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一种高压LED光引擎的系统设计方案
  2012-8-7  17:01:40    中国半导体照明网    颜重光  行业分类:其它    浏览
 

  从技术和市场经济的角度对高压 LED 光引擎的原理、基本结构、关键 技术、应用技术、市场前景作分析论述。

 

  光引擎将成为LED照明灯具的标准零件

  目前,LED照明灯具的LED光源和驱动电源的五花八门现状或许会改变,有很大一部分的LED照明灯具,其LED光源和驱动电源会趋向标准化,将采用 国际通用的“光引擎”。

  ZHAGA联盟旨在发展LED光引擎 (light engine) 介面接口的标准,使不同厂商生产的产品可有互换性。为了配合LED技术持续且高速的发展,藉由定义 各种专用光引擎介面接口资料,ZHAGA 标准将涵盖物理尺寸,以及LED光引擎的光学、电气与热性能等,进而最终实现 ZHAGA 联盟内不同制造商之间产品 的兼容性、互换性。

  ZHAGA 标准的建立,将有助于防止不相容光引擎的市场分化,使消费者可以安心选择和购买市场上具有可兼容性的LED照明灯具产品,同时亦能持续享受LED 照明技术所提供产品效能的升级。此外,ZHAGA 标准的建立也会促进 LED 照明应用领域技术的创新,并提升社会总体经济效益。ZHAGA 联盟是一个开放的组织,会员可共享其 IPR 智财权,开放照明产业内各公司的加入。该组 织成员包括LED光引擎和LED灯具的生产厂商,也包括零部件供应商(例如散 热片和光学零部件)。

  因此,LED 制造商、封装厂,驱动电源厂在 2012 年都会开发生产各种规格 的光引擎。“LED 光源+驱动电源”、“HVLEDs+高压线性恒流源”就是类似的雏 形,按球泡的空间来做就是 A19、E27 专用方案,进入光引擎就成了标准化方案。 光引擎将成为 LED 照明灯具的标准品零件而规模化生产。

  HVLEDs 2012 年将快步进入 LED 照明灯具

  2012 年 HVLEDs 有望快步进入 LED 照明灯具。这几年 MOCVD 的大批引 入,使我国很快具备了 LED 照明的核“芯”技术,MOCVD 的大批开工生产, 使国产的 LED 光源芯片源源不断的流向市场,LCD 电视机(TV)的背光、笔记 本电脑(NB)的背光、LED 照明灯具使用国产的 LED 光源将快速上升。电子产 品的性价比决定市场的容量,价格与市场的关系是价格每降一点,市场将成平方 的增长,完全是呈现一个金字塔规律。

  高压 LED 芯片组(HVLEDs)的高电压、小电流,与通用的低压 LED(LVLED) 的低电压、大电流的工作环境相比,HVLEDs 工作时的发热明显降低;HVLEDs 只需要线性恒流源就能很好的工作,高压线性恒流源无变压器、无电解电容器, 困扰低压 LED 的驱动电源寿命、电解电容器的寿命问题都迎刃而解了。

  HVLEDs 的制造商正在配套高压线性恒流源电源,他们将在 2012 年初向市 场推出“HVLEDs+高压线性恒流源”的套件提供给下游 LED 灯具组装生产 LED 灯具。

  目前,HVLEDs 生产成本和售价可能比同样 W 数的LVLED 贵 20%,但是随着技术进步和生产量的扩大,成本将进一步下降,而 LVLED 的下降空间已经 不多了。HVLEDs 的驱动电源的成本要比 LVLED 的开关恒流源便宜多了。两项 相抵,暂时可能持平,长远而言,HVLEDs 的灯具价格将更便宜。也许 HVLEDs 的灯具将给我们一个性价比很好,而整灯价格比较接近老百姓购买力的好机会, 这个市场是海量的。

  高压 LED 模组—HV LEDs 异军突起

  LED 家族的后起之秀高压 LEDs(HV LEDs)异军突起,VF 高电压、IF 小电 流的工作条件完全颠覆了传统的低压 LED(LV LED)的 VF 低电压、IF 大电流的 工作要求。LED 照明灯具由于采用 HV LEDs 的 SOC 模组而有可能降低发热, 灯具结构造型有可能更加趋向节省散热材料、大于 270 度发光、低成本、减轻 重量方向发展。HV LEDs 虽有如上优势,是否会在家用照明海量市场胜出?2012 年市场可见分晓。

  HV LEDs 是在芯片生产时在硅片上直接做成的片上系统(SOC)或称之为 模组,这是 LED 芯片制造技术上的一个革命性的进步。一个 2 吋硅晶圆片上, 一次可生产上万个 LED 管芯,但是用通用的技术和工艺来生产,各个 LED 参数 的离散性很大,所以生产之后制造商需要逐个测参数分档,客户只能拿相邻的叁 档放在一单位(灯)里用,才能保证显示光色的一致性。HV LEDs 在生产时使 用新一代的工艺和高超加工技术,使同一硅晶圆片上的上万个 LED 管芯的参数 完全一致,使之可以在芯片生产时很方便地就近组成 SOC 的 HV LEDs,如 HV45 上有 16 个 LED,它们所有的电参数完全一样(图 1)。这样的 HV LEDs 使用方 便,成本可控。另有一种 COB 的 HV LED,就是用前述的通用技术生产的、参 数离散型较大的 LED 管芯,经测试数据后将相同参数的配置在一起,重新组合 成一个光源体。由于需要逐个测试、配对、筛选、组合,还有不少参数分散的无 法配对组合使用,应当说生产成本会偏高。HV LEDs 芯片的剖面图如图 2 所示。


