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AC LED光源是未来发展的必然趋势

来源:中之光电          发布日期2016-09-20    点击:

AC LED、无驱动光源、光引擎,去电源化等成为业界共同关心的热门话题。“去电 源”一词说:这个词听起来很"别扭",因为所有的电子和电气产品都离不开电源供电,LED照明也不例外。北京大学上海微电子研究院兼职教授颜重光认为, “去电源化”其实是一个伪命题。更奇怪的是业内有很多人把AC LED称为“光引擎”不知何故?对上述纷纷攘攘技术术语,如何分类、定义,笔者认为当前有必要讨论这些技术术语,无疑对规范AC LED技术用语的定义、相关标准建立、以科学态度引领产业市场大有裨益。

LED照明产品的使用寿命远远低于理论值,其原因是驱动电源易于损坏导致系统寿命不 长,业内流传:“100个灯具中,有99个是因为驱动电源出现问题”。 并且,驱动电源在整体灯具中成本占到20%~30%。驱动电源在AC/DC转换过程中,电力损耗高达20~30%。因此摒弃驱动电源,不仅可提高系统光 效、降低成本,还可彻底避免因驱动电源的问题造成LED灯的损坏。

一、 定义

AC LED是相对于传统的DC LED来说,无须经过AC/DC转换,可直接插入220V(或110V)而发光的光源。

二、AC LED技术分类

AC LED可分为两类:一类是由单芯片封装,芯片上多有个LED单元串联,并利用部分LED单元组成整流路,实现交流发光。参见图一。

LED单元组成整流路图

这类光源以韩国首尔公司为代表。

另一类是美国和德国发明的集成模组。它采用外加的AC整流和驱动器在C0B封装线路组成光电一体化的发光模组,是目前广为流行、称谓最多的“光引擎”。参看图二。

LED灯珠模组

图 2

旱期的AC LED是多芯片高密度合成,其串并连相对DC封装所需固晶、打钱工艺复杂,多颗芯片组成串连电路一个芯片上,损坏一颗将影响系统正常工作。为改善这种状况,近年许多芯片厂相继推出了高压HV LED,可大大缩减后序封装工艺并減少了制造成本。

三、AC LED技术为何产品迟迟不易被用户接受

AC LED其实在国外很早就已经出现,早在2005年,韩国首尔半导体公司就已经用交流电直接驱动AC LED使其发光,其次是美国,德国,台湾等相继完成了可产业化生产、并有实际应用系统方案的AC LED产品。

单芯架构的AC LED的最大缺点是在很小的晶粒上连接多个发光器件,有限的芯片面积限制了更大功率输出,其工艺影响了光效、内置恒流不易控制,当电网电压升高时使耗散功功率骤增时会造成损坏。

目前广为流行的所谓“光引擎”采用以铝基板C0B封装,线性恒流技术为大功率输出提出 了有效解决方案,成为AC LED主流。然而这种技术的致命缺点是它必需依赖帶有多层热阻的铝基板, 传统铝(或铜)基板是将FR4纤维板或BT板经过压合工艺成为一体铝基板,其导热系数最好的只有2 w /m-K左右,与没有绝缘层的纯铝导热系数为237 w/m-K相比相差一百多倍,如此大的封装热阻,必然使热耗比增大,加速了LED光衰、损坏,降低了LED使用寿命,虽然有人采用陶瓷基板,导热系数虽然 有所改善,但它与灯体散热固定仍然有不少问题。

四、AC LED将是未来的趋势

AC LED刚刚步入成长期,在发光亮度、中大功率输出等方面还不够理想,更主要的是采用SMD与铝基板带来的散热不良而影响了稳定及寿命,相信不久将有新的解 决方案,其应用简便、无需变压转换器,电解电容及过多外设元件,集成封装一体化技术将会抢占市场。AC LED技术目前已经过了萌芽期,正处于飞速发展期,从其发展趋势上看,ACLED技术必然会成为行业发展的一个必然方向。有人认为不久将来整个应用市场将 有80%以上采用AC LED技术,或给驱动企业以致命性打击,并将改变LED产业格局。

五、关于安规

与DC光源采用非隔离电源一样,因为输入端直接插入高压电源,如果无保护措施会对人体 造成触电危险,不能通过安规,这个至今设计师最感头痛的技术难题, 估计近期得不到彻底解决。目前大多釆用物理隔离防电击办法,如灯泡外壳使用塑包铝或光源底层另加绝缘膜片等被动结构措施,但这都增加了系统热阻及制造成 本。

