原创 LED去电源化设计

一． LED照明路线分析

照明灯具设计基于LED发光部分、驱动控制部分和光学散热结构设计的三方博弈。

1.  发光部分：LED发光芯片光效的不断提高，LED不节能争议慢慢淡去。在未来的几年里，会有进一步的提升，加速LED应用奠定了坚实的基础，灯具设计会变得简单化趋势。封装方式会根据灯具应用而改变，长期以来按照LED散热在发展封装设计，随着针对LED封装散热的理解，更合适专用灯具的封装形式会陆续诞生。LED外延上游投资加大，竞争加剧，下游应用还没有起来，势必会造成LED芯片价格大幅度下降。相比封装成本降低速度要快得多，有些LED成本已经低于封装成本，因此封装技术革新也是LED发展中最重要的部分之一。

2.  驱动控制：驱动转换效率的提高是最有效的解决办法之一。提高电源转化效率，可以降低整灯功率，是在提升整灯光效，节省散热设计成本。功率因数需求之前的开关电源没有法规要求，可是LED灯具各国以经有了硬性的指标。可靠性、寿命的提高也是当前重要部分。还有对色温，亮度，智能化也是未来的需求的方面，在稍后的时间里。 

3.  光学设计和散热器：光学设计人性化，灯的设计近来发展迅速，还是先沿着替代路线开始。未来LED要发展更合适LED本身的灯具产品，散热结构趋于合理性，更具标准化的模组光源显露优势。新材料散热技术陆续推出，成本会进一步降低。 

我们要给公司一个定位，一个竞争的基点。我们对电源驱动设计比较理解，在这里找到突破点，重点分析制定未来的发展。我们要开发一些新的驱动方式，才能彻底的取消电子变压器、电感及电解电容，才能真正的提升灯具寿命。特备是内置电源的灯具，内部器件高达上百摄氏度，包括电解电容、磁性材料和漆包线均受到短寿威胁。

分析认为，只有取消短寿的器件LED灯具指标才能综合性的提高，取消电感、电子变压器，电解电容，彻底解决寿命及体积问题。提升电源驱动效率，减小发热源延长灯具寿命。深知只有创新的技术才能让自身跨越式的发展，截获在LED技术演进道路上。只有自主创新，获得更多的知识产权，为后续LED发展铺平道路。

取消电源不能理解为不需要驱动，更不是不要“电”。而是取消电源中阻碍寿命的部分器件，一种全新的LED驱动方式，取名为《去电源化技术》 。

二． 高压标称值LED设计

发展《去电源化设计》必须要发展高压LEDs，多颗LED串接均可以称作是高压LEDs，串接方式有光刻技术、倒装基板连接，COB金线连接、PCB单颗粒焊接等。长运通选择了光刻技术，我们是专业的集成电路设计公司，深知光刻技术的成熟度和生产效率。我们很欣赏倒装技术，要得到能让市场接受的价格，需要时间考验。COB金线连接时，数量太多品质很难保证，金线吸收蓝光效率会降低，金价坚挺，因此COB金线连接只能作为细分市场应用，规模性的普及受限。

长运通光电研究认为，当前设计灯具多采用单颗粒的低压LED，这是设计灯具需要电源转换的主要原因。要想得到最佳的驱动效率，最好的方式是能让LED电压更接近驱动电压值。这样就不在需要电源转换，恒流源简化的电路结构就可以完成驱动任务。

长运通光电研究发现，LED有与白炽灯同样的一项特性。白炽灯采用钨丝发光，可以做到1.5-380V电压适应，通过钨丝粗细长短获得不同的阻抗，去适应不同的电压驱动要求。而LED同样可以采用多数量串接，获得不同的高电压值，可见标称值电压是发展高压LEDs的导向标。实际上国外的交流LED和高压LED也是通过光刻技术实现的，正式因为偏离了标称值导向标，一直都没能找到正确的市场定位。

需要开发几款标称值电压？长运通光电研究认为，各国市电电压主要是110V和220V，在同等功率下串并即可获得到同等功率光源。为此，市电集中开发一款110V-LEDs即可满足照明需要。在低压电源部分，开关电源长期形成12V、24V、36V、48V标称值电压，汽车是12V或24V电压，风力和太阳能均需要铅酸蓄电池储能，需要是12V和24V。为此应着重考虑12V-LED设计，因为24V、36V、48V均是12V倍数，正常情况下LEDs串接，均能灵活的设计产品。

高压LEDs可以使得我们的设计不再需要电源电压转换，或者沿用传统成熟的开关电源，不需要在开发新的电源系统。同时欢迎新的电源设计支持LED，但是需要能在验证后的电源基础上保证我们的设计灯具寿命，提升LED产品可靠性。

