原创 《LED平价球泡灯的设计思考》

平价LED照明灯具的设计思路遵循性能够用、质量第一、成本低廉的原则，将相当于25W-60W白炽灯的亮度的5W-10W平价LED照明灯具的生产成本控制在RMB 8—25元以内，市场零售价控制在15-35元以内。

平价LED灯=LED光源模组+PSR隔离电源+散热/灯罩/灯头。LED光源模组--COF，RMB0.08-1.00/W，5W以内PSR隔离电源--RMB2.00。

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作者：颜重光 退休高工 北京大学上海微电子研究院 兼职教授

LED 作为新一代节能、环保、长寿命的照明光源已成全人类的共识。LED照明灯具至今不能被大量推广应用，不能进入千家万户，其主要原因是LED 照明灯具价格居高不下，一个5W 的LED 球泡灯，它的亮度相当于25-30W 的白炽灯，目前市场的零售价在RMB50-100 元，与荧光节能灯相比贵了很多。现在老百姓买荧光节能灯政府还有补贴，买LED 灯还没有啊！因此，建议开发老百姓用得起的平价LED 球泡灯、LED 日光灯是LED 产业界迫切需要做的实事。

今天，LED 光源正在不断地降价，LED 驱动电源新一代的芯片价格也在下降，配套的五金塑料件的价格也在下降。因此设计、生产平价LED 照明灯具的时机已经成熟。

市场遵循金字塔法则，价高的产品永远只能占据塔尖的一小部分，价格每向下降一点，市场的扩容是成平方的倍增（图1）。平价LED 照明灯具将是平民百姓能够享用的大众产品，也是老百姓用得起的新一代照明灯具。
 

图 1 市场的金字塔法则

随着LED 光源的大幅度降价，和LED 驱动电源专用芯片功能的高度集成，用其生产的电源成本也步步下降，今天如果能将5W-10W（相当于25W-60W 白炽灯的亮度）的平价LED 照明灯具的生产成本控制在RMB 8—25 元以内，市场零售价控制在15-35 元以内，使平价LED 球泡灯的零售价接近同功率的荧光节能灯的零售价，那么LED 作为第四代光源替代白炽灯、荧光灯的步伐就会大幅度加快，平价LED 照明灯具进入数以万亿计的寻常百姓家将成为现实。如果政府对平价LED 照明灯具能辅以财政补贴，将使老百姓更早受益、更早享用，使社会更多的节能。

平价LED 照明灯具的设计思路

平价 LED 照明灯具的设计思路遵循性能够用、质量第一、成本低廉的原则，将相当于25W-60W 白炽灯的亮度的5W-10W 平价LED 照明灯具的生产成本控制在RMB 8—25 元以内，市场零售价控制在15-35 元以内。

以平价LED 球泡灯为例，由LED 光源模组、恒流驱动电源和灯头、外壳、散热器、灯罩组成（图2）。LED 日光灯的整体构成也基本如此。如何选择好其中的每一个零部件是设计此平价LED 照明灯具成败的关键。LED 光源选用以光效高、发热低、散热好、性价比好为准则；恒流驱动电源选用以采用原边控制（PSR）隔离电路、周边零件少、功率因数较高、效率较高、性价比好的为准则。

图 2 平价LED 球泡灯主要零件

LED 光源模组的选择

如今生产 LED 光源模组技术已相当成熟，价格也在一直平民化之中，每瓦（W）RMB1.00 的价格是目前设计平价LED 灯具能接受的设计成本。如何在众多的COB、MCOB、COF、LEDs 中选择适用而性价比好的LED 光源模组是此平价LED 球泡灯设计成败的关键之一。LEDs 是高压LED 的模组（HV LEDs）暂不在本案例中讨论。

LED 光源模组或称之LED 光源模块，常见的是COB 封装，最近发展的有COF、LEDs，这些都是为了下游LED 应用工厂设计LED 照明最终产品方便、快捷而由LED 上游公司利用其大规模生产LED 芯片的优势而设计、生产的。其关键技术是将电参数性能完全相同的单颗LED 芯片在LED 晶圆（Wafer）生产时或生产后配对集成在一个单元上。

COB（Chip On Board）封装是常见的LED 模组封装，将电参数相同的LED芯片颗粒配对，按功率设计好组合光源的矩阵排列，通过COB 封装工艺流程将N 个颗粒的LED 绑定在铝基板或陶瓷基板上，成为一个新的LED 光源模组。铝基板选用导热好的材料，如美国的贝格斯、莱尔德等，铝基板上受贴LED 芯片面的绝缘层通常在75-100um 左右。铝基板上覆的铜箔通常为35um。而LED芯片的厚度一般是 80-100um。利用覆铜在铝基板上预制了各颗LED 灯珠间的连线，通常一个COB 光源成品只有二个与驱动电源的连接点（图3）。COB 在一个平面上有N 个LED 光珠，一个LED 光珠有4 个出光面，N 个LED 光珠就有4 乘N 个出光面，出光面比单颗LED 光珠出光面大，出光密度高，COB 封装可以比同功率的单颗灯珠提高15%的出光效率。

