一種高壓LED光引擎的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

光引擎將成為LED照明燈具的標(biāo)準(zhǔn)零件

目前，LED照明燈具的LED光源和驅(qū)動(dòng)電源的五花八門現(xiàn)狀或許會(huì)改變，有很大一部分的LED照明燈具，其LED光源和驅(qū)動(dòng)電源會(huì)趨向標(biāo)準(zhǔn)化，將采用 國(guó)際通用的“光引擎”。

ZHAGA聯(lián)盟旨在發(fā)展LED光引擎 (light engine) 介面接口的標(biāo)準(zhǔn)，使不同廠商生產(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，將有助于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(gòu)買市場(chǎng)上具有可兼容性的LED照明燈具產(chǎn)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)。

因此，LED 制造商、封裝廠，驅(qū)動(dòng)電源廠在 2012 年都會(huì)開發(fā)生產(chǎn)各種規(guī)格 的光引擎。“LED 光源+驅(qū)動(dòng)電源”、“HVLEDs+高壓線性恒流源”就是類似的雛 形，按球泡的空間來做就是 A19、E27 專用方案，進(jìn)入光引擎就成了標(biāo)準(zhǔn)化方案。 光引擎將成為 LED 照明燈具的標(biāo)準(zhǔn)品零件而規(guī)?；a(chǎn)。

HVLEDs 2012 年將快步進(jìn)入 LED 照明燈具

2012 年 HVLEDs 有望快步進(jìn)入 LED 照明燈具。這幾年 MOCVD 的大批引 入，使我國(guó)很快具備了 LED 照明的核“芯”技術(shù)，MOCVD 的大批開工生產(chǎn)， 使國(guó)產(chǎn)的 LED 光源芯片源源不斷的流向市場(chǎng)，LCD 電視機(jī)(TV)的背光、筆記 本電腦(NB)的背光、LED 照明燈具使用國(guó)產(chǎn)的 LED 光源將快速上升。電子產(chǎn) 品的性價(jià)比決定市場(chǎng)的容量，價(jià)格與市場(chǎng)的關(guān)系是價(jià)格每降一點(diǎn)，市場(chǎng)將成平方 的增長(zhǎng)，完全是呈現(xiàn)一個(gè)金字塔規(guī)律。

高壓 LED 芯片組(HVLEDs)的高電壓、小電流，與通用的低壓 LED(LVLED) 的低電壓、大電流的工作環(huán)境相比，HVLEDs 工作時(shí)的發(fā)熱明顯降低;HVLEDs 只需要線性恒流源就能很好的工作，高壓線性恒流源無變壓器、無電解電容器， 困擾低壓 LED 的驅(qū)動(dòng)電源壽命、電解電容器的壽命問題都迎刃而解了。

HVLEDs 的制造商正在配套高壓線性恒流源電源，他們將在 2012 年初向市 場(chǎng)推出“HVLEDs+高壓線性恒流源”的套件提供給下游 LED 燈具組裝生產(chǎn) LED 燈具。

目前，HVLEDs 生產(chǎn)成本和售價(jià)可能比同樣 W 數(shù)的LVLED 貴 20%，但是隨著技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)量的擴(kuò)大，成本將進(jìn)一步下降，而 LVLED 的下降空間已經(jīng) 不多了。HVLEDs 的驅(qū)動(dòng)電源的成本要比 LVLED 的開關(guān)恒流源便宜多了。兩項(xiàng) 相抵，暫時(shí)可能持平，長(zhǎng)遠(yuǎn)而言，HVLEDs 的燈具價(jià)格將更便宜。也許 HVLEDs 的燈具將給我們一個(gè)性價(jià)比很好，而整燈價(jià)格比較接近老百姓購(gòu)買力的好機(jī)會(huì)， 這個(gè)市場(chǎng)是海量的。

高壓 LED 模組—HV LEDs 異軍突起

LED 家族的后起之秀高壓 LEDs(HV LEDs)異軍突起，VF 高電壓、IF 小電 流的工作條件完全顛覆了傳統(tǒng)的低壓 LED(LV LED)的 VF 低電壓、IF 大電流的 工作要求。LED 照明燈具由于采用 HV LEDs 的 SOC 模組而有可能降低發(fā)熱， 燈具結(jié)構(gòu)造型有可能更加趨向節(jié)省散熱材料、大于 270 度發(fā)光、低成本、減輕 重量方向發(fā)展。HV LEDs 雖有如上優(yōu)勢(shì)，是否會(huì)在家用照明海量市場(chǎng)勝出?2012 年市場(chǎng)可見分曉。

