去電源化設計 - LED去電源化設計技術思路
欄目:行業新聞 發布時間:2019-09-30

 

一. LED照明路線分析


照明燈具設計基于LED發光部分、驅動控制部分和光學散熱結構設計的三方博弈。


1.發光部分:LED發光芯片光效的不斷提高,LED不節能爭議慢慢淡去。在未來的幾年里,會有進一步的提升,加速LED應用奠定了堅實的基礎,燈具設計會變得簡單化趨勢。封裝方式會根據燈具應用而改變,長期以來按照LED散熱在發展封裝設計,隨著針對LED封裝散熱的理解,更合適專用燈具的封裝形式會陸續誕生。LED外延上游投資加大,競爭加劇,下游應用還沒有起來,勢必會造成LED芯片價格大幅度下降。相比封裝成本降低速度要快得多,有些LED成本已經低于封裝成本,因此封裝技術革新也是LED發展中最重要的部分之一。


2.  驅動控制:驅動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關電源沒有法規要求,可是LED燈具各國以經有了硬性的指標??煽啃?、壽命的提高也是當前重要部分。還有對色溫,亮度,智能化也是未來的需求的方面,在稍后的時間里。


3.  光學設計和散熱器:光學設計人性化,燈的設計近來發展迅速,還是先沿著替代路線開始。未來LED要發展更合適LED本身的燈具產品,散熱結構趨于合理性,更具標準化的模組光源顯露優勢。新材料散熱技術陸續推出,成本會進一步降低。


我們要給公司一個定位,一個競爭的基點。我們對電源驅動設計比較理解,在這里找到突破點,重點分析制定未來的發展。我們要開發一些新的驅動方式,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。特備是內置電源的燈具,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題。提升電源驅動效率,減小發熱源延長燈具壽命。深知只有創新的技術才能讓自身跨越式的發展,截獲在LED技術演進道路上。只有自主創新,獲得更多的知識產權,為后續LED發展鋪平道路。


取消電源不能理解為不需要驅動,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驅動方式,取名為《去電源化技術》 。




二. 高壓標稱值LED設計

 


發展《去電源化設計》必須要發展高壓LEDs,多顆LED串接均可以稱作是高壓LEDs,串接方式有光刻技術、倒裝基板連接,COB金線連接、PCB單顆粒焊接等。長運通選擇了光刻技術,我們是專業的集成電路設計公司,深知光刻技術的成熟度和生產效率。我們很欣賞倒裝技術,要得到能讓市場接受的價格,需要時間考驗。COB金線連接時,數量太多品質很難保證,金線吸收藍光效率會降低,金價堅挺,因此COB金線連接只能作為細分市場應用,規模性的普及受限。


長運通光電研究認為,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效率,最好的方式是能讓LED電壓更接近驅動電壓值。這樣就不在需要電源轉換,恒流源簡化的電路結構就可以完成驅動任務。


長運通光電研究發現,LED有與白熾燈同樣的一項特性。白熾燈采用鎢絲發光,可以做到1.5-380V電壓適應,通過鎢絲粗細長短獲得不同的阻抗,去適應不同的電壓驅動要求。而LED同樣可以采用多數量串接,獲得不同的高電壓值,可見標稱值電壓是發展高壓LEDs的導向標。實際上國外的交流LED和高壓LED也是通過光刻技術實現的,正式因為偏離了標稱值導向標,一直都沒能找到正確的市場定位。


需要開發幾款標稱值電壓?長運通光電研究認為,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,市電集中開發一款110V-LEDs即可滿足照明需要。在低壓電源部分,開關電源長期形成12V、24V、36V、48V標稱值電壓,汽車是12V或24V電壓,風力和太陽能均需要鉛酸蓄電池儲能,需要是12V和24V。為此應著重考慮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關電源,不需要在開發新的電源系統。同時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,整流橋部分也是發光的一部分。它的優點是體積可以設計最小。缺點是在很小的體積下集中散熱,同時還要做絕緣處理,設計成本最高。再因為LED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發展這幾年來一直都無法讓客戶接受的價格。但是分析認為還是會有5%的市場機會,因為交流LED體積最小,在針對體積要求很高的細分市場。



圖 1 交流LED、高壓LED和低壓LED電路示意


圖1中LV-LED部分是目前使用最多的驅動方式,包括傳統的整流橋部分,單顆粒LED,在中間需要一個電壓轉換電路。電壓轉換部分沿用了傳統的開關電源技術,去電源化設計就是針對電源驅動,開發更合適LED應用電路,在批量的過程中簡便可靠,采用傳統的開關電源驅動LED以后會受到去電源化技術挑戰。去電源化設計是針對照明設計專用驅動電路,在有些數細分市場不能被專用驅動IC所覆蓋,還是會使用開關電源,大約會有10-20%市場機會。


HV-LED是今天重點討論的部分,正是我們設計高壓LEDs,才使得LEDs電壓接近驅動電壓,不再需要電源轉換部分。HV-LED與AC-LED區別是整流橋不在光源的設計范圍,在燈具設計增加成熟的整流橋部分,可大大縮減設計成本。HV-LED與LV-LED相比不在需要電源轉換,驅動效率及電路設計大大簡化。



表1交流LED、高壓LED和低壓LED電源驅動參數對比


從表1測試數據可以看出,交流LED驅動效率是較低的,除功率因數較高外,電氣參數普遍偏低。最致命問題是有閃爍感,特別是感光拍攝情況下,沒有恒流電路支持,PTC限流驅動方式性能低劣,設計成本與光效率普遍偏低,獲得最大的優勢就是光源體積最小。UL認證要求光源在±10%波動不能看到光源閃爍,PTC很顯然是做不到的。


低壓LED驅動電源是從開光電源原邊反饋電路移植過來的產物,設計電路復雜,恒流精度誤差較大。小功率開關電源驅動方式驅動效率充其量設計到80%,LED應用開始要求功率因數,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,市場機會因此受到局限。 高壓LED是因上述問題而誕生的產物,集交流LED和低壓LED之優點,驅動效率及恒流精度大大提升,各項參數均優秀,性能價格比高。


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,最簡單的整流橋和一顆電容組成,驅動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有禁止使用電解電容,看來很多地方并不能沒有它,電解電容的存在帶來多項指標提高,還能使得驅動電路最簡化。




燈具都可以適用去電源化設計,要看市場可否值得定向投入,在一定的規模情況下,去電源化設計性能的優勢和成本具有絕對的競爭力。在今天萬變不能抵擋成本的時代,去電源化一定占據80%未來主流市場。去電源化設計是一項技術密集型項目,設計戰線長,具有綜合的技術協調能力才可以完美的完成設計。并且多個環節創新,測試設備也需要開發跨行業整合,考驗整體設計團隊的凝集力。




四. 燈具設計發展思路

 


按照燈具產品設計光源。一直我們的光源都是依照光源發光及散熱考慮,并沒有預見性的知道燈具的需求。燈具公司按照既定的光源設計燈具光學散熱結構。大多數公司緊跟一線開發,市場起量我跟進。主動研究開發光源偏少,封裝處于被動局面,燈具設計受到局限。一個定性的批量燈具,需要更符合這款燈具的光源。


按功率開發驅動方式,驅動方式的萬種,還是有它的局限性。LED燈具主要集中在20W以內的功率,這部分是開關電源最薄弱的地方。20W以上LED應用占不到30%,而且大多采用模塊化設計,組合設計大瓦數燈具,所以LED驅動設計集中在20W以內設計即可。


按燈具綜合考慮電路結構,去電源化設計適合大批量的照明產品,綜合考慮才能顯現優勢。


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