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大众LED照明新技术发展近况与前景

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LED照明产业发展红红火火，LED照明新技术层出不穷。但是LED照明灯具进入千家万户的老百姓的家中始终步履蹒跚，很难跨入老百姓家门这段距离最短的一步。究其原因就是LED照明灯具的价格居高不下，普通平民百姓还是买不起！如何解决这个囧境？需要我们LED照明科技工作者发挥创新智慧，寻找解决方案，造福全世界大众百姓。

2013年将是大众照明平价LED灯具竞相设计、生产、上市之年，大众照明平价LED灯具的性价比PK将决定新研发的平价LED灯具的生命力、竞争力、和海量生产力；大众照明平价LED灯具应是全世界老百姓都能用得起的普通消费电子产品，它的零售价格应当接近甚至低于目前荧光节能灯的价格。因此，设计性能适合而性价比有竞争力的平价LED灯方案是关键。低成本解决目前现有的低压LED光源（LVLED）因低电压（VF）和大电流（IF）工作时的发烫瓶颈一直求而无解；但是创新的多芯封装HVLED，它的高电压（VF）、小电流（IF）工作条件缓解了LED光源的发热程度；LED驱动恒流电源芯片经过中外电源芯片集成电路设计者的努力，功能集成度高，应用电路简洁，性价比好的芯片层出不穷；近年导热塑料散热器、塑包铝散热器的出现解决了LED灯具狭小空间的隔离技术难题。因此，普惠老百姓买得起、用得好的大众照明平价LED灯具的海量生产、海量上市的美好时代已经十分临近了！

LED灯珠技术革新变化大

LED灯珠封装技术的创新，使得LED光效每月都有所提升，LED灯珠的价格不断下降，高压LED（HVLED）技术日趋成熟，降低LED灯具腔体热度成为现实。平价LED灯具适用的LED光源模组有COB、COF和多芯封装HVLED，市场苛求LED光源模块成本在RMB1.00-0.80/W，其中COF和多芯封装HVLED可能被平价LED灯具优选。

LED封装新技术有把LED管芯封装在铝基板上的“COB”（chip on board），不采用打金线而用覆晶和共晶技术生长引线的“覆晶和共晶COB”，将LED管芯直径绑定在铜支架上的“COF”（chip on Frame），无需打金线和封装、在LED制造过程中直接制成最终客户能使用的“ELC”（embedded LED chip），在一个单位里封装2、3、4、6、8颗LED管芯的“多芯封装的HVLED”，将N颗LED灯珠串联成HVLED应用。这六种LED封装新技术都给LED灯具设计带来了新思路（图1）。LED光源的创新封装技术，引导发展高电压小电流LED光源，降低了LED光源板的发热程度，平价LED灯具设计因此有了新选择。COF典型产品如图2所示，ELC产品如图3所示。

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图1：LED灯珠封装新技术

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图2：COF典型产品

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图3：ELC产品

非隔离恒流驱动电源渐成主流

大众照明平价LED灯适用的LED驱动电源有非隔离开关恒流源、PSR隔离开关恒流源和高压线性恒流源。

非隔离开关恒流源适用于高电压、小电流LED负载的应用，主要是多芯封装或N颗串联的HVLED光源。非隔离开关恒流电源的优势是低成本、高效率、小体积，非隔离开关恒流电源产品采用单绕组电感，可以降低成本、提高生产效率；内置不同大小高压MOSFET提高应用电源的性价比；电感和PCB在不同功率电源中可以通用，以利生产工厂减低库存。典型的非隔离开关恒流电源电路如图4所示，由于芯片的功能高度集成，因而应用线路十分简洁。图5是PHILIPS的2.5英寸的3.5W（7X0.5W）LED筒灯，它的非隔离开关恒流电源采用上海晶丰明源的BP2802芯片。日本在核电事故之后也大力推广非隔离开关恒流电源的LED灯具，主要考量是效率的利用，日本政府在居民购置LED灯具时直接补贴价格的50%，是推动老百姓大量选用LED灯具的源动力。众多LED灯具中外制造商关注LED灯具的效率，因此，非隔离恒流驱动电源逐渐成为大众照明LED灯具电源的主流之一。

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图4：典型的非隔离开关恒流电源电路

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图5：PHLIPS筒灯采用非隔离开关恒流电源

PSR隔离恒流电源性价比富竞争力

PSR（原边控制）隔离恒流电源性价比富竞争力，PSR隔离恒流电源适用于大电流、低电压的LED灯珠，即目前广泛应用的低压LED（LVLED）灯珠。创新设计的PSR隔离恒流源芯片，功能高度集成使得应用电路十分简洁，导致灯具结构设计简单，易过安规；对芯片内部的算法创新，使得它对变压器的电参数不敏感，变压器减至只有2个绕组，降低成本，提高生产效率；内置不同大小高压MOSFET提高性价比。典型的PSR隔离恒流电源电路如图6所示，采用BP3122开关恒流源芯片，5W电源的BOM成本在RMB2.00元。深圳谷科半导体这个电源的每月产量达6-10KK个。

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图6：典型的PSR隔离恒流电源电路

高压线性恒流驱动电源简洁低廉

高压线性恒流驱动电源是配合高电压小电流HVLED的新一代大众照明LED驱动电源技术，它没有来自自身升降压的开关频率，应用电路没有磁性器件、没有电解电容器；因而它具有较高的效率，较高的PF，较低的THD；并可很方便地兼容可控硅调光器；它工作在高电压小电流，因此HVLED灯板的发热较低。