图1 HV LEDs 的 SOC 结构


图2 HV LEDs 芯片的剖面图

  传统的 LV LED 用低压的开关恒流源驱动发光的方案;AC LED 用 AC LED 光源兼做整流和发光体的方案,AC LED 需有一定的余辉;HV LEDs 使用高压 恒流源驱动 HV LEDs 发光的方案,这三种 LED 光源产品及其 LED 照明灯具产 品都将在近三五年内盛行,共争市场繁荣(图 3)。世界社会将在分享它们的给 人类带来的恩泽。


 3 三种 LED 光源工作原理图

  HVLEDs 光引擎系统方案

  HVLEDs 光引擎系统方案由 HVLEDs 灯珠板、环形内置恒流电源或外置恒 流电源、光引擎标准壳体组成(图 4)。结构十分简单,做成一符合国际标准的 标准部件,任何灯具厂都可用来组装 LED 灯具,任何人都可对故障 LED 灯具 DIY 更换修复。

  HVLEDs 光引擎实物如图 5 所示,这是一种引擎内圈是绑定在铝基板上的HVLEDs 的灯珠板,其外圈是环形的电源板(图 6)。外置电源一般做成如嵌入 式筒灯电源那样的长方块形状。

  高压恒流驱动电源芯片

  线性驱动芯片可能是HVLEDs恒流驱动电源较好方案之一。EXC100是比较 理想的芯片之一,但是在中国购买的价格太贵,用来生产通用的光引擎成本偏高。 这几年来,我国本土集成电路的设计水平节节提升,而且有很好的性价比和市场 竞争力,向下游厂家提供可用于生产的技术方案和技术支持比较到位。BP5108 就是专门为HVLEDs而设计生产的新的线性驱动电源芯片。

  BP5108 是一款高精度线性恒流LED 控制芯片,主要用于驱动由市电供电 的高电压、低电流LED 灯串或模组。由于应用电路不需要电解电容器和磁性元 件,LED 驱动电源可以实现小体积、长寿命,并符合EMI 规定。BP5108 采用 专利的输入电压采样和LED 驱动机制,在输入电压变化时改变接入的LED 灯 数,因此可以在整个交流周期内,增加LED 被点亮的时间,从而提高LED 的利 用率和总输出流明数。为了适应不同的LED 灯串正向压降或者不同的市电电压(110V,220V),灯串切换电压可以通过外部分压电阻灵活设置。而且当输入 接可控硅调光器时,不需要增加额外的元器件,就可以通过改变调光器切相角度 大小来调节LED 亮度。

  BP5108 可以通过外部电阻精确的设定LED 电流。在220V 市电输入应用 中,可以将LED 电流设在40mA以下。如果需要更高的输出电流,LED需要采用散热器或者并联外部功率MOS 管。BP5108 具有过温调节功能(Thermal Regulation)。当输入电压过高,或者LED 电流过大时,此功能将降低输出电流, 从而限制温度上升,保护LED 驱动电源。

  BP5108的主要特点:

  ¾ 外围电路非常简单,驱动电源体积非常小;

  ¾ 无需电解电容和磁性元件;

  ¾ 兼容可控硅调光;

  ¾ 母线电压变化±20%仍可工作;

  ¾ 超快LED 启动( <300ms @85Vac);

  ¾ ±3% LED 输出电流精度;

  ¾ LED 电流可外部设定;

  ¾ LED 灯串切换电压可外部设定;

  ¾ 高效率、高功率因数;

  ¾ 芯片供电欠压保护;

  ¾ 芯片过温调节功能;

  ¾ 采用SOP-8 封装。

  BP5108的典型应用电路如图7所示。

  高压光引擎驱动电源设计

  用 BP5108 设计高压光引擎恒流驱动电源十分方便,光引擎电源的技术参数 设定如下:

  ¾ 输入电压:200Vac ~ 260Vac; 47Hz ~ 63Hz;

  ¾ 输出带载:LED1 134V, LED2 76V,LED3 76V;

  ¾ 输出平均电流:22mA (设定最大电流30mA);

  ¾ 电源尺寸: 21*19*16mm(长、宽、高)。 高压光引擎恒流驱动电源的电原理图设计如图 8 所示,其中 U1 是高压恒流线性电源驱动芯片 BP5108,U2 是一个复合的 MOS 管,将三个同性能的 MOS 管封装在一起的 BP5102。整个应用电路无电感器、无变压器、无电解电容器。 线路十分简洁,成本低廉。该方案的性能比较理想。电源的线性调整率达±4.8%,21mA~23mA/200VAC~260VAC;效率达 90.6%/220VAC;功率因素校正 PF 值达0.968/220VAC;很容易过 EMI(表 1)。电气特性测试数据比较理想,如表 2 所 示。也可用来做 Par 灯,4 灯串联的 Par 灯 PCB 版图如图 9 所示。

  因此,高压 LED 光引擎的设计是十分容易和方便的。


图8 高压光引擎恒流驱动电源的电原理图