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做好LED照明三個關(guān)鍵點

發(fā)布時間:2012-04-05

中心議題:

  • 如何做好LED照明燈具散熱
  • 如何做好LED照明產(chǎn)品驅(qū)動電源
  • 如何做好LED照明產(chǎn)品光源

解決方案:

  • LED熱管理:NTC持續(xù)運行溫度維持LED燈使用安全
  • 電源加常規(guī)的保護功能和在恒流輸出中增加LED溫度負反饋
  • 采用“光源+燈具”的模式


想做好一個LED照明產(chǎn)品最關(guān)鍵的幾個部分不能不知,就是散熱、驅(qū)動電源、光源,在此同時,散熱顯得尤為重要,散熱效果直接影響到照明產(chǎn)品的壽命質(zhì)量,而驅(qū)動電源本身的壽命及輸出電流、電壓的穩(wěn)定性對產(chǎn)品的整體壽命質(zhì)量也有很大影響,光源是整個產(chǎn)品的核心部分。下面對散熱、驅(qū)動電源、光源進行解析說明。  

一,散熱  

LED照明燈具散熱的問題解答

對目前常見的白熾燈泡或是熒光燈來說,即便產(chǎn)品本身運行可能產(chǎn)生熱能,但組件的高熱仍可以被有效隔離,使光源與電源接座不會因熱而產(chǎn)生意外的問題。但固態(tài)照明就不同,一來LED組件集中單點的運行高溫,必須采取更多積極手段進行散熱處理,同時搭配主動有效的熱處理機制,才能避免燈具發(fā)生問題。LED固態(tài)光源熱處理問題較傳統(tǒng)燈具復雜得多。  

傳統(tǒng)光源或燈具多有運行過程產(chǎn)生高熱的問題,例如鹵素燈泡或白熾燈泡,若是白熾燈形式,即在特殊處理的燈球內(nèi)加熱鎢絲產(chǎn)生光亮?! ?br />
實際上,高溫產(chǎn)生在燈絲上而非燈座,即便燈座會因燈球玻璃或是金屬受鎢絲發(fā)光的輻射熱、熱傳導間接產(chǎn)生高溫,但產(chǎn)生的溫度都在可接受的安全范圍,再加上非直接接觸傳導,安全性也相對較高。  

但換成LED固態(tài)光源形式的燈具,其熱處理便可能成為新的應用安全問題。多數(shù)人會認為LED具高能源轉(zhuǎn)換效率、低驅(qū)動能源優(yōu)勢,自然使用安全性較高,但實際上LED固態(tài)光源為了達到日常照明的應用目的,必須透過加大單組組件的功率去強化單元件的輸出流明,例如燈具廠會采取多LED組件整合形式加強輸出效果,且多組件同時運行也能改善LED固態(tài)光源光型偏向點光源的問題,讓LED固態(tài)光源技術(shù)的燈具可產(chǎn)生如燈泡般的面光源效果?! ?br />
如果要強化單元件的輸出流明,必須更高的電流,以使LED芯片的PN接面產(chǎn)生更多流明,但更高電流也會讓單點LED組件的溫度升高、更難處理,甚至為了提高燈具的光型表現(xiàn)、發(fā)光效率而采取多組件并用形式,也會使LED燈具的高溫問題加劇,讓散熱問題更難處理?! ?br />
綜觀目前LED燈具市場的發(fā)展趨勢,多數(shù)LED光源的廠商大多會先以市場為主導,因為高單價、高利潤,也可以借由技術(shù)差異迅速打入發(fā)展技術(shù)較前衛(wèi)的LED光源市場,例如,針對室內(nèi)裝潢、情境燈具應用的嵌燈、壁燈、吸頂燈就成為LED光源燈具較常見的設(shè)計形式,其替換傳統(tǒng)燈具后的省電效益亦最受相關(guān)業(yè)者關(guān)注。  

LED光源燈具必須重點處理的熱管理設(shè)計,在可能于密閉或半密死循使用的嵌燈、壁燈、吸頂燈產(chǎn)品,形成更嚴苛的挑戰(zhàn),燈具開發(fā)商必須從材料、產(chǎn)品構(gòu)型、主/被動散熱機制、驅(qū)動芯片設(shè)計等方面投入更多資源,以避免產(chǎn)品的問題肇生。特別是LED嵌入式燈具體積小,且常采多組件整合,模塊的散熱設(shè)計難度較高。嵌入式燈具外殼采鋁擠型或散熱片設(shè)計,可發(fā)揮自體散熱作用。但這還遠遠不夠。  

LED熱管理:NTC持續(xù)運行溫度維持LED燈使用安全  

若LED燈具沒有搭配足夠的熱管理設(shè)計,在使用過程中可能會導致燈具因為經(jīng)常性高熱運行造成壽命銳減,產(chǎn)生必須頻繁更換故障LED燈具的困擾,嚴重者甚至可能釀成意外,因運行高溫造成線或是周邊裝潢著火燃燒!  

