藍(lán)光LED光引擎設(shè)計(jì)思考

LED照明市場(chǎng)呼喚LED光引擎

LED照明燈具的蓬勃發(fā)展，千軍萬馬競(jìng)相加入，在全世界幾乎每天都有新公司誕生，特別是室內(nèi)照明的海量市場(chǎng)，迫使傳統(tǒng)的照明企業(yè)試水加盟。LED照明燈具是一個(gè)電子產(chǎn)品，它不僅需要如傳統(tǒng)燈具那樣的結(jié)構(gòu)、外殼，還必須給予各種串、并聯(lián)矩陣的LED 光源燈板、AC/DC 的恒流驅(qū)動(dòng)電源、鋁或陶瓷等的散熱器，LED 照明燈具生產(chǎn)廠家需要聘請(qǐng)電子、光學(xué)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工程師；而傳統(tǒng)的照明燈具只不過是一具電器產(chǎn)品，傳統(tǒng)燈具廠家主要設(shè)計(jì)、生產(chǎn)燈具的結(jié)構(gòu)造型，發(fā)光源----燈泡是向?qū)I(yè)廠買來插上就能用的通用件。

目前的LED 照明燈具設(shè)計(jì)五花八門、各行其道，給生產(chǎn)、使用和產(chǎn)業(yè)管理都帶來不便，特別是從傳統(tǒng)照明燈具廠轉(zhuǎn)型到LED 照明燈具廠，或剛進(jìn)入LED照明行業(yè)的初始者，都會(huì)感覺不知所措，從何入手為好？剛剛進(jìn)入LED 照明燈具的產(chǎn)業(yè)，為了降低風(fēng)險(xiǎn)和成本，往往只能從購買現(xiàn)成的LED 光源燈板、AC/DC的恒流驅(qū)動(dòng)電源、鋁或陶瓷等的散熱器來拼裝。有很多傳統(tǒng)照明燈具廠的業(yè)主希望能如買燈泡那樣省力，買一個(gè)現(xiàn)成的“LED 光源+AC/DC恒流驅(qū)動(dòng)電源”的模塊，放入其傳統(tǒng)燈具的殼體內(nèi)就可華麗轉(zhuǎn)身為一款新的LED 照明燈具?，F(xiàn)在夢(mèng)想可以成真啦，LED 照明燈具專用的，LED光源和AC/DC 恒流驅(qū)動(dòng)電源一體化的模塊--LED 光引擎已經(jīng)誕生，并可大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)照明燈具廠和新入門的LED照明燈具企業(yè)，可以很方便的將LED 光引擎用于新型LED 照明燈具的批量生產(chǎn)，從而加快了從新產(chǎn)品設(shè)計(jì)到量產(chǎn)的進(jìn)程，大大縮短了新產(chǎn)品開發(fā)周期。LED照明市場(chǎng)呼喚LED 光引擎早日誕生，并盡快進(jìn)入照明市場(chǎng)。

ZHAGA 聯(lián)盟

今天，LED 照明燈具設(shè)計(jì)者與用戶面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，光源與驅(qū)動(dòng)電路之間沒有標(biāo)準(zhǔn)化接口。歐洲的ZHAGA 聯(lián)盟發(fā)起了一場(chǎng)全行業(yè)的行動(dòng)，為LED 光引擎開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。LED 光引擎是擁有規(guī)定接口的LED 模組，而這些接口與光引擎內(nèi)部使用的LED 技術(shù)類型無關(guān)。

事實(shí)上，在2010 年2 月初，Cooper Lighting 、 Osram 、松下、飛利浦、東芝等在內(nèi)的全球九家照明行業(yè)巨頭宣呀發(fā)起成立一個(gè)合作組織---ZHAGA 聯(lián)盟，目前參與成員已有25 家公司。

廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品可有互換性。為了配合LED 技術(shù)持續(xù)且高速的發(fā)展，藉由定義各種專用光引擎介面接口資料，ZHAGA 標(biāo)準(zhǔn)將涵蓋物理尺寸，以及LED 光引擎的光學(xué)、電氣與熱性能等，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)ZHAGA 聯(lián)盟內(nèi)不同制造商之間產(chǎn)品的兼容性、互換性。

