一种高压LED光引擎的系统设计方案

一种高压LED光引擎的系统设计方案
2012-8-7 17:01:40 中国半导体照明网颜重光行业分类:其它浏览

　　从技术和市场经济的角度对高压 LED 光引擎的原理、基本结构、关键技术、应用技术、市场前景作分析论述。

　　光引擎将成为LED照明灯具的标准零件

　　目前，LED照明灯具的LED光源和驱动电源的五花八门现状或许会改变，有很大一部分的LED照明灯具，其LED光源和驱动电源会趋向标准化，将采用国际通用的“光引擎”。

　　ZHAGA联盟旨在发展LED光引擎 (light engine) 介面接口的标准，使不同厂商生产的产品可有互换性。为了配合LED技术持续且高速的发展，藉由定义各种专用光引擎介面接口资料，ZHAGA 标准将涵盖物理尺寸，以及LED光引擎的光学、电气与热性能等，进而最终实现 ZHAGA 联盟内不同制造商之间产品的兼容性、互换性。

　　ZHAGA 标准的建立，将有助于防止不相容光引擎的市场分化，使消费者可以安心选择和购买市场上具有可兼容性的LED照明灯具产品，同时亦能持续享受LED 照明技术所提供产品效能的升级。此外，ZHAGA 标准的建立也会促进 LED 照明应用领域技术的创新，并提升社会总体经济效益。ZHAGA 联盟是一个开放的组织，会员可共享其 IPR 智财权，开放照明产业内各公司的加入。该组织成员包括LED光引擎和LED灯具的生产厂商，也包括零部件供应商(例如散热片和光学零部件)。

　　因此，LED 制造商、封装厂，驱动电源厂在 2012 年都会开发生产各种规格的光引擎。“LED 光源+驱动电源”、“HVLEDs+高压线性恒流源”就是类似的雏形，按球泡的空间来做就是 A19、E27 专用方案，进入光引擎就成了标准化方案。光引擎将成为 LED 照明灯具的标准品零件而规模化生产。

　　HVLEDs 2012 年将快步进入 LED 照明灯具

　　2012 年 HVLEDs 有望快步进入 LED 照明灯具。这几年 MOCVD 的大批引入，使我国很快具备了 LED 照明的核“芯”技术，MOCVD 的大批开工生产，使国产的 LED 光源芯片源源不断的流向市场，LCD 电视机(TV)的背光、笔记本电脑(NB)的背光、LED 照明灯具使用国产的 LED 光源将快速上升。电子产品的性价比决定市场的容量，价格与市场的关系是价格每降一点，市场将成平方的增长，完全是呈现一个金字塔规律。

　　高压 LED 芯片组(HVLEDs)的高电压、小电流，与通用的低压 LED(LVLED) 的低电压、大电流的工作环境相比，HVLEDs 工作时的发热明显降低;HVLEDs 只需要线性恒流源就能很好的工作，高压线性恒流源无变压器、无电解电容器，困扰低压 LED 的驱动电源寿命、电解电容器的寿命问题都迎刃而解了。

　　HVLEDs 的制造商正在配套高压线性恒流源电源，他们将在 2012 年初向市场推出“HVLEDs+高压线性恒流源”的套件提供给下游 LED 灯具组装生产 LED 灯具。

　　目前，HVLEDs 生产成本和售价可能比同样 W 数的LVLED 贵 20%，但是随着技术进步和生产量的扩大，成本将进一步下降，而 LVLED 的下降空间已经不多了。HVLEDs 的驱动电源的成本要比 LVLED 的开关恒流源便宜多了。两项相抵，暂时可能持平，长远而言，HVLEDs 的灯具价格将更便宜。也许 HVLEDs 的灯具将给我们一个性价比很好，而整灯价格比较接近老百姓购买力的好机会，这个市场是海量的。

　　高压 LED 模组—HV LEDs 异军突起

　　LED 家族的后起之秀高压 LEDs(HV LEDs)异军突起，VF 高电压、IF 小电流的工作条件完全颠覆了传统的低压 LED(LV LED)的 VF 低电压、IF 大电流的工作要求。LED 照明灯具由于采用 HV LEDs 的 SOC 模组而有可能降低发热，灯具结构造型有可能更加趋向节省散热材料、大于 270 度发光、低成本、减轻重量方向发展。HV LEDs 虽有如上优势，是否会在家用照明海量市场胜出?2012 年市场可见分晓。

　　HV LEDs 是在芯片生产时在硅片上直接做成的片上系统(SOC)或称之为模组，这是 LED 芯片制造技术上的一个革命性的进步。一个 2 吋硅晶圆片上，一次可生产上万个 LED 管芯，但是用通用的技术和工艺来生产，各个 LED 参数的离散性很大，所以生产之后制造商需要逐个测参数分档，客户只能拿相邻的叁档放在一单位(灯)里用，才能保证显示光色的一致性。HV LEDs 在生产时使用新一代的工艺和高超加工技术，使同一硅晶圆片上的上万个 LED 管芯的参数完全一致，使之可以在芯片生产时很方便地就近组成 SOC 的 HV LEDs，如 HV45 上有 16 个 LED，它们所有的电参数完全一样(图 1)。这样的 HV LEDs 使用方便，成本可控。另有一种 COB 的 HV LED，就是用前述的通用技术生产的、参数离散型较大的 LED 管芯，经测试数据后将相同参数的配置在一起，重新组合成一个光源体。由于需要逐个测试、配对、筛选、组合，还有不少参数分散的无法配对组合使用，应当说生产成本会偏高。HV LEDs 芯片的剖面图如图 2 所示。