三． 去电源化设计

图1是目前主要几种设计方式，AC-LED因其整流桥部分也是采用LED组合设计的，整流桥部分也是发光的一部分。它的优点是体积可以设计最小。缺点是在很小的体积下集中散热，同时还要做绝缘处理，设计成本最高。再因为LED本身反向耐压值偏低，只有10V左右，使的要获得到几百伏的反向整流耐压，要浪费30%LED颗粒。因此，交流LED发展这几年来一直都无法让客户接受的价格。但是分析认为还是会有5%的市场机会，因为交流LED体积最小，在针对体积要求很高的细分市场。

图1中LV-LED部分是目前使用最多的驱动方式，包括传统的整流桥部分，单颗粒LED，在中间需要一个电压转换电路。电压转换部分沿用了传统的开关电源技术，去电源化设计就是针对电源驱动，开发更合适LED应用电路，在批量的过程中简便可靠，采用传统的开关电源驱动LED以后会受到去电源化技术挑战。去电源化设计是针对照明设计专用驱动电路，在有些数细分市场不能被专用驱动IC所覆盖，还是会使用开关电源，大约会有10-20%市场机会。

图 1  交流LED、高压LED和低压LED电路示意

HV-LED是今天重点讨论的部分，正是我们设计高压LEDs，才使得LEDs电压接近驱动电压，不再需要电源转换部分。HV-LED与AC-LED区别是整流桥不在光源的设计范围，在灯具设计增加成熟的整流桥部分，可大大缩减设计成本。HV-LED与LV-LED相比不在需要电源转换，驱动效率及电路设计大大简化。

表 1   交流LED、高压LED和低压LED电源驱动参数对比

从表1测试数据可以看出，交流LED驱动效率是较低的，除功率因数较高外，电气参数普遍偏低。最致命问题是有闪烁感，特别是感光拍摄情况下，没有恒流电路支持，PTC限流驱动方式性能低劣，设计成本与光效率普遍偏低，获得最大的优势就是光源体积最小。UL认证要求光源在±10%波动不能看到光源闪烁，PTC很显然是做不到的。  

低压LED驱动电源是从开光电源原边反馈电路移植过来的产物，设计电路复杂，恒流精度误差较大。小功率开关电源驱动方式驱动效率充其量设计到80%，LED应用开始要求功率因数，小功率电源并不具备。器件寿命受到限制，内置电源体积也受限，市场机会因此受到局限。 高压LED是因上述问题而诞生的产物，集交流LED和低压LED之优点，驱动效率及恒流精度大大提升，各项参数均优秀，性能价格比高。

目前推出的去电源化设计有两种方式，其中方式一是：

彻底取消了电源转电路部分，最简单的整流桥和一颗电容组成，驱动恒流保护电路与光源集成，光源部分是高压LED封装集成。还有一颗电解电容，在各国的认证中并没有禁止使用电解电容，看来很多地方并不能没有它，电解电容的存在带来多项指标提高，还能使得驱动电路最简化。

去电源化设计方式二：

这款电流支持全方位可控硅调光，电解电容也被取消，理论上影响寿命的器件全部被取消，驱动效率略逊于方式一，75%效率与小功率开关电源效率相当，可靠性却大大提升。LED为多个高压LED组合分段应用。

灯具都可以适用去电源化设计，要看市场可否值得定向投入，在一定的规模情况下，去电源化设计性能的优势和成本具有绝对的竞争力。在今天万变不能抵挡成本的时代，去电源化一定占据80%未来主流市场。去电源化设计是一项技术密集型项目，设计战线长，具有综合的技术协调能力才可以完美的完成设计。并且多个环节创新，测试设备也需要开发跨行业整合，考验整体设计团队的凝集力。

四． 灯具设计发展思路

按照灯具产品设计光源。一直我们的光源都是依照光源发光及散热考虑，并没有预见性的知道灯具的需求。灯具公司按照既定的光源设计灯具光学散热结构。大多数公司紧跟一线开发，市场起量我跟进。主动研究开发光源偏少，封装处于被动局面，灯具设计受到局限。一个定性的批量灯具，需要更符合这款灯具的光源。

按功率开发驱动方式，驱动方式的万种，还是有它的局限性。LED灯具主要集中在20W以内的功率，这部分是开关电源最薄弱的地方。20W以上LED应用占不到30%，而且大多采用模块化设计，组合设计大瓦数灯具，所以LED驱动设计集中在20W以内设计即可。

按灯具综合考虑电路结构，去电源化设计适合大批量的照明产品，综合考虑才能显现优势。