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LED去電源化設(shè)計(jì)技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2012-02-06

中心議題:
  • 探究LED去電源化設(shè)計(jì)技術(shù)
解決方案:
  • 按功率開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(zhēng)議慢慢淡去。在未來(lái)的幾年里,會(huì)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(huì)變得簡(jiǎn)單化趨勢(shì)。封裝方式會(huì)根據(jù)燈具應(yīng)用而改變,長(zhǎng)期以來(lái)按照LED散熱在發(fā)展封裝設(shè)計(jì),隨著針對(duì)LED封裝散熱的理解,更合適專用燈具的封裝形式會(huì)陸續(xù)誕生。LED外延上游投資加大,競(jìng)爭(zhēng)加劇,下游應(yīng)用還沒(méi)有起來(lái),勢(shì)必會(huì)造成LED芯片價(jià)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(dòng)控制:驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)電源沒(méi)有法規(guī)要求,可是LED燈具各國(guó)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(duì)色溫,亮度,智能化也是未來(lái)的需求的方面,在稍后的時(shí)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(lái)發(fā)展迅速,還是先沿著替代路線開(kāi)始。未來(lái)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(shì)。新材料散熱技術(shù)陸續(xù)推出,成本會(huì)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(wèn)題。提升電源驅(qū)動(dòng)效率,減小發(fā)熱源延長(zhǎng)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(shí)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(dòng),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(dòng)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(zhǎng)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(chǎng)接受的價(jià)格,需要時(shí)間考驗(yàn)。COB金線連接時(shí),數(shù)量太多品質(zhì)很難保證,金線吸收藍(lán)光效率會(huì)降低,金價(jià)堅(jiān)挺,因此COB金線連接只能作為細(xì)分市場(chǎng)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(dòng)效率,最好的方式是能讓LED電壓更接近驅(qū)動(dòng)電壓值。這樣就不在需要電源轉(zhuǎn)換,恒流源簡(jiǎn)化的電路結(jié)構(gòu)就可以完成驅(qū)動(dòng)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(guò)鎢絲粗細(xì)長(zhǎng)短獲得不同的阻抗,去適應(yīng)不同的電壓驅(qū)動(dòng)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(jiàn)標(biāo)稱值電壓是發(fā)展高壓LEDs的導(dǎo)向標(biāo)。實(shí)際上國(guó)外的交流LED和高壓LED也是通過(guò)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(méi)能找到正確的市場(chǎng)定位。

需要開(kāi)發(fā)幾款標(biāo)稱值電壓?長(zhǎng)運(yùn)通光電研究認(rèn)為,各國(guó)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(kāi)發(fā)一款110V-LEDs即可滿足照明需要。在低壓電源部分,開(kāi)關(guān)電源長(zhǎng)期形成12V、24V、36V、48V標(biāo)稱值電壓,汽車(chē)是12V或24V電壓,風(fēng)力和太陽(yáng)能均需要鉛酸蓄電池儲(chǔ)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(kāi)關(guān)電源,不需要在開(kāi)發(fā)新的電源系統(tǒng)。同時(shí)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(shí)還要做絕緣處理,設(shè)計(jì)成本最高。再因?yàn)長(zhǎng)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(lái)一直都無(wú)法讓客戶接受的價(jià)格。但是分析認(rèn)為還是會(huì)有5%的市場(chǎng)機(jī)會(huì),因?yàn)榻涣鱈ED體積最小,在針對(duì)體積要求很高的細(xì)分市場(chǎng)。

圖1中LV-LED部分是目前使用最多的驅(qū)動(dòng)方式,包括傳統(tǒng)的整流橋部分,單顆粒LED,在中間需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路。電壓轉(zhuǎn)換部分沿用了傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源技術(shù),去電源化設(shè)計(jì)就是針對(duì)電源驅(qū)動(dòng),開(kāi)發(fā)更合適LED應(yīng)用電路,在批量的過(guò)程中簡(jiǎn)便可靠,采用傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED以后會(huì)受到去電源化技術(shù)挑戰(zhàn)。去電源化設(shè)計(jì)是針對(duì)照明設(shè)計(jì)專用驅(qū)動(dòng)電路,在有些數(shù)細(xì)分市場(chǎng)不能被專用驅(qū)動(dòng)IC所覆蓋,還是會(huì)使用開(kāi)關(guān)電源,大約會(huì)有10-20%市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

圖 1 交流LED、高壓LED和低壓LED電路示意
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HV-LED是今天重點(diǎn)討論的部分,正是我們?cè)O(shè)計(jì)高壓LEDs,才使得LEDs電壓接近驅(qū)動(dòng)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(dòng)效率及電路設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。

從表1測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,交流LED驅(qū)動(dòng)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(wèn)題是有閃爍感,特別是感光拍攝情況下,沒(méi)有恒流電路支持,PTC限流驅(qū)動(dòng)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(shì)就是光源體積最小。UL認(rèn)證要求光源在±10%波動(dòng)不能看到光源閃爍,PTC很顯然是做不到的。

低壓LED驅(qū)動(dòng)電源是從開(kāi)光電源原邊反饋電路移植過(guò)來(lái)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(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)效率充其量設(shè)計(jì)到80%,LED應(yīng)用開(kāi)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(chǎng)機(jī)會(huì)因此受到局限。 高壓LED是因上述問(wèn)題而誕生的產(chǎn)物,集交流LED和低壓LED之優(yōu)點(diǎn),驅(qū)動(dòng)效率及恒流精度大大提升,各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)秀,性能價(jià)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(jiǎn)單的整流橋和一顆電容組成,驅(qū)動(dòng)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(guó)的認(rèn)證中并沒(méi)有禁止使用電解電容,看來(lái)很多地方并不能沒(méi)有它,電解電容的存在帶來(lái)多項(xiàng)指標(biāo)提高,還能使得驅(qū)動(dòng)電路最簡(jiǎn)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(dòng)效率略遜于方式一,75%效率與小功率開(kāi)關(guān)電源效率相當(dāng),可靠性卻大大提升。LED為多個(gè)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(chǎng)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(shì)和成本具有絕對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)力。在今天萬(wàn)變不能抵擋成本的時(shí)代,去電源化一定占據(jù)80%未來(lái)主流市場(chǎng)。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(zhǎng),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(gè)環(huán)節(jié)創(chuàng)新,測(cè)試設(shè)備也需要開(kāi)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(méi)有預(yù)見(jiàn)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(kāi)發(fā),市場(chǎng)起量我跟進(jìn)。主動(dòng)研究開(kāi)發(fā)光源偏少,封裝處于被動(dòng)局面,燈具設(shè)計(jì)受到局限。一個(gè)定性的批量燈具,需要更符合這款燈具的光源。

按功率開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)方式,驅(qū)動(dòng)方式的萬(wàn)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(kāi)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(dòng)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(shì)。
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