HV LEDs 是在芯片生產(chǎn)時(shí)在硅片上直接做成的片上系統(tǒng)(SOC)或稱之為 模組，這是 LED 芯片制造技術(shù)上的一個(gè)革命性的進(jìn)步。一個(gè) 2 吋硅晶圓片上， 一次可生產(chǎn)上萬個(gè) LED 管芯，但是用通用的技術(shù)和工藝來生產(chǎn)，各個(gè) LED 參數(shù) 的離散性很大，所以生產(chǎn)之后制造商需要逐個(gè)測(cè)參數(shù)分檔，客戶只能拿相鄰的叁 檔放在一單位(燈)里用，才能保證顯示光色的一致性。HV LEDs 在生產(chǎn)時(shí)使 用新一代的工藝和高超加工技術(shù)，使同一硅晶圓片上的上萬個(gè) LED 管芯的參數(shù) 完全一致，使之可以在芯片生產(chǎn)時(shí)很方便地就近組成 SOC 的 HV LEDs，如 HV45 上有 16 個(gè) LED，它們所有的電參數(shù)完全一樣(圖 1)。這樣的 HV LEDs 使用方 便，成本可控。另有一種 COB 的 HV LED，就是用前述的通用技術(shù)生產(chǎn)的、參 數(shù)離散型較大的 LED 管芯，經(jīng)測(cè)試數(shù)據(jù)后將相同參數(shù)的配置在一起，重新組合 成一個(gè)光源體。由于需要逐個(gè)測(cè)試、配對(duì)、篩選、組合，還有不少參數(shù)分散的無 法配對(duì)組合使用，應(yīng)當(dāng)說生產(chǎn)成本會(huì)偏高。HV LEDs 芯片的剖面圖如圖 2 所示。

圖1 HV LEDs 的 SOC 結(jié)構(gòu)

圖2 HV LEDs 芯片的剖面圖

傳統(tǒng)的 LV LED 用低壓的開關(guān)恒流源驅(qū)動(dòng)發(fā)光的方案;AC LED 用 AC LED 光源兼做整流和發(fā)光體的方案，AC LED 需有一定的余輝;HV LEDs 使用高壓 恒流源驅(qū)動(dòng) HV LEDs 發(fā)光的方案，這三種 LED 光源產(chǎn)品及其 LED 照明燈具產(chǎn) 品都將在近三五年內(nèi)盛行，共爭(zhēng)市場(chǎng)繁榮(圖 3)。世界社會(huì)將在分享它們的給 人類帶來的恩澤。

圖 3 三種 LED 光源工作原理圖

HVLEDs 光引擎系統(tǒng)方案

HVLEDs 光引擎系統(tǒng)方案由 HVLEDs 燈珠板、環(huán)形內(nèi)置恒流電源或外置恒 流電源、光引擎標(biāo)準(zhǔn)殼體組成(圖 4)。結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，做成一符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的 標(biāo)準(zhǔn)部件，任何燈具廠都可用來組裝 LED 燈具，任何人都可對(duì)故障 LED 燈具 DIY 更換修復(fù)。

HVLEDs 光引擎實(shí)物如圖 5 所示，這是一種引擎內(nèi)圈是綁定在鋁基板上的HVLEDs 的燈珠板，其外圈是環(huán)形的電源板(圖 6)。外置電源一般做成如嵌入 式筒燈電源那樣的長(zhǎng)方塊形狀。

高壓恒流驅(qū)動(dòng)電源芯片

線性驅(qū)動(dòng)芯片可能是HVLEDs恒流驅(qū)動(dòng)電源較好方案之一。EXC100是比較 理想的芯片之一，但是在中國(guó)購(gòu)買的價(jià)格太貴，用來生產(chǎn)通用的光引擎成本偏高。 這幾年來，我國(guó)本土集成電路的設(shè)計(jì)水平節(jié)節(jié)提升，而且有很好的性價(jià)比和市場(chǎng) 競(jìng)爭(zhēng)力，向下游廠家提供可用于生產(chǎn)的技術(shù)方案和技術(shù)支持比較到位。BP5108 就是專門為HVLEDs而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的新的線性驅(qū)動(dòng)電源芯片。

