解析LED通用照明面臨的四大挑戰(zhàn)
當(dāng)前,LED最具潛力的市場無疑當(dāng)屬平板液晶電視、筆記本電腦和筆記本顯示器中的大尺寸LCD背光,但毫無疑問,通用照明才是LED的最終發(fā)展目標(biāo)。目前,在LED通用照明 市場還未真正啟動(dòng)之前,LED球泡替換燈將成為照明市場最主要的增長領(lǐng)域。然而,市場上大量出現(xiàn)的LED球泡燈,等同于真正意義上的固態(tài)照明(SSL)嗎?LED是否真的為通用照明做好了準(zhǔn)備?
LED通用照明首先面臨四大挑戰(zhàn)
美國能源部曾表示:固態(tài)照明是50年來照明領(lǐng)域最具破壞性的創(chuàng)新技術(shù)。有不少業(yè)內(nèi)人士對(duì)此表示認(rèn)同,并認(rèn)為LED是顛覆性產(chǎn)品,是要革它原來產(chǎn)品命的。但事實(shí)上,LED進(jìn)入通用照明市場,依然面臨四大挑戰(zhàn),它們分別是:光品質(zhì)、光效表現(xiàn)、可靠性以及簡單化。
飛利浦亞洲地區(qū)營銷總監(jiān)周學(xué)軍對(duì)此解釋道:LED的光品質(zhì)與傳統(tǒng)照明相比仍有差距;光效表現(xiàn)還有部分應(yīng)用無法覆蓋;由于LED照明可靠性由芯片、電、光、熱、機(jī)械、互聯(lián)部分等多個(gè)因素決定,因此無法保持足夠的光輸出流明維持壽命;由于缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在市場上的LED照明產(chǎn)品五花八門,復(fù)雜性也阻礙了其短期內(nèi)很難被更多受眾接受。''那么,目前市場上有哪些提升LED光品質(zhì)和光效的方案?
光品質(zhì)
通常我們談到的光品質(zhì)主要指光分布、光角度與陰影,以及演色性。這里,周學(xué)軍特別強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)人員要注意:不同LED 顆粒間的光色是否一致?隨著時(shí)間推移不同顆粒的變化是否一致?一顆LED在不同角度是否存在色差?顯色指數(shù)表現(xiàn)如何?
LED的整個(gè)封裝工藝流程包括兩個(gè)重要步驟:利用金線對(duì)芯片和管腳進(jìn)行鍵合,以及進(jìn)行熒光粉涂布。這兩個(gè)步驟都會(huì)對(duì)LED造成色差,特別是金線會(huì)擋住光路,如果操作不當(dāng)可能會(huì)對(duì)芯片造成隱性裂痕,從而形成芯片斷裂隱患。為了解決這些問題,Philips Lumileds最新推出的LUXEON Rebel LED系列采用了最新TFFC(薄膜倒裝芯片技術(shù))和獨(dú)有的Lumiramic熒光技術(shù)。
據(jù)周學(xué)軍介紹,TFFC技術(shù)的電極在電路板后面,表面無縱橫布線,因此物理結(jié)構(gòu)更好。而Lumiramic熒光技術(shù)利用陶瓷熒光板代替熒光粉直接粘結(jié)到芯片上,使得表面完全平整,不會(huì)有凹凸和不均勻,因此從根本上避免了傳統(tǒng)封裝法因不均勻的熒光粉涂布而導(dǎo)致的大多數(shù)LED在偏離中心視軸的角度顯示出顏色的不一致。此外,采用Lumiramic技術(shù)還可以將白光分bin(分檔)的范圍縮小至原來的1/4,周學(xué)軍補(bǔ)充道。
目前,對(duì)于照明行業(yè)特別是照明設(shè)計(jì)來說,最頭疼的問題莫過于分bin。對(duì)于一些有經(jīng)驗(yàn)的LED制造商來說,通常的做法是在所有檔中使用白光LED的整個(gè)輸出范圍。然而,在特定CCT(相關(guān)顏色溫度)下,根本無法低成本生產(chǎn)出具有高一致性的白光LED,其主要原因在于藍(lán)光LED芯片的波長和熒光粉的涂布工藝。因此,制造商可能會(huì)混合使用多個(gè)分bin的LED,但是這樣一來,產(chǎn)品的應(yīng)用范圍受到限制,既增加了生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性,又產(chǎn)生了更多存貨。Cree公司對(duì)此的解決方案是EasyWhite bin,該方案采用Cree的多芯片XLamp MC-E LED,MC-E芯片采用四芯封裝發(fā),由Cree挑選四顆不同特性的白光LED芯片(上覆有熒光粉)并封裝好,混合后的白光輸出能達(dá)到預(yù)期色溫,而且遠(yuǎn)小于ANSI規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍。
光效表現(xiàn)
就像半導(dǎo)體行業(yè)的摩爾定律一樣,LED行業(yè)也有一個(gè)Haitz定律,即LED亮度大約每18-24個(gè)月提升一倍,而在今后10年內(nèi),預(yù)計(jì)亮度可以再提升20倍,成本則將降至現(xiàn)有的1/10.今天,市場上1美金大約可以買到100-150流明,美國能源部預(yù)計(jì)2020年這個(gè)數(shù)字將達(dá)到1000流明。
LED發(fā)光效率如何提高?
