LED去電源化設計技術(shù)

　一． LED照明路線分析

　　照明燈具設計基于LED發(fā)光部分、驅(qū)動控制部分和光學散熱結(jié)構(gòu)設計的三方博弈。

　　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，會有進一步的提升，加速LED應用奠定了堅實的基礎，燈具設計會變得簡單化趨勢。封裝方式會根據(jù)燈具應用而改變，長期以來按照LED散熱在發(fā)展封裝設計，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)省散熱設計成本。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?？煽啃?、壽命的提高也是當前重要部分。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. 光學設計和散熱器：光學設計人性化，燈的設計近來發(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，更具標準化的模組光源顯露優(yōu)勢。新材料散熱技術(shù)陸續(xù)推出，成本會進一步降低。

　　我們要給公司一個定位，一個競爭的基點。我們對電源驅(qū)動設計比較理解，在這里找到突破點，重點分析制定未來的發(fā)展。我們要開發(fā)一些新的驅(qū)動方式，才能徹底的取消電子變壓器、電感及電解電容，才能真正的提升燈具壽命。特備是內(nèi)置電源的燈具，內(nèi)部器件高達上百攝氏度，包括電解電容、磁性材料和漆包線均受到短壽威脅。

　　分析認為，只有取消短壽的器件LED燈具指標才能綜合性的提高，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． 高壓標稱值LED設計

　　發(fā)展《去電源化設計》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。長運通選擇了光刻技術(shù)，我們是專業(yè)的集成電路設計公司，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。COB金線連接時，數(shù)量太多品質(zhì)很難保證，金線吸收藍光效率會降低，金價堅挺，因此COB金線連接只能作為細分市場應用，規(guī)模性的普及受限。

　　長運通光電研究認為，當前設計燈具多采用單顆粒的低壓LED，這是設計燈具需要電源轉(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。

　　長運通光電研究發(fā)現(xiàn)，LED有與白熾燈同樣的一項特性。白熾燈采用鎢絲發(fā)光，可以做到1.5-380V電壓適應，通過鎢絲粗細長短獲得不同的阻抗，去適應不同的電壓驅(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，可見標稱值電壓是發(fā)展高壓LEDs的導向標。實際上國外的交流LED和高壓LED也是通過光刻技術(shù)實現(xiàn)的，正式因為偏離了標稱值導向標，一直都沒能找到正確的市場定位。

　　需要開發(fā)幾款標稱值電壓？長運通光電研究認為，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標稱值電壓，汽車是12V或24V電壓，風力和太陽能均需要鉛酸蓄電池儲能，需要是12V和24V。為此應著重考慮12V-LED設計，因為24V、36V、48V均是12V倍數(shù)，正常情況下LEDs串接，均能靈活的設計產(chǎn)品。

　　高壓LEDs可以使得我們的設計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計支持LED，但是需要能在驗證后的電源基礎上保證我們的設計燈具壽命，提升LED產(chǎn)品可靠性。

　　三． 去電源化設計

　　圖1是目前主要幾種設計方式，AC-LED因其整流橋部分也是采用LED組合設計的，整流橋部分也是發(fā)光的一部分。它的優(yōu)點是體積可以設計最小。缺點是在很小的體積下集中散熱，同時還要做絕緣處理，設計成本最高。再因為LED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。但是分析認為還是會有5%的市場機會，因為交流LED體積最小，在針對體積要求很高的細分市場。

　　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)，去電源化設計就是針對電源驅(qū)動，開發(fā)更合適LED應用電路，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)。去電源化設計是針對照明設計專用驅(qū)動電路，在有些數(shù)細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%市場機會。

　　圖 1 交流LED、高壓LED和低壓LED電路示意

　　HV-LED是今天重點討論的部分，正是我們設計高壓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計范圍，在燈具設計增加成熟的整流橋部分，可大大縮減設計成本。HV-LED與LV-LED相比不在需要電源轉(zhuǎn)換，驅(qū)動效率及電路設計大大簡化。

　　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，設計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，設計電路復雜，恒流精度誤差較大。小功率開關(guān)電源驅(qū)動方式驅(qū)動效率充其量設計到80%，LED應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，驅(qū)動效率及恒流精度大大提升，各項參數(shù)均優(yōu)秀，性能價格比高。

　　目前推出的去電源化設計有兩種方式，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指標提高，還能使得驅(qū)動電路最簡化。

　　去電源化設計方式二：

　　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，可靠性卻大大提升。LED為多個高壓LED組合分段應用。

　　燈具都可以適用去電源化設計，要看市場可否值得定向投入，在一定的規(guī)模情況下，去電源化設計性能的優(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。去電源化設計是一項技術(shù)密集型項目，設計戰(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計。并且多個環(huán)節(jié)創(chuàng)新，測試設備也需要開發(fā)跨行業(yè)整合，考驗整體設計團隊的凝集力。

　　四． 燈具設計發(fā)展思路

　　按照燈具產(chǎn)品設計光源。一直我們的光源都是依照光源發(fā)光及散熱考慮，并沒有預見性的知道燈具的需求。燈具公司按照既定的光源設計燈具光學散熱結(jié)構(gòu)。大多數(shù)公司緊跟一線開發(fā)，市場起量我跟進。主動研究開發(fā)光源偏少，封裝處于被動局面，燈具設計受到局限。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應用占不到30%，而且大多采用模塊化設計，組合設計大瓦數(shù)燈具，所以LED驅(qū)動設計集中在20W以內(nèi)設計即可。

　　按燈具綜合考慮電路結(jié)構(gòu)，去電源化設計適合大批量的照明產(chǎn)品，綜合考慮才能顯現(xiàn)優(yōu)勢。