與半導體共成長(cháng)之-LED去電源化設計

在過(guò)去的時(shí)間里，LED照明廠(chǎng)家認識到了LED的設計直接影響LED燈的發(fā)展。在企業(yè)的不懈努力下，LED燈也不斷取得了突破，這里慧聰LED屏網(wǎng)就與大家一起來(lái)認識下LED照明設計中的LED去電源化設計。

一．LED照明路線(xiàn)分析

照明燈具設計基于LED發(fā)光部分、驅動(dòng)控制部分和光學(xué)散熱結構設計的三方博弈。

1.發(fā)光部分：LED發(fā)光芯片光效的不斷提高，LED不節能爭議慢慢淡去。在未來(lái)的幾年里，會(huì )有進(jìn)一步的提升，加速LED應用奠定了堅實(shí)的基礎，燈具設計會(huì )變得簡(jiǎn)單化趨勢。封裝方式會(huì )根據燈具應用而改變，長(cháng)期以來(lái)按照LED散熱在發(fā)展封裝設計，隨著(zhù)針對LED封裝散熱的理解，更合適專(zhuān)用燈具的封裝形式會(huì )陸續誕生。LED外延上游投資加大，競爭加劇，下游應用還沒(méi)有起來(lái)，勢必會(huì )造成LED芯片價(jià)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.驅動(dòng)控制：驅動(dòng)轉換效率的提高是最有效的解決辦法之一。提高電源轉化效率，可以降低整燈功率，是在提升整燈光效，節省散熱設計成本。功率因數需求之前的開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有法規要求，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(lái)的需求的方面，在稍后的時(shí)間里。

3.光學(xué)設計和散熱器：光學(xué)設計人性化，燈的設計近來(lái)發(fā)展迅速，還是先沿著(zhù)替代路線(xiàn)開(kāi)始。未來(lái)LED要發(fā)展更合適LED本身的燈具產(chǎn)品，散熱結構趨于合理性，更具標準化的模組光源顯露優(yōu)勢。新材料散熱技術(shù)陸續推出，成本會(huì )進(jìn)一步降低。

根據對電源驅動(dòng)設計比較理解，可以在這里找到突破點(diǎn)，重點(diǎn)分析制定未來(lái)的發(fā)展。我們要開(kāi)發(fā)一些新的驅動(dòng)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。特別是內置電源的燈具，內部器件高達上百攝氏度，包括電解電容、磁性材料和漆包線(xiàn)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(wèn)題。提升電源驅動(dòng)效率，減小發(fā)熱源延長(cháng)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(jìn)道路上。只有自主創(chuàng )新，獲得更多的知識產(chǎn)權，為后續LED發(fā)展鋪平道路。

取消電源不能理解為不需要驅動(dòng)，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驅動(dòng)方式，取名為《去電源化技術(shù)》。

二．高壓標稱(chēng)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(chēng)作是高壓LEDs，串接方式有光刻技術(shù)、倒裝基板連接，COB金線(xiàn)連接、PCB單顆粒焊接等。COB金線(xiàn)連接時(shí)，數量太多品質(zhì)很難保證，金線(xiàn)吸收藍光效率會(huì )降低，金價(jià)堅挺，因此COB金線(xiàn)連接只能作為細分市場(chǎng)應用，規模性的普及受限。

長(cháng)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換的主要原因。要想得到最佳的驅動(dòng)效率，最好的方式是能讓LED電壓更接近驅動(dòng)電壓值。這樣就不在需要電源轉換，恒流源簡(jiǎn)化的電路結構就可以完成驅動(dòng)任務(wù)。

研究發(fā)現，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(guò)鎢絲粗細長(cháng)短獲得不同的阻抗，去適應不同的電壓驅動(dòng)要求。而LED同樣可以采用多數量串接，獲得不同的高電壓值，可見(jiàn)標稱(chēng)值電壓是發(fā)展高壓LEDs的導向標。實(shí)際上國外的交流LED和高壓LED也是通過(guò)光刻技術(shù)實(shí)現的，正式因為偏離了標稱(chēng)值導向標，一直都沒(méi)能找到正確的市場(chǎng)定位。

需要開(kāi)發(fā)幾款標稱(chēng)值電壓？目前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(kāi)發(fā)一款110V-LEDs即可滿(mǎn)足照明需要。在低壓電源部分，開(kāi)關(guān)電源長(cháng)期形成12V、24V、36V、48V標稱(chēng)值電壓，汽車(chē)是12V或24V電壓，風(fēng)力和太陽(yáng)能均需要鉛酸蓄電池儲能，需要是12V和24V。為此應著(zhù)重考慮12V-LED設計，因為24V、36V、48V均是12V倍數，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換，或者沿用傳統成熟的開(kāi)關(guān)電源，不需要在開(kāi)發(fā)新的電源系統。同時(shí)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(diǎn)是體積可以設計最小。缺點(diǎn)是在很小的體積下集中散熱，同時(shí)還要做絕緣處理，設計成本最高。再因為L(cháng)ED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(lái)一直都無(wú)法讓客戶(hù)接受的價(jià)格。但是分析認為還是會(huì )有5%的市場(chǎng)機會(huì )，因為交流LED體積最小，在針對體積要求很高的細分市場(chǎng)。

從表1測試數據可以看出，交流LED驅動(dòng)效率是較低的，除功率因數較高外，電氣參數普遍偏低。最致命問(wèn)題是有閃爍感，特別是感光拍攝情況下，沒(méi)有恒流電路支持，PTC限流驅動(dòng)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(dòng)不能看到光源閃爍，PTC很顯然是做不到的。

低壓LED驅動(dòng)電源是從開(kāi)光電源原邊反饋電路移植過(guò)來(lái)的產(chǎn)物，設計電路復雜，恒流精度誤差較大。小功率開(kāi)關(guān)電源驅動(dòng)方式驅動(dòng)效率充其量設計到80%，LED應用開(kāi)始要求功率因數，小功率電源并不具備。器件壽命受到限制，內置電源體積也受限，市場(chǎng)機會(huì )因此受到局限。高壓LED是因上述問(wèn)題而誕生的產(chǎn)物，集交流LED和低壓LED之優(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)效率及恒流精度大大提升，各項參數均優(yōu)秀，性能價(jià)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：

徹底取消了電源轉電路部分，最簡(jiǎn)單的整流橋和一顆電容組成，驅動(dòng)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(méi)有禁止使用電解電容，看來(lái)很多地方并不能沒(méi)有它，電解電容的存在帶來(lái)多項指標提高，還能使得驅動(dòng)電路最簡(jiǎn)化。

去電源化設計方式二：

這款電流支持全方位可控硅調光，電解電容也被取消，理論上影響壽命的器件全部被取消，驅動(dòng)效率略遜于方式一，75%效率與小功率開(kāi)關(guān)電源效率相當，可靠性卻大大提升。LED為多個(gè)高壓LED組合分段應用。