在產(chǎn)品開發(fā)階段,可運用智能型LED燈光控制技術(shù),透過主動式的監(jiān)看LED燈具與整體光源模塊的溫度表現(xiàn),簡化裝置的熱管理工作,同時當燈具與周遭溫度上升至區(qū)段時,燈具必須降低電功率、減少LED亮度輸出,以此提升LED固態(tài)光源燈具的使用安全性?! ?br />
像LED吸頂燈外殼考慮較簡單的設(shè)計形式,若燈具本身所使用的驅(qū)動器功能較聚焦于電源轉(zhuǎn)換與LED組件驅(qū)動,并未內(nèi)嵌溫控微處理器與散熱處理模塊,為避免增加產(chǎn)品原料件的成本,LED燈具可整合NTC(NegativeTemperatureCoeffient)負溫度系數(shù)ThermistorSensors電,是成本效益相對較高的安全設(shè)計方案。  

所謂NTC電,其設(shè)置目的是藉由透過電子回去監(jiān)看LED的模塊燈具溫度,透過默認溫度警示或是對應自動處理驅(qū)動狀況,采關(guān)閉LED固態(tài)光源模塊方式,來提升LED燈具的使用安全,同時NTC電也能降低設(shè)計的復雜度。  

由于NTC電的溫度系數(shù)非常大,因此可以偵測得知微小的溫度變化表現(xiàn),被廣泛應用于需量測、控制與補償溫度的相關(guān)電設(shè)計中,而NTC電在LED光源模塊設(shè)計中,基本上為量測LED固態(tài)光源燈具的產(chǎn)品周邊溫度變化,至于量測狀況會隨著NTC改變的電壓現(xiàn)況,直接測得電壓和NTC電的溫度對應關(guān)系?! ?br />
當NTC和周邊電或整個模塊溫度提升時,NTC電的電阻隨即降低,產(chǎn)品可依此相依關(guān)系進行相關(guān)安全控制機制反饋,例如減少LED發(fā)光組件的驅(qū)動電流或是直接強制關(guān)閉燈具照明,在燈具溫度問題改善后自動回復照明狀態(tài),藉此獲得燈具使用的安全性。
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二,驅(qū)動電源  

LED驅(qū)動電源也是一個配套產(chǎn)品,目前市場上的電源品質(zhì)參差不齊,下面提供一些LED驅(qū)動電源的相關(guān)知識?! ?br />
1、什么是LED驅(qū)動電源  

LED驅(qū)動電源把電源供應轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動LED發(fā)光的電壓轉(zhuǎn)換器,通常情況下:LED驅(qū)動電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流(如電子變壓器的輸出)等。而LED驅(qū)動電源的輸出則大多數(shù)為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。LED電源核心元件包括開關(guān)控制器、電感器、開關(guān)元器件(MOSfet)、反饋電阻、輸入濾波器件、輸出濾波器件等等。根據(jù)不同場合要求、還要有輸入過壓保護電路、輸入欠壓保護電路,LED開路保護、過流保護等電路?! ?br />
2、LED驅(qū)動電源的特點  

(1)高可靠 
 

性特別像LED路燈的驅(qū)動電源,裝在高空,維修不方便,維修的花費也大。  

(2) 高效率  

LED是節(jié)能產(chǎn)品,驅(qū)動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)散熱非常重要。電源的效率高,它的耗損功率小,在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小,也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。  

(3)高功率因素  

功率因素是電網(wǎng)對負載的要求。一般70瓦以下的用電器,沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網(wǎng)的影響不大,但晚上使用照明量大,同類負載太集中,會對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴重的污染。對于30瓦~40瓦的LED驅(qū)動電源,據(jù)說不久的將來,也許會對功率因素方面有一定的指標要求?! ?br />
(4)驅(qū)動方式  

現(xiàn)在通行的有兩種:其一是一個恒壓源供多個恒流源,每個恒流源單獨給每路LED供電。這種方式,組合靈活,一路LED故障,不影響其他LED的工作,但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電也就是“中科慧寶“改采用的驅(qū)動方式,LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)點是成本低一點,但靈活性差,還要解決某個LED故障,不影響其他LED運行的問題。這兩種形式,在一段時間內(nèi)并存。多路恒流輸出供電方式,在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向?! ?br />
(5)浪涌保護  