高压线性恒流电源方案中，由于没有变压器等磁性器件，没有电解电容器，因而可省却一般开关恒流电源成本的三分之一，应用电路简洁，成本低廉；导热塑料散热器的引入又解决隔离安全技术问题，因此，高压线性恒流源在一体化光电模块（或称一体化光电引擎）、平价LED灯具中的应用将迅速发展。典型的高压线性恒流驱动电源如图7所示。

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图7：典型的高压线性恒流驱动电源电路

高压线性恒流源是一种分段点亮LED的电源新技术，市电经过桥式整流产生脉动直流，脉动直流的包络线等同于交流电AC的正弦波，根据母线电压的正弦波变化自动切换LED灯串，随着母线电压的上升依次点亮三串LED灯珠。当母线电压上升，达到第一串LED导通电压时，MOS1打开，LED1灯串点亮；当母线电压继续上升，达到第一、二串LED导通电压之和时，MOS2自动打开，，LED1和LED2灯串同时点亮；当母线电压继续升高到三串LED均可导通时，MOS3打开，LED1，LED2和LED3灯串几乎同时点亮。如果母线电压下降，则过程相反，分段导通状况如图7内附左下小图所示。

分段点亮非隔离线性恒流LED驱动电源最大的优点是体积小、成本低、高功率因数和长寿命，没有变压器和电感器，也没有电解电容器；PFC可达0.90-0.99。缺点是LED光效利用率还低了一点，一般为70%~90%；还有一定的使用局限性，即输入电压范围需要在20%的范围之内，输出LED灯珠电压也需要在10%的范围之内，否则效率会不理想。因此，在用高压线性恒流驱动芯片做LED照明驱动电源设计时，需要针对不同的AC电源使用电压、不同的LED灯具的功率和不同的线性驱动芯片做不同的应用电路方案设计。

一体化光电引擎成灯具厂新宠

由于有了HVLED，特别是多芯封装的HVLED，和应用简洁的高压线性恒流驱动芯片，设计在铝基板的同一面SMD LED灯珠和整流桥堆、电源驱动芯片的一体化光电模块成为一个创新产品（图8）。按照LED灯具功率设计的一体化光电模块实物如图9所示，将它与导热散热器紧密连接就成为各种球泡灯、筒灯、工矿灯内部的核心器件，它也可按照Zhang的标准设计制造成LED照明灯具中的一种标准化的通用部件。

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图8：一体化光电模块的原理

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图9：一体化光电引擎实物

平价LED灯具成终结海量产品

大众LED照明灯具能被全世界老百姓用得起、用得好的一定是高品质、经济型平价LED灯具，因此平价LED灯具的性价比显得十分重要。大众LED照明灯具需要有高科技的技术、有精致成熟而简单的工艺、有低廉的成本才能成为普惠百姓的海量产品。LED照明灯具市场是一座金字塔，高端产品只能是其中很少的一部分，大众照明灯具是其下层的海量需求所在。

由于LED灯珠封装技术的创新，COF和多芯封装的HVLED成为平价LED灯具的首选光源；由于LED驱动电源芯片设计技术的创新，功能高度集成化，应用电路越来越简化，PSR隔离开关恒流源驱动芯片、高压线性恒流源芯片成为平价LED灯具的首选电源芯片。

以COF光源和PSR隔离开关恒流源芯片为主的5W平价LED球泡灯整体方案如图10所示，其BOM成本已经可以控制在RMB10.00元。深圳雷丰光电等数家公司已经大批量生产。成熟的整体方案中，优秀的瑞丰光电COF光源和颇具性价比的晶丰明源驱动电源芯片成为这个方案的核心器件。

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图10：COF和PSR隔离开关恒流电源的平价LED方案

以高电压（VF=35-140VDC）、小电流（20-60mA）多芯封装HVLED光源和高压线性恒流芯片为主的一体化光电模块（或称一体化光电引擎）、非隔离平价LED灯具整体方案如图11所示。5W的平价球泡灯，采用导热塑料或塑包铝的散热器解决了安全隔离技术，其BOM成本可以控制在RMB15.00元。优秀的宁波美亚光电多芯封装HVLED光源和技术先进的达鑫电子、美芯晟的三段点亮高压线性驱动芯片成为这个方案的核心器件。

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图11：多芯封装HVLED与高压线性恒流电源的平价LED灯方案

先进的创新设计理念、成熟的生产工艺、可靠的品质保证、新一代导热塑料散热器的加盟（图12），使得适合大众照明的平价LED灯具的设计生产变得简单易行，性价比不断接近老百姓的理想价位；由于LED产业链的上游企业提供了较为完整和成熟的可用于生产的方案，使得下游LED灯具企业设计重心移至灯具造型的差异化和创新多样化设计，以及灯具结构的优化设计。

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图12：导热塑料散热器

平价LED灯具将是终结海量需求市场的普惠百姓产品。

参考资料
《室内LED照明驱动电源技术浅析》颜重光 2012-11-02
《基于DS6622高压线性恒流电源设计技术》颜重光 2012-11-05
《MY一体化光电引擎》颜重光 2012-12-07
《高PF和低THD的线性恒流驱动芯片ACS0804》颜重光 2013-02-06

文章内容仅供参考 (投稿) (4/27/2013)


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