BP5108 是一款高精度線性恒流LED 控制芯片，主要用于驅(qū)動(dòng)由市電供電 的高電壓、低電流LED 燈串或模組。由于應(yīng)用電路不需要電解電容器和磁性元 件，LED 驅(qū)動(dòng)電源可以實(shí)現(xiàn)小體積、長(zhǎng)壽命，并符合EMI 規(guī)定。BP5108 采用 專利的輸入電壓采樣和LED 驅(qū)動(dòng)機(jī)制，在輸入電壓變化時(shí)改變接入的LED 燈 數(shù)，因此可以在整個(gè)交流周期內(nèi)，增加LED 被點(diǎn)亮的時(shí)間，從而提高LED 的利 用率和總輸出流明數(shù)。為了適應(yīng)不同的LED 燈串正向壓降或者不同的市電電壓(110V，220V)，燈串切換電壓可以通過外部分壓電阻靈活設(shè)置。而且當(dāng)輸入 接可控硅調(diào)光器時(shí)，不需要增加額外的元器件，就可以通過改變調(diào)光器切相角度 大小來調(diào)節(jié)LED 亮度。

BP5108 可以通過外部電阻精確的設(shè)定LED 電流。在220V 市電輸入應(yīng)用 中，可以將LED 電流設(shè)在40mA以下。如果需要更高的輸出電流，LED需要采用散熱器或者并聯(lián)外部功率MOS 管。BP5108 具有過溫調(diào)節(jié)功能(Thermal Regulation)。當(dāng)輸入電壓過高，或者LED 電流過大時(shí)，此功能將降低輸出電流， 從而限制溫度上升，保護(hù)LED 驅(qū)動(dòng)電源。

BP5108的主要特點(diǎn)：

¾ 外圍電路非常簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)電源體積非常小;

¾ 無需電解電容和磁性元件;

¾ 兼容可控硅調(diào)光;

¾ 母線電壓變化±20%仍可工作;

¾ 超快LED 啟動(dòng)( <300ms @85Vac);

¾ ±3% LED 輸出電流精度;

¾ LED 電流可外部設(shè)定;

¾ LED 燈串切換電壓可外部設(shè)定;

¾ 高效率、高功率因數(shù);

¾ 芯片供電欠壓保護(hù);

¾ 芯片過溫調(diào)節(jié)功能;

¾ 采用SOP-8 封裝。

BP5108的典型應(yīng)用電路如圖7所示。

高壓光引擎驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

用 BP5108 設(shè)計(jì)高壓光引擎恒流驅(qū)動(dòng)電源十分方便，光引擎電源的技術(shù)參數(shù) 設(shè)定如下：

¾ 輸入電壓：200Vac ~ 260Vac; 47Hz ~ 63Hz;

¾ 輸出帶載：LED1 134V, LED2 76V，LED3 76V;

¾ 輸出平均電流：22mA (設(shè)定最大電流30mA);

¾ 電源尺寸： 21*19*16mm(長(zhǎng)、寬、高)。 高壓光引擎恒流驅(qū)動(dòng)電源的電原理圖設(shè)計(jì)如圖 8 所示，其中 U1 是高壓恒流線性電源驅(qū)動(dòng)芯片 BP5108，U2 是一個(gè)復(fù)合的 MOS 管，將三個(gè)同性能的 MOS 管封裝在一起的 BP5102。整個(gè)應(yīng)用電路無電感器、無變壓器、無電解電容器。 線路十分簡(jiǎn)潔，成本低廉。該方案的性能比較理想。電源的線性調(diào)整率達(dá)±4.8%，21mA~23mA/200VAC~260VAC;效率達(dá) 90.6%/220VAC;功率因素校正 PF 值達(dá)0.968/220VAC;很容易過 EMI(表 1)。電氣特性測(cè)試數(shù)據(jù)比較理想，如表 2 所 示。也可用來做 Par 燈，4 燈串聯(lián)的 Par 燈 PCB 版圖如圖 9 所示。

因此，高壓 LED 光引擎的設(shè)計(jì)是十分容易和方便的。

圖8 高壓光引擎恒流驅(qū)動(dòng)電源的電原理圖