解析LED通用照明面臨的四大挑戰(zhàn)

當前，LED最具潛力的市場無疑當屬平板液晶電視、筆記本電腦和筆記本顯示器中的大尺寸LCD背光，但毫無疑問，通用照明才是LED的最終發(fā)展目標。目前，在LED通用照明 市場還未真正啟動之前，LED球泡替換燈將成為照明市場最主要的增長領域。然而，市場上大量出現(xiàn)的LED球泡燈，等同于真正意義上的固態(tài)照明（SSL）嗎？LED是否真的為通用照明做好了準備？

LED通用照明首先面臨四大挑戰(zhàn)

　　美國能源部曾表示：固態(tài)照明是50年來照明領域最具破壞性的創(chuàng)新技術。有不少業(yè)內(nèi)人士對此表示認同，并認為LED是顛覆性產(chǎn)品，是要革它原來產(chǎn)品命的。但事實上，LED進入通用照明市場，依然面臨四大挑戰(zhàn)，它們分別是：光品質(zhì)、光效表現(xiàn)、可靠性以及簡單化。

　　飛利浦亞洲地區(qū)營銷總監(jiān)周學軍對此解釋道：LED的光品質(zhì)與傳統(tǒng)照明相比仍有差距；光效表現(xiàn)還有部分應用無法覆蓋；由于LED照明可靠性由芯片、電、光、熱、機械、互聯(lián)部分等多個因素決定，因此無法保持足夠的光輸出流明維持壽命；由于缺乏統(tǒng)一標準，現(xiàn)在市場上的LED照明產(chǎn)品五花八門，復雜性也阻礙了其短期內(nèi)很難被更多受眾接受。''''那么，目前市場上有哪些提升LED光品質(zhì)和光效的方案？

光品質(zhì)

通常我們談到的光品質(zhì)主要指光分布、光角度與陰影，以及演色性。這里，周學軍特別強調(diào)設計人員要注意：不同LED 顆粒間的光色是否一致？隨著時間推移不同顆粒的變化是否一致？一顆LED在不同角度是否存在色差？顯色指數(shù)表現(xiàn)如何？

　　LED的整個封裝工藝流程包括兩個重要步驟：利用金線對芯片和管腳進行鍵合，以及進行熒光粉涂布。這兩個步驟都會對LED造成色差，特別是金線會擋住光路，如果操作不當可能會對芯片造成隱性裂痕，從而形成芯片斷裂隱患。為了解決這些問題，Philips Lumileds最新推出的LUXEON Rebel LED系列采用了最新TFFC（薄膜倒裝芯片技術）和獨有的Lumiramic熒光技術。

　　據(jù)周學軍介紹，TFFC技術的電極在電路板后面，表面無縱橫布線，因此物理結(jié)構(gòu)更好。而Lumiramic熒光技術利用陶瓷熒光板代替熒光粉直接粘結(jié)到芯片上，使得表面完全平整，不會有凹凸和不均勻，因此從根本上避免了傳統(tǒng)封裝法因不均勻的熒光粉涂布而導致的大多數(shù)LED在偏離中心視軸的角度顯示出顏色的不一致。此外，采用Lumiramic技術還可以將白光分bin（分檔）的范圍縮小至原來的1/4，周學軍補充道。

　　目前，對于照明行業(yè)特別是照明設計來說，最頭疼的問題莫過于分bin。對于一些有經(jīng)驗的LED制造商來說，通常的做法是在所有檔中使用白光LED的整個輸出范圍。然而，在特定CCT（相關顏色溫度）下，根本無法低成本生產(chǎn)出具有高一致性的白光LED,其主要原因在于藍光LED芯片的波長和熒光粉的涂布工藝。因此，制造商可能會混合使用多個分bin的LED，但是這樣一來，產(chǎn)品的應用范圍受到限制，既增加了生產(chǎn)工藝的復雜性，又產(chǎn)生了更多存貨。Cree公司對此的解決方案是EasyWhite bin,該方案采用Cree的多芯片XLamp MC-E LED,MC-E芯片采用四芯封裝發(fā)，由Cree挑選四顆不同特性的白光LED芯片（上覆有熒光粉）并封裝好，混合后的白光輸出能達到預期色溫，而且遠小于ANSI規(guī)定的標準范圍。

