原创 《话说室内LED照明灯具的光源》原版 颜重光

话说室内LED照明灯具的光源

颜重光

LED照明灯具的节能、高效、环保是众所周知的。随着LED光源的大幅度降价，和LED驱动电源专用芯片的高集成度用其生产的电源成本也逐步下降，今天大众照明平价LED球泡灯的零售价接近同功率的荧光节能灯的零售价已经为期不远，LED作为第四代光源替代白炽灯、荧光灯的步伐正在加快，平价LED照明灯具进入数以万计的寻常百姓家正在成为现实，如果政府能辅以财政补贴，将使老百姓更早受益、更早享用，使社会更多的节能。

LED照明灯具的结构

任何室内LED照明灯具都可以分解成：LED光源、LED驱动电源、散热器、灯罩、灯头（图1）。灯头是一个通用的国际标准接口，如E27、E26、E14等等，全世界通用，不可轻易改变。LED光源可以创新设计，LED驱动电源及其芯片可以创新设计。只有不断创新才能使LED照明技术不断进步。

图1  LED照明灯具的组成

现在用的LED光源大多是低压LED（LVLED），它的电气特性就是低电压（VF=3.2V）、大电流（IF=300—700mA），当LED灯珠点亮时在这个小园点的面积上除了发出可用于照明的强光外，还发出很大的热量。白光LED光源的热量只能靠传导散热，因为它没有红外线、紫外线可帮助辐射热量。因此，如散热器设计的面积不够就很难在短时间内迅速散发热量，散热器的面积又受灯具的空间和成本的限制。热量聚积导致LED灯具的内部灯腔温度上升，使得LED驱动电源，特别是其中的电解电容器成为影响LED灯具寿命的短板。电解电容器如高温密封性不好，高温时电解液快速蒸发导致电解电容器失效。LED芯片工作原理

LED发光二极管芯片是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。LED发光二极管由P区和N区组成（图2左）。两区结合部为PN结（图2右），P区有电子、N区有空穴，P-N结产生一内电场，在一定条件下，它具有发光的特性。如在LED发光二极管两端施加正向电压，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子在PN交加面内电场复合而发光，LED发光时内部电子运动如图3描述。

图2   PN结内部结构

图3   LED发光时内部电子运动

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少数载流子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。LED发光工作原理如图4。

图4   LED发光工作原理

因此LED发光二级管的基本工作原理必须遵循，LED芯片必须赋予直流电压的工作环境，给予稳定的工作电压（VF），给予恒定的直流电流（IF），才能驱动其发光而不闪烁，才能保证其长寿命。因此，LED芯片必须由电源供电。

LED光源

早期的LED光源大多是用LED草帽灯串并联设计的，一般是并多串少，以便符合低电压（VF）、大电流（IV）工作原理和电源驱动技术。

LED发光二极管芯片的内部结构如图5所示，主要由LED芯片、反射杯、阳极引线、阴极引线组成。小功率LED类似于点接触二极管，大功率LED类似于面接触二极管，按照出光的方向不同，分正装芯片、倒装芯片、侧装芯片三种封装结构。小功率LED内部结构如图5a，工作电流小于100mA，芯片正装；大功率LED采用倒装芯片技术如图5b。正装芯片的背面朝下，接触电极在正面，芯片射出的光有一部分被接触电极吸收；倒装芯片的背面朝上，接触电极在其下方，经过硅衬底和塑料透镜从上面直接出光，可避免电极焊点和引线对出光率的影响。但其散热性能不如正装芯片。

图5   LED发光二极管芯片的内部结构

室内LED照明灯具由于可用空间狭小，LED光源设计成低电压、大电流工作状态，在做成LED灯具后最大的问题就是散热的技术瓶颈，如何低成本解决散热一直是求而无解。

最近的创新技术是将LED光源的工作状态设计成高电压（DC35-140V）、小电流（20-60mA），也称高压LEDs（HVLEDs）。在同功率的情况下，这样的LED光源将比低电压、大电流工作状态发热小多了。可以采用性价比好的非隔离开关恒流电源和无变压器、无电解电容器的高压线性恒流电源来驱动。

高压LED光源

高压LED光源（HVLEDs）的VF是相对于低压LED的VF=3.2V而言的，设计灯具时需要考虑整灯的电源效率，推荐使用VF电压为DC20-140V的HVLEDs。

HVLEDs的设计制造技术有多种，目前比较成熟的是多芯封装，即在通用的2835/5730/3030/3535/5054标准规格的空间重新设计布局，封装N颗LED管芯，因此创造新一代多芯封装的HVLEDs，它使LED光源工作在高电压（VF）、小电流（IF），有效地降低LED光源板的发热程度，为LED照明灯具设计师提供新颖的设计思路。目前的设计技术是在一个单位里封装2、3、4、6、8颗LED管芯。如在一颗2835的封装内包涵3个LED管芯；如在一颗5054的封装内包涵6个LED管芯；几颗这样的多芯封装LED灯珠串联使用，可以组成HVLEDs模组。多芯COF封装的是一种做较大功率灯珠板的创新方法，如一个COF单位内封装32颗LED管芯，每颗COF封装的灯珠最大功率可达5W，这种32个管芯COF封装的灯珠以4并8串方式线路连接，可根据组合需要切割为5W-10W-15W，应用端直接在引出正负焊盘上，接上电源即可点亮。方便LED灯具针对不同功率产品的切割应用，应用设计十分自由。

图6   SMD3014、SMD3528、SMD5370封装

图7  一个封装内有32颗LED管芯    图8  四颗应用方案

高压LED光源（HVLEDs）创新诞生使大众照明LED灯具可以使用性价比好的低成本的非隔离开关恒流电源和高压线性驱动电源。有利于降低大众照明LED灯具的整体成本，使得终端的销售价接近同样发光功率的荧光节能灯。

高压LED光源（HVLEDs）的诞生因此又创造了LED光源芯片与LED驱动电源同时贴在一个铝基PCB板同一平面上的“光电引擎”或称为“光电模块”，成为符合Zhang标准的、通用LED照明灯具的光电“内胆”，套上不同外壳就成为不同的灯具，互换性非常好，适宜DIY。

光电模块

高压LED光源（HVLEDs）可以设计成各种各样的光源模块，比如Zhang需要的光引擎光源模块。高压LED光源配合高压线性驱动电源芯片可以创新设计新一代的一体化光电模块（图9）。高压线性驱动电源工作时只需要一个AC到DC的整流桥堆和一个高压线性驱动芯片，以及几个贴片电阻，应用线路十分简洁，因此可以将驱动电源电路器件与高压LED灯珠设计在铝基PCB板的同一面，自动化贴片大批生产十分方便，省工省时。而一体化光电模块与塑料散热器可以很容易的组装成各种各样的球泡灯、日光灯等大众照明LED灯具。

图9  一体化光电模块

室内照明用LED光源的新技术正在层出不穷，正在朝集成更多功能，更加方便应用、更加趋向低成本，发光流明日益提高的方向发展，推动LED灯具普惠大众百姓使用。