LED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外,如LED路燈。由于電網(wǎng)負載的啟甩和雷擊的感應,從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌,有些浪涌會導致LED的損壞。因此分析“中科慧寶“的驅(qū)動電源在浪涌保護方面應該有一定的欠缺,而至于電源及燈具頻繁更換,LED驅(qū)動電源要有抑制浪涌的侵入,保護LED不被損壞的能力?! ?br />
(6)保護功能  

電源除了常規(guī)的保護功能外,最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋,防止LED溫度過高;要符合安規(guī)和電磁兼容的要求?! ?br />
3、按驅(qū)動方式分類  

(1)恒流式恒流驅(qū)動電路輸出的電流是恒定的,而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化,負載阻值小,輸出電壓就低,負載阻值越大,輸出電壓也就越高;恒流電路不怕負載短路,但嚴禁負載完全開路;恒流驅(qū)動電路驅(qū)動LED是較為理想的,但相對而言價格較高;應注意所使用最大承受電流及電壓值,它限制了LED的使用數(shù)量?! ?br />
(2)穩(wěn)壓式當穩(wěn)壓電路中的各項參數(shù)確定以后,輸出的電壓是固定的,而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化;穩(wěn)壓電路不怕負載開路,但嚴禁負載完全短路;以穩(wěn)壓驅(qū)動電路驅(qū)動LED,每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均;亮度會受整流而來的電壓變化影響。  

4、整體恒流和逐路恒流工作方式優(yōu)缺點
  

與整體恒流相較,逐路恒流雖然缺點比較多,成本也比較高。但是它能真正的起到保護LED和延長LED的壽命,所以逐路恒流才是未來的趨勢。  

5、LED電源的不足  

LED驅(qū)動電源目前存在不足的原因:
  

生產(chǎn)LED照明及相關(guān)產(chǎn)品的公司的技術(shù)人員對開關(guān)電源的了解不夠,做出的電源是可以正常工作,但一些關(guān)鍵性的評估及電磁兼容的考慮不夠,還是有一定得隱患;大部分LED電源生產(chǎn)企業(yè)都是從普通的開關(guān)電源轉(zhuǎn)型過來做LED電源,對LED的特點及使用認識還不夠;目前關(guān)于LED的標準幾乎沒有,大部分都是參考開關(guān)電源和電子整流器的標準;現(xiàn)在大部分LED電源沒有統(tǒng)一,所以量大部分都比較小。采購量小,價格就偏高,而且元器件供應商也不太配合;LED電源的穩(wěn)定性:寬電壓輸入,高溫和低溫工作,過溫、過壓保護等問題都沒有一一解決;首先是驅(qū)動電路整體壽命,尤其是關(guān)鍵器件如:電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命;是LED驅(qū)動器應挑戰(zhàn)更高的轉(zhuǎn)換效率,尤其是在驅(qū)動大功率LED時更是如此,因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散,電源轉(zhuǎn)換效率的過低,影響了LED節(jié)能效果的發(fā)揮;目前在功率較?。?-5W)的應用場合,恒流驅(qū)動電源成本所占的比重已經(jīng)接近1/3,已經(jīng)接近了光源的成本,一定程度上影響了市場推廣。
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三,LED光源  

LED光源要進入照明領(lǐng)域,性能的優(yōu)劣只是前提,成本的高低才是真正的決定因素。在半導體照明發(fā)展的初期,著力于追求性能是必須的;在半導體照明發(fā)展到一定階段,我們應將注意力轉(zhuǎn)移到如何在保證性能的前提下大幅度降低成本。因為我們要做的不只是小資們欣賞的藝術(shù)品,而是普通大眾都能接受的大宗商品。成品的高低決定著LED作為光源對照明領(lǐng)域滲透率的高低?! ?br />
商品成本的降低,一般有以下途徑:  

材料降成本——在原有產(chǎn)品方案上壓供應商的材料價、降低材料等級或選用替代材料,最直接有效,但幅度有限,且存在一定的品質(zhì)風險;  

技術(shù)降成本——采用新的技術(shù)路線,改變原有產(chǎn)品方案,減少用料和制造環(huán)節(jié),幅度客觀;效率降成本——有賴于技術(shù)、設(shè)備和管理的進步。  