　　光效表現(xiàn)

就像半導體行業(yè)的摩爾定律一樣，LED行業(yè)也有一個Haitz定律，即LED亮度大約每18-24個月提升一倍，而在今后10年內(nèi)，預計亮度可以再提升20倍，成本則將降至現(xiàn)有的1/10.今天，市場上1美金大約可以買到100-150流明，美國能源部預計2020年這個數(shù)字將達到1000流明。

　　LED發(fā)光效率如何提高？

首先來看封裝。目前，市面上LED光源最為常見的是直插式和貼片式。深圳市長光半導體照明科技有限公司技術副總監(jiān)朱嘯天則認為，這兩種封裝方式的散熱出口截面積較小，而且一次出光口通道狹窄，利用率相對不高。根據(jù)LED的出光特點，長光半導體設計了扁平化的一次光學通道，形成了平面光源陣列式芯片，可以最小化光學損失。對此，朱嘯天解釋道：“像SMD的3528或505光源，使用玻璃纖維或塑料做基板，底部沒有跟任何金屬連接。平面光源陣列式芯片則采用了基于多芯片集成COB直接封裝技術，光源使用的鋁基板可以將更多熱量通過直連散熱散發(fā)出去?！睋?jù)悉，目前該公司擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的LED面光源技術光效已達130lm/w,整燈光效已大于100lm/w.

　　除了封裝，芯片結(jié)構(gòu)、正向電壓等因素也十分關鍵。正向電壓如果能被控制在一個非常小的范圍內(nèi)，就可以獲得很好的光效。在這部分，還要特別注意如何解決droop現(xiàn)象。眾所周知，電流密度的增加會使LED（主要指藍色、綠色等將InGaN作為發(fā)光層的LED）發(fā)出更多的光，但與此同時光效也會隨之下降。當前，芯片設計公司正在努力尋求解決方法，盡可能使光效與電流增加呈正比。也就是說，在一平方毫米面積上，以光效無損為前提得到更多光，而不是靠提高die尺寸。當然，冷熱系數(shù)（LED在100°C結(jié)溫和25°C結(jié)溫時的燈光輸出比值）的提升也有助于簡化散熱系統(tǒng)設計，從而降低最終應用中的每流明成本。

　　如何解決散熱問題

　　LED抗熱性的重要已成為業(yè)界共識，這個問題對于LED通用照明同樣存在。對此，周學軍曾生動地比喻道：LED就像是一個雪人，冷的時候很漂亮，但是一熱了就會融化，變得很難看。

　　LED系統(tǒng)設計中的熱管理很重要，因為相當部分的電能轉(zhuǎn)換成了熱能。''''安森美半導體電源及便攜產(chǎn)品全球銷售及營銷高級總監(jiān)鄭兆雄表示，''''要解決好散熱問題，需要提升驅(qū)動電源的轉(zhuǎn)換能效和應用更高光效的LED,采用提供強固熱故障保護性能的LED驅(qū)動芯片和散熱性能更好的驅(qū)動芯片封裝，以及散熱性能更好的LED基板等。此外，為了提高系統(tǒng)可靠性，還需結(jié)合其它手段，如采用額定工作溫度更高的更好外部元器件，以及采用環(huán)境光傳感器以減少電能消耗和發(fā)熱量等。''''

　　美國國家半導體（NS）亞太區(qū)市場經(jīng)理黎志遠認為：受實際操作環(huán)境影響，LED的內(nèi)部溫度確實可能會飆升至極高水平。一旦LED的溫度升越閾值，進入非安全區(qū)，那么LED的壽命及照明效果便會受到影響。而采用熱能回折電路則可以監(jiān)控系統(tǒng)熱能，以免溫度失控。