图1 HV LEDs 的 SOC 结构

图2 HV LEDs 芯片的剖面图

　　传统的 LV LED 用低压的开关恒流源驱动发光的方案;AC LED 用 AC LED 光源兼做整流和发光体的方案，AC LED 需有一定的余辉;HV LEDs 使用高压恒流源驱动 HV LEDs 发光的方案，这三种 LED 光源产品及其 LED 照明灯具产品都将在近三五年内盛行，共争市场繁荣(图 3)。世界社会将在分享它们的给人类带来的恩泽。

图 3 三种 LED 光源工作原理图

　　HVLEDs 光引擎系统方案

　　HVLEDs 光引擎系统方案由 HVLEDs 灯珠板、环形内置恒流电源或外置恒流电源、光引擎标准壳体组成(图 4)。结构十分简单，做成一符合国际标准的标准部件，任何灯具厂都可用来组装 LED 灯具，任何人都可对故障 LED 灯具 DIY 更换修复。

　　HVLEDs 光引擎实物如图 5 所示，这是一种引擎内圈是绑定在铝基板上的HVLEDs 的灯珠板，其外圈是环形的电源板(图 6)。外置电源一般做成如嵌入式筒灯电源那样的长方块形状。

　　高压恒流驱动电源芯片

　　线性驱动芯片可能是HVLEDs恒流驱动电源较好方案之一。EXC100是比较理想的芯片之一，但是在中国购买的价格太贵，用来生产通用的光引擎成本偏高。这几年来，我国本土集成电路的设计水平节节提升，而且有很好的性价比和市场竞争力，向下游厂家提供可用于生产的技术方案和技术支持比较到位。BP5108 就是专门为HVLEDs而设计生产的新的线性驱动电源芯片。

　　BP5108 是一款高精度线性恒流LED 控制芯片，主要用于驱动由市电供电的高电压、低电流LED 灯串或模组。由于应用电路不需要电解电容器和磁性元件，LED 驱动电源可以实现小体积、长寿命，并符合EMI 规定。BP5108 采用专利的输入电压采样和LED 驱动机制，在输入电压变化时改变接入的LED 灯数，因此可以在整个交流周期内，增加LED 被点亮的时间，从而提高LED 的利用率和总输出流明数。为了适应不同的LED 灯串正向压降或者不同的市电电压(110V，220V)，灯串切换电压可以通过外部分压电阻灵活设置。而且当输入接可控硅调光器时，不需要增加额外的元器件，就可以通过改变调光器切相角度大小来调节LED 亮度。

　　BP5108 可以通过外部电阻精确的设定LED 电流。在220V 市电输入应用中，可以将LED 电流设在40mA以下。如果需要更高的输出电流，LED需要采用散热器或者并联外部功率MOS 管。BP5108 具有过温调节功能(Thermal Regulation)。当输入电压过高，或者LED 电流过大时，此功能将降低输出电流，从而限制温度上升，保护LED 驱动电源。

　　BP5108的主要特点：

　　¾ 外围电路非常简单，驱动电源体积非常小;

　　¾ 无需电解电容和磁性元件;

　　¾ 兼容可控硅调光;

　　¾ 母线电压变化±20%仍可工作;

　　¾ 超快LED 启动( <300ms @85Vac);

　　¾ ±3% LED 输出电流精度;

　　¾ LED 电流可外部设定;

　　¾ LED 灯串切换电压可外部设定;

　　¾ 高效率、高功率因数;

　　¾ 芯片供电欠压保护;

　　¾ 芯片过温调节功能;

　　¾ 采用SOP-8 封装。

　　BP5108的典型应用电路如图7所示。

　　高压光引擎驱动电源设计

　　用 BP5108 设计高压光引擎恒流驱动电源十分方便，光引擎电源的技术参数设定如下：

　　¾ 输入电压：200Vac ~ 260Vac; 47Hz ~ 63Hz;

　　¾ 输出带载：LED1 134V, LED2 76V，LED3 76V;

　　¾ 输出平均电流：22mA (设定最大电流30mA);

　　¾ 电源尺寸： 21*19*16mm(长、宽、高)。高压光引擎恒流驱动电源的电原理图设计如图 8 所示，其中 U1 是高压恒流线性电源驱动芯片 BP5108，U2 是一个复合的 MOS 管，将三个同性能的 MOS 管封装在一起的 BP5102。整个应用电路无电感器、无变压器、无电解电容器。线路十分简洁，成本低廉。该方案的性能比较理想。电源的线性调整率达±4.8%，21mA~23mA/200VAC~260VAC;效率达 90.6%/220VAC;功率因素校正 PF 值达0.968/220VAC;很容易过 EMI(表 1)。电气特性测试数据比较理想，如表 2 所示。也可用来做 Par 灯，4 灯串联的 Par 灯 PCB 版图如图 9 所示。

　　因此，高压 LED 光引擎的设计是十分容易和方便的。

图8 高压光引擎恒流驱动电源的电原理图

