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LED照明技术创新发展——颜重光
[2015/4/28 17:32:23]   来源:照明人   编辑:秦燕   评论0
摘要:......

  LED照明节能省电、高效环保、长寿安全已普及到全世界人民,世人皆知。LED照明技术突飞猛进,近年来有很多创新的发展。LED光源和LED照明灯具的生产成本不断下降,有望销售价格很快可媲美荧光节能灯,从而进入全世界老百姓的居家照明。

 

  历年来,LED产业链从业工程师对LED灯珠、LED驱动电源芯片、LED的散热材料、LED的制造工艺坚持不懈地不断进行改革,对LED光源和LED照明灯具的设计技术努力创新。新一代LED光源和LED照明灯具正在涌现,LED光源和LED照明灯具不再烫不可及将成为不争的现实。平价LED光源和平价LED照明灯具因此在2014年和2015年将进入海量生产。

 

  一般将LED球泡灯、日光灯等称之为LED光源,凡是带外壳的,如LED台灯、筒灯、吸顶灯、平面灯等称之为LED照明灯具。

 

  LED照明技术的创新发展,可以概括为:LED光源从低压趋向高压;LED驱动电源从隔离趋向非隔离和高压线性驱动;LED散热器从全金属趋向金属塑料混合或全塑料;LED照明灯具设计创新概念。

LED光源从低压趋向高压

  LED光源从低压趋向高压将是必然发展趋势之一。好多年来,由于将LED灯珠设计在低电压、大电流的工作条件下,LED灯珠在工作时只能将30%的电能转换成光能发亮,70%的电能转换成热能,在LED灯珠这样微小的单位面积上瞬时聚集高温热量,如不能很快而有效地将其扩散,必然使空间本来就十分狭隘的灯腔空间热量聚集产生高温,灯腔内的常温可高达摄氏80-100度(图1),LED灯珠因散热不畅被加速老化,导致发生早期光衰,LED驱动电源中的电解电容器,因其中电解液被慢慢烤干,而失去功能。低电压大电流的LED光源或LED照明灯具一直受高温散热不畅的瓶颈制约,而难以向低成本高性价比、需求海量的通用照明电器方向迅速发展。LED灯珠工作的电流越大发热越厉害。

1 低电压大电流工作使灯腔高温聚集难散

 

  LED光源的创新技术是将LED管芯串联成高压的HVLEDs,如在LED圆晶片上就制成HVLEDs的晶片高压模组(图2);或者在封装时将其制成HVLEDs的高压模组,如邦定在陶瓷或铝基板上的HVLEDs的COB,如邦定在陶瓷或铝基板上的多芯片均布HVLEDs的LED灯板模块;或者采用多芯封装,在原本封装一颗管芯的单位里封装2—6颗LED管芯,为HVLED的应用创造条件(图3);最新创新的封装技术是将LED管芯邦定在透明陶瓷或透明玻璃基条上,制成HVLEDs灯丝条、片(图4)。HVLEDs可使LED工作在高电压小电流的工作环境下,LED工作电流从150—700mA改变成60—10mA。可以有效减少灯泡点亮时LED灯珠发出的热量。从而创新设计新一代LED光源和LED照明灯具,它们的最大亮点就是灯泡从此不太烫了!因而LED灯珠、LED驱动电源都可延年益寿了!电解电容器的短板也就不存在了。


2 VF50V的晶片HVLEDs

3 6芯封装的HVLEDs

4 VF70V HVLEDs灯丝条

LED驱动电源从隔离趋向非隔离和高压线性驱动

  LED驱动电源早期大多数采用隔离开关恒流驱动电源,目的是为了LED光源和LED照明灯具获得更好的安全性,一般来说隔离电源的效率比较低,大约在60—88%,主要是变压器的损耗效率较多,很难克服。非隔离开关恒流驱动电源的效率在90%以上,但是用于隔离的结构件设计比较复杂、成本不低,主要是因为散热器采用金属铝,易导电而需要防护。今天LED散热技术开拓了塑料包铝散热器和全塑料散热器的新材料技术,轻松解决了繁复的高电压隔离难题。LED驱动电源从此从隔离趋向效率更高的非隔离和高压线性驱动(图5)。

5 驱动电源发展趋势

  隔离的开关恒流驱动电源、非隔离的开关恒流驱动电源、高压线性恒流驱动电源将形成三足鼎立,共同服务于万千种LED照明的不同光源和灯具,但是,非隔离的开关恒流驱动电源、高压线性恒流驱动电源的比例将逐渐增加。

 

  得益于集成电路设计、制造技术的进步,和集成电路设计师的努力,LED照明专用恒流驱动电源的芯片,已经将LED灯具所需要的保护功能如欠压保护、过压保护、过流保护、过温保护、开路保护、短路保护、输出线性补偿、负载调整等功能全部集成在芯片内部了,部分小功率的芯片将高压MOS管也集成了,使得应用电路十分简单,只有无法集成电源需要的变压器、电感器、电解电容器等不到十几个零件,应用成本十分低廉,生产人工十分节省,电源生产的良率大幅提升,使用的可靠性得到强化。使LED驱动电源的生产成本有效下降,为LED整灯生产的成本和零售价下降提供了可靠的基础。

 