　　NS的LM3424芯片正是一款這樣的產(chǎn)品，可為照明 系統(tǒng)的LED 設置溫度及斜坡斷點，確保LED停留在安全區(qū)內(nèi)操作。如果出現(xiàn)過熱情況，LM3424的熱能回折電路便會減少流入LED的穩(wěn)壓電流。減少的鎮(zhèn)壓電流會使LED的亮度也隨之下降，但仍然保持在工程師預設范圍內(nèi)，直至操作溫度恢復到安全的操作范圍內(nèi)。此外，NS還推出了一款大功率LED驅(qū)動器LM3464,采用該芯片的過熱保護系統(tǒng)解決方案可以監(jiān)控LED散熱器/銅箔層的溫度：若LED溫度突然大幅飆升，過熱保護功能會調(diào)低輸出電流，避免LED在不正常情況下過熱受損，同時LED可保持一定的亮度。

　　上海龍茂微電子有限公司總經(jīng)理茅于海指出，徹底解決''''熱''''問題還有待LED發(fā)光效率的提高。深圳瑞豐光電子有限公司常務副總林常對此表示認同，他表示：''''要解決熱管理的問題，首先從芯片方面就要提高光效，光效提高自然熱就小了。到了封裝，要考慮如何把熱量導出，同時還需要解決封裝材料的耐熱問題，材料不黃變，光衰減就沒有。而在應用端要做的，就是如何把熱導入到大自然環(huán)境中去，這里不燙就成了關鍵。三方面的設計人員都要做好自己應該做的事，這才是根本。針對不同的產(chǎn)品，解決方案一定不同。''''據(jù)悉，目前瑞豐光電在封裝環(huán)節(jié)，已經(jīng)能夠做到5000H零衰減。

　　LED驅(qū)動解決方案

　　對于LED照明應用來說，驅(qū)動電源部分的作用至關重要，因為如果驅(qū)動電源部分無法給予支撐，那么再高的LED光效也是浪費?？梢赃@么說：高效的驅(qū)動電源是提高照明系統(tǒng)效率的有力保證。對此，茅于海特別指出：''''LED設計中最大的問題是如何保證驅(qū)動電源的可靠性來匹配LED的長壽命。這方面必須深入理解可靠性的設計原理和具體方法，并懂得如何測試產(chǎn)品的可靠性。''''

　　LED驅(qū)動電源的可靠性很大程度上與''''熱''''相關，如果散熱效果不佳，電路中電解電容的壽命將大大降低，從而嚴重影響LED產(chǎn)品的壽命。相關內(nèi)容我們已經(jīng)在上文進行了討論，下面我們將主要介紹其他可能存在的問題以及幾款最新的解決方案。

安森美另一款新的低電流LED 驅(qū)動方案--NSI45系列雙端和三端線性恒流穩(wěn)流器（CCR），使用了正在申請專利的自偏置晶體管（SBT）技術。這種方案比線性穩(wěn)壓器更簡單，且成本更低，但性能相比電阻方案又大幅提升，填補了市場空隙。NSI45系列能夠在寬電壓范圍下保持亮度恒定，輸入電壓較高時保護LED免受過驅(qū)動影響，輸入電壓較低時仍使LED較亮，幫助減少或消除LED編碼庫存，以及幫助降低系統(tǒng)總成本等，非常適合低電流LED電流應用。

　　據(jù)英飛凌科技（中國）有限公司工業(yè)及多元化電子市場事業(yè)部銷售及業(yè)務開發(fā)高級總監(jiān)石敬巖介紹，英飛凌最近也推出了一款支持調(diào)光功能的離線型LED驅(qū)動IC--ICL8001G,適用于住宅照明 用高效LED燈泡。該產(chǎn)品采用彈性設計，能夠替代所有40W/60W/100W白熾燈泡以及所有典型的消費類照明應用。ICL8001G節(jié)能效果可達90%,支援多種已安裝的墻面調(diào)光器，同時也是唯一的整合功率因數(shù)校正（PFC）功能的主控式離線型LED驅(qū)動器解決方案。