六、关于频闪

频闪问题被业界很多人认为是LED产品不应有问题。其实这是认识誤区,毫不夸张地说这 是个伪命题。因为:首先LED频闪国内外都没有法律规定;其次它对人体会造成不良影响还没有权威报告;第三:LED只要用AC/DC转换就会有纹波,只不 过大小程度不一而已。最后,目前家用电器大多带有电磁幅射或频闪,如荧光灯,电视机等,为何这么多人传来传去非要对LED说N0?

七、未来AC LED发展趋势

无论是单芯片集成AC LED,还是HVLED+SMD构架,最基本的技术要求是恒流控制,否则当电网波动电压过高时会造成损坏。恒流控制有多种方案选择,其将来必然要走简约 化、高可靠性、低成本是最基本旳技术思路,笔者釆用HVLED+恒流二极管+镜面铝COB封装得到了很好效果。

下面是笔者采用HVLED+恒流二极管+镜面铝COB封装试制的一款球泡灯。图3是HVLED+恒流二极管+镜面铝COB封装的光源,图4是用该光源组装的球泡灯。图5是该光源的光电测试参数。

灯珠和灯泡

恒流特性:Vin=198-242 V时   Io≦额定电流±1.5mA

笔者利用上述光源设计了一种AC LED 灯泡,图4

该产品的设计基本思路是:

以简驭繁,性价为王。

它彻底消除了:

(1)20-30% AC/DC能源损耗。

(2)20-30% 灯具驱动成本。

(3)因驱动器引发的90%以上的故障损坏。

该产品具有极高的性价比:

(1)摒弃了铝基板多层热阻障碍,大大降低了封装热阻、延长了光源使用寿命约3-5倍,约20-30万小时。

(2)高光效100-130lm/w。

(3)低光源成本价0.5-0.8RMB  /100lm/W/。

(4)长寿命:30年迢常寿命,价值成本0.3-0.5RMB/100lm/W/。

AC LED发展趋势

今后单芯片+SMD封装,可能要让位于高压HVLED+C0B封装,高压HVLED是基础元件,会有如下发展趋势:

(1)改用倒装芯片;

(2)采用Si衬底材料;

(3)发展白光CSP技术, 实现高光效、高稳定、大功率一体化工艺制程。

前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式,分别是 Laterial-contact ,(水平接触)和Vertical-contact,(V接触垂直接触),以通过这两种接触方式,LED芯片内部的电流可以是横向流动的,也可以是纵向流 动的。由于电流可以纵向流动,因此增大了LED的发光面积,从而提高了LED的出光效率。

LED芯片硅衬底

图5

因为硅是热的良导体,所以器件的导热性能可以明显改善件的寿命。

LED灯架

CSP技早在几年前被国内外众多公司投巨资进行实验研究,我国几年前也将其列入 “863”科研计划,不少单位均有研究成果,这一技不仅要随着倒装芯片同步解决,还要从材料,工艺及设备同时开发研究,当CSP技术全面得到解决一旦投入 市场将很快取代目前的SMD光源,一大批SMD封装厂将要改变生产格局。据介绍,台湾行家光电公司的薄膜CSP自主开发的半导体级荧光粉真空涂覆设备和工 艺,可以同时在上万颗倒装芯片的五个发光面形成均匀、致密、厚度只有30微米的荧光粉薄膜。致密而薄的荧光粉层使薄膜CSP比用喷涂或灌封工艺制作的 CSP光效高20%以上,同时更容易提升显色指数,显色指数高达95以上。

八、结论

任何新产品、新技术都会给我们企业家带来新市场,而创新是企业发展必由之路,只有看清 趋势,目标明确,才有利润增长点。任何新生事物的初期都是不够完善的,需要有一个技术改进和市场接受过程。AC LED从它可减少灯具驱动成本20%-30%。有效避免因驱动电源的造成LED灯的损坏,已显现出其强大的生命力。AC LED技术必然会成为行业发展的一个方向,会给LED行业发展的又一次革命。用不了几年高亮度、大功率、低成本的AC LED产品将会飞速进入市场,迎来属于她的美好春天!

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