ZHAGA 標(biāo)準(zhǔn)的建立，將有助於防止不相容光引擎的市場(chǎng)分化，使消費(fèi)者可以安心選擇和購買市場(chǎng)上具有可兼容性的LED 照明燈具a品，同時(shí)亦能持續(xù)享受LED 照明技術(shù)所提供產(chǎn)品效能的升級(jí)。此外，ZHAGA 標(biāo)準(zhǔn)的建立也會(huì)促進(jìn)LED 照明應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)的創(chuàng)新，并提升社會(huì)總體經(jīng)濟(jì)效益。ZHAGA 聯(lián)盟是一個(gè)開放的組織，會(huì)員可共享其IPR 智財(cái)權(quán)，開放照明產(chǎn)業(yè)內(nèi)各公司的加入。該組織成員包括LED 光引擎和LED 燈具的生產(chǎn)廠商，也包括零部件供應(yīng)商(例如散熱片和光學(xué)零部件)。

ZHAGA 聯(lián)盟推動(dòng)LED 光引擎介面接口標(biāo)準(zhǔn)如圖1 所示。

LED 光引擎

目前所能見到的 LED 光引擎大多數(shù)是用白光LED 來做光源的，如Osram的PrevaLED 核心的光引擎，輸出流明達(dá)800 - 3,000lm、色溫3,000 K--4,000K 、CRI 顯色指數(shù)> 90 、視角寬度> 130°、系統(tǒng)效率可達(dá)75 lm/W(圖2)。它的應(yīng)用與散熱器的安裝十分簡(jiǎn)單方便，如圖3 所示。

圖2 PrevaLED 核心的光引擎

圖3 應(yīng)用安裝十分簡(jiǎn)單

富昌照明的simpleLED 光引擎，由3 個(gè)大功率暖白色LUXEON Rebel LED組成，該LUXEON Rebel LED 按ANSI 分檔，相關(guān)色溫為3000K，每個(gè)LED產(chǎn)生的最小光通量為66 流明。該光引擎包括一個(gè)Carclo 三透鏡底座，具有20mm35°磨砂寬光束的單LED 透鏡，以及泰科Mini CT 連接器(圖4)。

圖4 simpleLED 光引擎

白光LED(WLED)用久變性問題

傳統(tǒng)的白光 LED 是直接在藍(lán)光LED 上涂覆黃磷熒光粉的，由于白光LED點(diǎn)亮后熱量很難散發(fā)，黃磷熒光粉在長期高溫熏烤下容易變性，導(dǎo)致用久之后顯色指數(shù)變差。在LED 燈具內(nèi)，如將黃磷熒光粉不直接涂覆在白光LED 上，而是做成一黃磷濾色鏡，在燈具內(nèi)與藍(lán)光LED 保持一定的距離，兩者疊加使用，同樣可求得LED 燈具的白光或暖白光效果。由于黃磷濾色鏡遠(yuǎn)離LED 熱源，因此，不會(huì)因LED 光源的長期高溫?zé)径匣冃?，CRI 基本不變；黃磷濾色鏡的配方可調(diào)，燈光的顏色、色溫可隨客戶的需要調(diào)制，可滿足客制化的要求，生產(chǎn)差異化的產(chǎn)品。

設(shè)計(jì)藍(lán)光LED 光引擎

藍(lán)光 LED 光引擎的架構(gòu)設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)新的理念，完全不同于前述的白光LED 光引擎。藍(lán)光LED 光引擎將藍(lán)光LED 光源板、AC/DC 恒流驅(qū)動(dòng)電源板、黃磷濾色鏡集成在一體。其架構(gòu)原理如圖5 所示，市電經(jīng)AC/DC 恒流驅(qū)動(dòng)電源變換輸出恒流直流電點(diǎn)亮藍(lán)色LED 光源，藍(lán)光經(jīng)黃磷濾色鏡的過濾，使LED 光引擎發(fā)出白光或暖白光。工作原理如圖6 所示。