　　雖然LED驅(qū)動市場主要由TI、NS、安華高、Linear、NXP等歐美企業(yè)，以及聚積、立?、點晶、研晶等臺灣廠商占領，但是目前中國本土的幾家公司在該領域也表現(xiàn)的頗為活躍。例如上海龍茂微電子有限公司，就推出了各種功率LED所需的恒流驅(qū)動電源。''''我們的優(yōu)勢是掌握了核心芯片技術，此外我們還集中于路燈、日光燈、隧道燈等的調(diào)光技術，并擁有5項專利。''''茅于海表示。據(jù)悉，龍貿(mào)已經(jīng)量產(chǎn)的降壓型大功率LED恒流驅(qū)動模塊SLM2842J得到了業(yè)內(nèi)不少好評，該模塊可以在輸入電壓為36V時驅(qū)動10串6并1W的LED,或者10串2并3W的LED,驅(qū)動功率高達60W,效率高達98%.只有1.2W的功率需要耗散，所以發(fā)熱很低，在60度以下。

　　針對室內(nèi)照明的新一代LED模組

　　安森美的鄭兆雄認為LED照明設計過程中還有一項重要挑戰(zhàn)，那就是要保持照明系統(tǒng)或光源的不同組件有盡可能高的能效。應該把光源看作是完整系統(tǒng)，將LED、用于散熱的散熱片、光學組件，以及電子驅(qū)動電路看成一個整體，確保每個組件的設計都提供最大能效。他表示。

　　在實際操作中，瑞豐光電將上述觀念模組化，推出了室內(nèi)照明模組化解決方案。模組化就是將光源、散熱部件、驅(qū)動電源組成模塊批量生產(chǎn)，通過模具制造出標準化的LED照明產(chǎn)品。''''瑞豐光電研發(fā)中心大功率LED模組開發(fā)部主管劉鑫表示，“盡管目前本土企業(yè)在LED外延片和芯片方面無法繞過國外企業(yè)的專利壁壘，但模組的批量生產(chǎn)具有價格優(yōu)勢，特別對下游LED照明應用企業(yè)來說是一個不錯的選擇?！?br/>

　　現(xiàn)在很多企業(yè)在球泡燈中加入3520、5050等小功率LED光源用于室內(nèi)照明，但產(chǎn)品往往存在眩光過強、熱處理不夠、壽命短、成本高、顏色差異大等問題?！拔覀冋J為，將傳統(tǒng)燈泡裝上LED光源，完全不等同于半導體照明?！眲Ⅵ伪硎?，“LED要想真正走入千家萬戶，就要發(fā)揮其優(yōu)勢，而這應該是一個系統(tǒng)化工程，包括電源系統(tǒng)、LED光源、驅(qū)動系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、外觀結(jié)構(gòu)設計、散熱系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等多個方面?！?br>

　　正如前面提到的，光品質(zhì)包括演色性、空間均勻性、色彩一致性、無眩光等。瑞豐光電的模組光源解決方案，通過植入色光LED芯片來提升整體光源的演色性，或單一演色性。因為在LED光譜中，紅色和綠色這兩段較低，如果把綠光芯片和紅光芯片串在白光模組中，可以對演色性有非常本質(zhì)的提升。''''劉鑫解釋道。由于整體光效靠白光來提升，演色性靠其他芯片的光去來提升，這樣做還有助于將光效與演色性分立。

　　“空間均勻性和色彩一致性，首先通過對物料進行選擇與優(yōu)化得以改善?！眲Ⅵ伪硎尽＿@里的物料選擇包括熒光粉和芯片。封裝時，可以利用設備去檢驗芯片以及熒光粉進料激發(fā)出的波長有多寬，從而檢驗來料是否符合要求。其次是模組電源內(nèi)電路的設計，要考慮到整個模組的串、并情況。第三是要進行嚴格的制程控制，包括最直接的，就是熒光粉涂布的方式以及多少，這對色彩一致性有很大影響。最后，還要進行物料可靠性控制。