如果在铝基板或支架的LED芯片安装点预置光学锥形聚光杯坑，在锥形环镀银更可增加光线的反射，提高出光率。这种把LED 芯片直接放在光学的聚光杯坑里面又称为MCOB 封装。COB封装还可以减少原本单颗LED 封装的支架成本、节省原本需要的N 个二次光学透镜为一个，多颗芯片共用一个基板，使得多瓦数的灯珠节约了成本，也节省组装人力成本。LED 芯片通过铝基板直接散热，更有利于热量的传导扩散。

图3 LED 的COB 封装

COF（Chip On Frame）是COB 封装技术的创新发展，COF 是将LED 管芯（Die）如集成电路管芯那样直接绑定在铜支架上，铜支架厚度大约0.4mm，按预先设计好的光源矩阵排列，冲制放置LED 灯珠的聚光杯坑，聚光杯坑的深度大约0.4mm，覆铜箔预制各颗LED 灯珠间连接的走线，一个COF 模组只有二个接点与驱动电源连接。铜支架冲压成型，加工简便而快速，制造成本不高。

图4 是5W 的COF 模组，图左是COF 铜支架几何尺寸图，图右是COF 模组的实物照片。
 

图 4 LED 的COF 封装

COF 模组是COB 模组封装技术的创新发展。如5 图所示COB 和COF 二种封装基板骨架结构的剖面示意图，假设LED 芯片（Die）均不放入基板骨架的聚光杯坑中，其中COF 的骨架是铜支架，COB 的骨架是铝基板，铜箔是用来做连接电路走线的。COB 上LED 芯片绑定在铝基板上，COF 上LED 芯片绑定在铜支架上，铜的导热系数远高于铝，因此，COF 的热阻可比COB 降低50%；COF 是N 颗LED 灯珠固定在矩阵聚光杯坑中的，聚光杯坑采用镀银增加光的反射，加上LED 灯珠的多面出光，可使COF 的光效提升15%；COF 因没有铝基板和减少几道生产工序而节省部分人工及材料；因而同样功率的COF 与COB相比，COF 整体成本可比COB 降低30%，所以COF 模组有很好的性价比。

COB 和COF 的模组光源有适用于球泡灯、吸顶灯、筒灯、日光灯、平面灯灯等的各种系列，应用十分方便。COF 系瑞丰光电子首创。
 

图 5 COB 和COF 二种基板骨架结构的剖面示意图

恒流驱动电源芯片的选择

LED 发光二极管芯片作为照明光源工作的主要电气参数是正向电压（VF）和正向电流（IF），其它相关的是颜色/波长/亮度/发光角度/效率/功耗等。VF 正向电压是为LED 发光建立一个正常的工作状态。IF 正向电流是促使LED 发光，发光亮度与流过的电流成正比例。白光LED VF 标称电压：3.2V± 0.2V （WLED）。

LED IF 工作电流按应用需要选用，过大易引起LED 的早期光衰，过小则不能点亮。LED 发光二极管的特性决定它必须工作在恒流状态。因此，选择功能合适、性能稳定可靠、成本适中的恒流驱动电源是此平价LED 球泡灯设计成败的关键之二。

选择功能够用，周边零件少，内置MOS 管的原边控制隔离电路驱动电源芯片，是比较理智的选择。本土LED 照明驱动芯片设计商的技术水平与国际制造商的差距并不大，而在性价比上占明显的优势。如晶丰明源、美芯晟等本土LED专用恒流源芯片设计公司产品BP3102、BP3112、MT7953 等，它们既专业、管用，又具有很好的性价比。

BP3102 是一款高精度原边反馈的LED 恒流控制开关。芯片工作在电感电流断续模式，适用于全输入电压范围功率5W 以下的反激式隔离LED 恒流电源。

BP3102 芯片内部集成600V 功率MOS开关，采用原边反馈模式，无需次级反馈电路，也无需补偿电路，只需要极少的外围元件即可实现恒流，节约了系统的成本和体积。BP3102 芯片内带有高精度的电流取样电路，使得LED 输出电流精度达到±3%以内。芯片采用了专利的恒流控制方式，可以达到优良的线性调整率和负载调整率。BP3102 具有多重保护功能，包括LED 开路保护、LED短路保护、芯片过温保护、过压保护、欠压保护和FB 短路保护等。BP3102内部结构框图如图6所示。BP3102 采用SOP-8 封装，管脚功能描述如表1。

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