源設(shè)計(jì)燈具光學(xué)散熱結(jié)構(gòu)。大多數(shù)公司緊跟一線開發(fā)，市場起量我跟進(jìn)。主動研究開發(fā)光源偏少，封裝處于被動局面，燈具設(shè)計(jì)受到局限。一個定性的批量燈具，需要更符合這款燈具的光源。
按功率開發(fā)驅(qū)動方式，驅(qū)動方式的萬種，還是有它的局限性。LED燈具主要集中在20W以內(nèi)的功率，這部分是開關(guān)電源最薄弱的地方。20W以上LED應(yīng)用占不到30%，而且大多采用模塊化設(shè)計(jì)，組合設(shè)計(jì)大瓦數(shù)燈具，所以LED驅(qū)動設(shè)計(jì)集中在20W以內(nèi)設(shè)計(jì)即可。
按燈具綜合考慮電路結(jié)構(gòu)，去電源化設(shè)計(jì)適合大批量的照明產(chǎn)品，綜合考慮才能顯現(xiàn)優(yōu)勢。