　　隨著LED光效的提升，劉鑫認為眩光問題在今后的LED照明設計中將會更加凸顯。模組電源通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，例如使用反射杯來降低眩光。而這也正是瑞豐光電在結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新設計之一，加入反射杯，可以很大程度地減少每顆LED芯片發(fā)出光的損失，與此類似的還有加一次透鏡、表面粗化處理等，與模組結(jié)合都可以提高出光效率。

　　光的壽命包括兩個部分，一個是亮度壽命，一個是顏色壽命。亮度壽命直接影響到光源的運行成本，在壽命控制中，首先要考慮的是散熱設計。模組光源通過結(jié)構(gòu)設計來解決這個問題。壽命和散熱有直接關系，包括芯片、原料，其最直接的壽命影響就來自于熱。藍光的出光效率和熒光粉，都跟結(jié)溫有很大關系。一般情況下，LED的結(jié)溫每升高10度，其壽命就會降低一半。劉鑫補充道，''''模組在解決熱阻方面有其優(yōu)勢。目前LED應用燈具的熱阻主要包括LED芯片、封裝材料、支架、貼到電路板上的熱阻、二次應用系統(tǒng)熱阻，如果能夠省去中間某個環(huán)節(jié)，其實就把整個應用過程的熱阻省了很大一部分。而使用模組解決方案，可以直接省去了支架熱阻和客戶買回去以后的再貼片熱阻。

　　目前，由于LED燈具類標準的滯后，市場上LED驅(qū)動電源主要采取客戶定制的運作模式，因此LED燈具 普遍存在電壓、電流、功率等級不規(guī)范，以及空間有限、散熱條件差、電源能耗影響燈具環(huán)境溫度等問題。飛兆半導體深圳分公司技術市場部經(jīng)理錢家法表示，不同功率等級的LED應用可能遭遇不同的問題。例如，小功率應用可能由于空間太小導致驅(qū)動板無法安置，而安規(guī)距離不夠、恒流精度不夠、溫度太高等也是可能出現(xiàn)的問題；中功率應用通常采用PFC＋PWM兩級架構(gòu)，從而導致整體成本過高；而大功率對PFC和恒流的精度要求都很高，直接帶來的問題是電路復雜、零件多，PFC和主電流時序需要控制，而且效率低下。針對各種不同的應用場合，飛兆半導體推出了多種LED驅(qū)動器解決方案，包括用于室內(nèi)照明的低功率反激式（PSR & SSR）方案、用于室外照明的大功率AHB和LLC方案，以及用于電視機背光照明的多通道驅(qū)動解決方案等等。

　　黎志遠指出，工程師在設計LED驅(qū)動電路的過程中最可能遇到的兩個問題是：如何通過電磁干擾檢定，以及電路之間的互擾可能造成工作不正常。NS的LM3402/4HV芯片針對DC-DC轉(zhuǎn)換器市場，不僅電源轉(zhuǎn)換效率更高，而且具有較強的抗電磁干擾能力。面向通用照明 ，NS推出的LM3445芯片可以利用三端雙向可控硅（TRIAC）調(diào)光器調(diào)控LED燈泡亮度。黎志遠表示：只要采用LM3445解決方案，目前市場上普遍采用的傳統(tǒng)燈泡如A燈泡、PAR燈泡、天花射燈等都可改用LED燈泡。

　　該產(chǎn)品與安森美的NCL3000功能類似。NCL3000是一款單段式功率因數(shù)校正TRIAC可調(diào)光LED驅(qū)動器，用于8W-25W功率的住宅及商業(yè)AC-DC供電LED照明應用，使用臨界導電模式（CrM）反激架構(gòu)，以單段式拓撲結(jié)構(gòu)提供大于0.95的高功率因數(shù)，因而省卻DC-DC轉(zhuǎn)換段。恒定導通時間CrM工作特別適合于隔離型反激LED應用，因為控制原理簡單，即使在低功率電平時，也能夠提供極高能效，這在LED照明領域很重要，目的是符合''''能源之星''''固態(tài)照明規(guī)范等各種規(guī)范要求及整體系統(tǒng)光效要求。

來源: OFweek半導體照明網(wǎng)

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