恒流驅(qū)動(dòng)電源

恒流驅(qū)動(dòng)電源是整個(gè)光引擎的動(dòng)力源，因此要選用集成功能強(qiáng)大、應(yīng)用電路簡(jiǎn)潔，能滿足光引擎對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的能效、功率因素、EMC 等要求的單級(jí)驅(qū)動(dòng)IC，采用初級(jí)段控制的PSR 電源電路既可滿足需要又可以節(jié)省空間和生產(chǎn)成本。

圖7 是在上海三品照明設(shè)計(jì)開發(fā)的藍(lán)光LED 光引擎的實(shí)物照片，在一標(biāo)準(zhǔn)的殼體內(nèi)，底部鋁基散熱板上緊密貼裝的是藍(lán)光LED 光源板，環(huán)形的PCB 板是恒流驅(qū)動(dòng)電源，電源線可直接連接AC。這款藍(lán)光LED 光引擎還具有光引擎內(nèi)部溫度智能控制功能，內(nèi)置溫度傳感器，當(dāng)光引擎內(nèi)部達(dá)到設(shè)定保護(hù)溫度(75-80 ºC)時(shí)，溫度控制電路開始動(dòng)作，將輸出電流按1/256 階的速度下降，直到燈具溫度降到設(shè)定保護(hù)溫度之下，輸出電流恢復(fù)正常。以達(dá)到保護(hù)LED 光源和驅(qū)動(dòng)電源壽命的目的。恒流驅(qū)動(dòng)電源采用全電壓設(shè)計(jì)，AC90-260V 寬電壓范圍輸入，功率因素(PFC)>0.9，效率>80-85%，色溫為2700-3000K，5000-6000K，CRI>80 以上。如有其它色溫和CRI 的要求，可以特別定制。并有調(diào)光和不調(diào)光2 種可供選擇。在底部的鋁基散熱板外側(cè)覆有荷蘭進(jìn)口的工程導(dǎo)熱塑膠片，強(qiáng)化熱量的傳導(dǎo)。外部散熱器可通過鋁基散熱板底部3 個(gè)螺絲孔方便的鎖緊。圖8 是該藍(lán)光LED 光引擎系列產(chǎn)品。為確保品質(zhì)目前的黃磷熒光濾色鏡全部美國進(jìn)口。

傳統(tǒng)照明燈具廠和新入門的LED 照明燈具企業(yè)，可以很方便的將此藍(lán)光LED 光引擎用于筒燈、嵌燈、天花燈等LED 照明燈具新產(chǎn)品中。藍(lán)光LED 光引擎將海量應(yīng)用在商業(yè)照明和室內(nèi)照明的LED 燈具內(nèi)，市場(chǎng)前景十分看好。

恒流驅(qū)動(dòng)電源的IC 目前市場(chǎng)可以有多種的選擇，如是考慮隔離的電源，建議選用可以初級(jí)側(cè)控制的驅(qū)動(dòng)IC，如圖9 所示AC/DC 恒流源電路圖，因此設(shè)計(jì)的PSR 電源電路簡(jiǎn)潔，使用元器件少可有利于生產(chǎn)調(diào)試和有效地降低成本。

“能源之星”對(duì)LED 光引擎的要求

在“能源之星”有關(guān)住宅用照明設(shè)備認(rèn)證計(jì)劃中，有對(duì)使用LED 光引擎的照明燈具的要求。其中對(duì)于燈具中使用的LED 光引擎，有具體的規(guī)定(見表1)。這里的LED 光引擎是指LED 燈具中的一個(gè)子系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)LED 封裝，或一個(gè)LED 陣列，或一個(gè)LED 模塊；一個(gè)LED 驅(qū)動(dòng)電源；電氣和機(jī)械介面；以及一個(gè)提供散熱功能的整體散熱槽。LED 光引擎還可包含附加的提供美學(xué)、光學(xué)和環(huán)境控制功能(散熱除外)的零件，它主要與分電路相連接。