要降低LED光源的成本,以上途徑都要考慮,但首要考慮的是如何因應半導體照明的特點,打破傳統(tǒng)封裝觀念的約束,以新的技術(shù)方案來降低LED的封裝成本。  

對傳統(tǒng)照明而言,一般都是采用“光源+燈具”的模式,光源的制造相對獨立于燈具。由于LED光源具有體積小、發(fā)強光和易于控制等的特點,故在應用中一般可根據(jù)照明效果的要求做出靈活的變化和選擇。對于半導體照明而言,LED光源與燈具的制造沒有明顯的界限,LED光源成本的降低應與照明系統(tǒng)的要求整體考慮。因此,LED光源的封裝方案應根據(jù)照明系統(tǒng)的驅(qū)動電路、熱量管理、光學設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計等要求而做出,目的就是發(fā)展新型的LED光源封裝形式,在保證整體性能的前提下大幅度降低封裝和應用成本?! ?br />
1、芯片集成COB光源模塊個性化封裝可能成為半導體照明未來主流封裝形式
  

LED有分立和集成兩種封裝形式。LED分立器件屬于傳統(tǒng)封裝,廣泛應用于各個相關(guān)的領(lǐng)域,經(jīng)過四十多年的發(fā)展,已形成了一系列的主流產(chǎn)品形式。芯片集成COB模塊目前屬于個性化封裝,主要為一些個案性的應用產(chǎn)品而設(shè)計和生產(chǎn),尚未形成主流產(chǎn)品形式?! ?br />
傳統(tǒng)的LED燈具做法是:LED分源分立器件→MCPCB光源模組→LED燈具,主要是由于沒有現(xiàn)成合適的核心光源組件而采取的做法,不但耗工費時,而且成本較高。實際上,我們可以將“LED光源分立器件→MCPCB光源模組”合二為一,直接將LED芯片集成在MCPCB(或其它基板)上做成COB光源模塊,走“COB光源模塊→LED燈具”的路線,不但省工省時,而且可以節(jié)省器件封裝的成本?! ?br />
與分立LED器件相比,COB光源模塊在照明應用中可以節(jié)省LED的一次封裝成本、光引擎模組制作成本和二次配光成本。在相同功能的照明燈具系統(tǒng)中,實際測算可以降低30%左右的光源成本,這對于半導體照明的應用推廣有著十分重大的意義。在性能上,通過合理的設(shè)計和微透鏡模造,COB光源模塊可以有效地避免分立光源器件組合存在的點光、眩光等弊端;還可以通過加入適當?shù)募t色芯片組合,在不明顯降低光源效率和壽命的前提下,有效地提高光源的顯色性(目前已經(jīng)可以做到90以上)。在應用上,COB光源模塊可以使照明燈具廠的安裝生產(chǎn)更簡單和方便,有效地降低了應用成本。在生產(chǎn)上,現(xiàn)有的工藝技術(shù)和設(shè)備完全可以支持高良品率的COB光源模塊的大規(guī)模制造。隨著LED照明市場的拓展,燈具需求量在快速增長,我們完全可以根據(jù)不同燈具應用的需求,逐步形成系列COB光源模塊主流產(chǎn)品,以便大規(guī)模生產(chǎn)?! ?br />
2、小型化貼片式LED也將是LED光源的另外一大主流產(chǎn)品  

除了芯片集成的COB光源模塊有可能成為未來的半導體照明的主流封裝形式外,高性能、低成本、方便于大規(guī)模生產(chǎn)制造和安裝應用的小型化貼片式LED也將是LED光源的另外一大主流產(chǎn)品。個人認為,未來半導體照明的主要表現(xiàn)形式為:  

平面照明——辦公場所或背光照明;  

帶狀照明——裝飾照明;  

燈具照明——替代傳統(tǒng)照明?! ?br />
在平面照明產(chǎn)品中,芯片集成的COB光源模塊和貼片式LED的應用將并存;在帶狀照明產(chǎn)品中,貼片式LED將獨領(lǐng)風騷;在燈具照明產(chǎn)品中,芯片集成的COB光源模塊的應用將成為主流?! ?br />
總之,走向照明的LED光源將形成兩大主流形態(tài)——功能化的芯片集成COB光源模塊額小型化 LED器件,低成本將是永恒的主題。誰能率先打破傳統(tǒng)封裝的約束,開發(fā)出符合半導體照明需求的LED光源,誰就能占得產(chǎn)品的先機;誰能夠在保證性能的前提下將成本做到極致,誰就能把握未來LED光源的市場。

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