  得益于集成电路的高压工艺,高压线性恒流驱动芯片顺利诞生,高压线性恒流驱动芯片组成的驱动电源,没有变压器、电感器和电解电容器,应用线路十分简洁(图6)。为发展光电一体LED光源模组提供了可行技术基石。

6 无需变压器、电感器、电解电容器的高压线性驱动电源

 

  由于国际ZHAGA联盟要求今后设计生产的LED照明灯具内部的主要部件具有互换性,因此,建议设计生产可互换的光引擎,以便用户用DIY的方式自行简捷维修。我们在成功开发设计生产新一代LED高压线性恒流驱动芯片以后,可以将多芯封装的LED灯珠和高压线性恒流驱动芯片、整流桥堆用自动贴片机表贴在同一块铝基板的同一面,生产高品质的光源和电源一体的“光电引擎”(图7)。为LED光源和LED照明灯具步入自动化大批量生产提供了可行技术,因此将节省大量的人工成本,可进一步降低LED光源和LED照明灯具的生产成本。

7 光源和电源一体的“光电引擎”

 

LED散热器从全金属趋向金属塑料混合或全塑料

  散热是LED光源和LED照明灯具的一项关键技术,特别是采用低电压大电流驱动LED灯珠的产品。散热的主要途径是传导、对流和辐射,由于LED灯珠发光是没有红外线和紫外线的,因此几乎没有自身的辐射功能,散热主要依靠传热和对流。按照LED散热技术的新理论,LED灯珠的最初热量导出是需要快速传导的,因此选用导热系数高的铝合金是具性价比的明智选择,一般选用5mm厚的铝板是合理的,之后就需要用对流快速发散热量,因此全铝散热器会在外围做很多薄而多的翼。如今,高导热塑料有很好的导热系数,可塑性很好,生产时省工、省料,外面塑料可以用模具制很多薄翼,因此LED光源和LED照明灯具将会大量选用塑包铝的散热器,甚至高导热全塑料散热器。

 

  LED散热器正在从全金属趋向金属塑料混合或全塑料散热器。高导热塑包铝散热器技术,使LED灯具内高低电压隔离的复杂技术瞬间简单化了,得到轻松解决。塑包铝散热器是一种导热塑料外壳铝芯的散热器。导热塑料与铝散热芯在注塑机上一次成型,适合大批量自动化生产,铝散热芯做埋件,需要预先进行机械加工。LED灯珠的热量通过铝散热芯快速传导给导热塑料,导热塑料利用它的多翼形成空气对流散热,利用它的表面辐射部分热量。塑包铝散热器一般利用导热塑料本来的颜色白色和黑色,黑色塑料的塑包铝散热器的辐射散热效果更好一点。高导热塑料散热器如图8所示。

8 高导热塑料散热器

LED照明灯具设计创新概念

  目前的LED光源和LED照明灯具的海洋市场中,雷同的产品太多,因此相互竞争激烈,互相压价成了双方的杀手锏。设计不同的产品和进行差异化设计成了LED照明行业的强烈愿望和迫切的呼声。LED照明灯具设计创新概念由此萌发,LED给予我们无限想象空间,改变传统的LED封装,改变传统的电源,就可以打开一扇扇窗户,呈现一片片新天地,从而商机无穷!

 

  LED灯丝灯就是一个LED照明技术创新的例证,将N颗LED管芯封装在透明基板条上,组成HVLEDs,赋予高VF电压、低IF电流驱动,实现多发光少发热的工作模式。二根灯丝条可以串联成蜡烛灯,四根灯丝条,二串二并可以做成球泡灯。目前每根灯丝条为0.8—0.9W,蜡烛灯为1.8W,球泡灯为3.6W(图9),均已上市,深受欧美日客商的欢迎。连续点亮8小时,灯泡表面温度在30-35摄氏度,灯泡亮而不烫成为LED灯丝灯的最大卖点,如同白炽灯又深受怀旧的客户追捧。6W和10W的球泡灯样品已经在例行试验中。

9 LED灯丝蜡烛灯和球泡灯

  集LED灯珠和高压线性恒流驱动芯片、整流桥堆于铝基板一面的“光电引擎”,为LED球泡灯的设计生产带来新的理念,光电引擎作为符合Zhaga标准的通用部件,LED灯具的设计重点是球泡灯的外形创新设计,设计差异化的散热器可能是灯具厂最主要的工作。LED球泡灯的生产将变得十分快捷省力,一套LED球泡灯,就是由灯罩、光电引擎、散热器、灯头的组装,一般30—40秒就能完成(图10)。如今由于LED封装厂和高压线性恒流驱动芯片设计公司的协同努力,已经使光电引擎的成本做到极高性价比,每W一元的光电引擎已经大量上市,7W7元、9W 9元的光电引擎深受LED灯具厂欢迎,生产LED球泡灯因此而快捷,而且光效、显指、色温等都有很好的可比性。

10 光电引擎的球泡灯组装简捷

  技术创新带来新的生产力,LED照明技术的创新发展,给LED产业带来无限生机,无论是LED灯珠,还是驱动电源芯片、新材料散热器,乃至LED光源、LED照明灯具,只有不断技术创新才能连续赢得市场!设计和生产高性价比的平价LED光源、平价LED灯具,在深蓝市场里占据一席之地,是LED企业做大最做强的基本,也是群雄百舸争流,能成中流砥柱的关键!

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