首先來看封裝。目前,市面上LED光源最為常見的是直插式和貼片式。深圳市長光半導(dǎo)體照明科技有限公司技術(shù)副總監(jiān)朱嘯天則認(rèn)為,這兩種封裝方式的散熱出口截面積較小,而且一次出光口通道狹窄,利用率相對(duì)不高。根據(jù)LED的出光特點(diǎn),長光半導(dǎo)體設(shè)計(jì)了扁平化的一次光學(xué)通道,形成了平面光源陣列式芯片,可以最小化光學(xué)損失。對(duì)此,朱嘯天解釋道:“像SMD的3528或505光源,使用玻璃纖維或塑料做基板,底部沒有跟任何金屬連接。平面光源陣列式芯片則采用了基于多芯片集成COB直接封裝技術(shù),光源使用的鋁基板可以將更多熱量通過直連散熱散發(fā)出去?!睋?jù)悉,目前該公司擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LED面光源技術(shù)光效已達(dá)130lm/w,整燈光效已大于100lm/w.
除了封裝,芯片結(jié)構(gòu)、正向電壓等因素也十分關(guān)鍵。正向電壓如果能被控制在一個(gè)非常小的范圍內(nèi),就可以獲得很好的光效。在這部分,還要特別注意如何解決droop現(xiàn)象。眾所周知,電流密度的增加會(huì)使LED(主要指藍(lán)色、綠色等將InGaN作為發(fā)光層的LED)發(fā)出更多的光,但與此同時(shí)光效也會(huì)隨之下降。當(dāng)前,芯片設(shè)計(jì)公司正在努力尋求解決方法,盡可能使光效與電流增加呈正比。也就是說,在一平方毫米面積上,以光效無損為前提得到更多光,而不是靠提高die尺寸。當(dāng)然,冷熱系數(shù)(LED在100°C結(jié)溫和25°C結(jié)溫時(shí)的燈光輸出比值)的提升也有助于簡化散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì),從而降低最終應(yīng)用中的每流明成本。
如何解決散熱問題
LED抗熱性的重要已成為業(yè)界共識(shí),這個(gè)問題對(duì)于LED通用照明同樣存在。對(duì)此,周學(xué)軍曾生動(dòng)地比喻道:LED就像是一個(gè)雪人,冷的時(shí)候很漂亮,但是一熱了就會(huì)融化,變得很難看。
LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的熱管理很重要,因?yàn)橄喈?dāng)部分的電能轉(zhuǎn)換成了熱能。''安森美半導(dǎo)體電源及便攜產(chǎn)品全球銷售及營銷高級(jí)總監(jiān)鄭兆雄表示,''要解決好散熱問題,需要提升驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換能效和應(yīng)用更高光效的LED,采用提供強(qiáng)固熱故障保護(hù)性能的LED驅(qū)動(dòng)芯片和散熱性能更好的驅(qū)動(dòng)芯片封裝,以及散熱性能更好的LED基板等。此外,為了提高系統(tǒng)可靠性,還需結(jié)合其它手段,如采用額定工作溫度更高的更好外部元器件,以及采用環(huán)境光傳感器以減少電能消耗和發(fā)熱量等。''
美國國家半導(dǎo)體(NS)亞太區(qū)市場經(jīng)理黎志遠(yuǎn)認(rèn)為:受實(shí)際操作環(huán)境影響,LED的內(nèi)部溫度確實(shí)可能會(huì)飆升至極高水平。一旦LED的溫度升越閾值,進(jìn)入非安全區(qū),那么LED的壽命及照明效果便會(huì)受到影響。而采用熱能回折電路則可以監(jiān)控系統(tǒng)熱能,以免溫度失控。
NS的LM3424芯片正是一款這樣的產(chǎn)品,可為照明 系統(tǒng)的LED 設(shè)置溫度及斜坡斷點(diǎn),確保LED停留在安全區(qū)內(nèi)操作。如果出現(xiàn)過熱情況,LM3424的熱能回折電路便會(huì)減少流入LED的穩(wěn)壓電流。減少的鎮(zhèn)壓電流會(huì)使LED的亮度也隨之下降,但仍然保持在工程師預(yù)設(shè)范圍內(nèi),直至操作溫度恢復(fù)到安全的操作范圍內(nèi)。此外,NS還推出了一款大功率LED驅(qū)動(dòng)器LM3464,采用該芯片的過熱保護(hù)系統(tǒng)解決方案可以監(jiān)控LED散熱器/銅箔層的溫度:若LED溫度突然大幅飆升,過熱保護(hù)功能會(huì)調(diào)低輸出電流,避免LED在不正常情況下過熱受損,同時(shí)LED可保持一定的亮度。
上海龍茂微電子有限公司總經(jīng)理茅于海指出,徹底解決''熱''問題還有待LED發(fā)光效率的提高。深圳瑞豐光電子有限公司常務(wù)副總林常對(duì)此表示認(rèn)同,他表示:''要解決熱管理的問題,首先從芯片方面就要提高光效,光效提高自然熱就小了。到了封裝,要考慮如何把熱量導(dǎo)出,同時(shí)還需要解決封裝材料的耐熱問題,材料不黃變,光衰減就沒有。而在應(yīng)用端要做的,就是如何把熱導(dǎo)入到大自然環(huán)境中去,這里不燙就成了關(guān)鍵。三方面的設(shè)計(jì)人員都要做好自己應(yīng)該做的事,這才是根本。針對(duì)不同的產(chǎn)品,解決方案一定不同。''據(jù)悉,目前瑞豐光電在封裝環(huán)節(jié),已經(jīng)能夠做
評(píng)論