藍光“LED白熾燈”的設(shè)計思考

白熾燈(incandescent lamp)自發(fā)明至今全世界使用了100多年。白熾燈是將交流市電直接加在鎢絲電阻上，使其發(fā)熱而發(fā)光，從而照亮黑暗，使全世界數(shù)億人口在夜晚有了電燈帶來的光明與快樂生活，以及勞作的方便。

白熾燈是將燈絲通電加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出可見光的電光源。自1879年，美國的托馬斯·愛迪生制成了碳化纖維(即碳絲)白熾燈以來，經(jīng)人們對燈絲材料、燈絲結(jié)構(gòu)、充填氣體的不斷改進，白熾燈的發(fā)光效率也相應(yīng)提高。但白熾燈的發(fā)光效率及其他光點參數(shù)比節(jié)能燈、鹵鎢燈等新光源差，正逐步被新光源取代。2012年10月1日起，中國將禁止進口和銷售100瓦以上普通照明白熾燈。

如何將LED燈設(shè)計制造得如同白熾燈一樣應(yīng)用方便?是擺在千百位LED照明燈具設(shè)計師面前的重大課題。

藍光"LED白熾燈"也許可以。

藍光"LED白熾燈"的設(shè)想

2011年春夏，在設(shè)計"藍光LED光引擎" 時已經(jīng)聯(lián)想到設(shè)計藍光"LED白熾燈"的方案。

鑒于傳統(tǒng)的白光LED是直接在藍光LED上涂覆黃磷熒光粉的，由于白光LED點亮后熱量很高，黃磷熒光粉在長期高溫熏烤下容易變性，導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，而是將黃磷染色在PVC燈罩上，在燈具內(nèi)與藍光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。由于黃磷濾色燈罩遠離LED熱源，因此，不會因LED光源的長期高溫燒烤而老化變性，CRI(演色性)基本不變;黃磷濾色燈罩的配方可調(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。

藍光"LED白熾燈"沿用白熾燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計是為了方便傳承百年來白熾燈的使用習慣，創(chuàng)新其內(nèi)涵是賦予LED節(jié)能、無公害、長壽命的新技術(shù)。以藍光HV LEDs為光源，加上黃磷濾色燈罩。市電經(jīng)AC/DC整流和恒流驅(qū)動電源變換，輸出恒流直流電點亮藍光LED光源，藍光經(jīng)黃磷濾色燈罩的過濾二次發(fā)光，使"LED白熾燈"發(fā)出冷白光或暖白光。工作原理如圖2所示。

藍光"LED白熾燈"由于采用黃磷染色或噴涂黃磷的PVC燈罩，因此在未點亮時燈泡呈黃磷的黃色，當其上電點亮后發(fā)出冷白或暖白的白光。未點亮的藍光"LED白熾燈"如圖3所示。黃磷染色或噴涂黃磷的PVC燈罩是關(guān)鍵技術(shù)。

LED光源的選擇

藍光"LED白熾燈"的LED光源選擇首選藍光HV LEDs，這樣可以用高壓直流電直接點亮，可以簡化電源和降低電源成本、減少電源占用的空間。

HV LEDs是在芯片生產(chǎn)時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)上的一個革命性的進步。一個2吋硅晶圓片上，一次可生產(chǎn)幾千個LED管芯，但是用通用的技術(shù)和工藝來生產(chǎn)，各個LED參數(shù)的離散性很大，所以生產(chǎn)之后制造商需要逐個測參數(shù)分檔，客戶只能拿相鄰的三檔放在一單位(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幾千個LED管芯的參數(shù)完全一致，使之可以在芯片生產(chǎn)時很方便地就近組成SOC的HV LEDs，如VF50V的模組上有16個LED，它們所有的電參數(shù)完全一樣(圖4)。這樣的藍光HV LEDs使用方便，成本可控。另有一種COB的藍光HV LED，就是用前述的通用技術(shù)生產(chǎn)的、參數(shù)離散型較大的藍光LV LED管芯，經(jīng)測試數(shù)據(jù)后將相同參數(shù)的配置在一起，重新組合成一個光源體。由于需要對LED管芯逐個測試、配對、篩選、組合，還有不少參數(shù)分散的無法配對組合使用，應(yīng)當說生產(chǎn)成本會偏高。HV LEDs的工作電流20-60mA，與低壓LED需要300-700mA電流相比，工作時發(fā)熱相對要小一些。

Energy Star要求LED球泡燈出光角度必須大于270度，因此LED光源的立體發(fā)光設(shè)計，是擴大燈泡發(fā)光角度的唯一解決方案。在球泡燈燈頭上設(shè)計一銅質(zhì)通心立桿，在其周圍和頂端安置LED燈珠或模塊，這樣可以設(shè)計盡可能大的角度的光輸出，實現(xiàn)類似白熾燈的發(fā)光。銅質(zhì)通心立桿可以幫助LED燈珠的散熱，由于銅質(zhì)通心立桿的面積有限，藍光"LED白熾燈"如求較大的發(fā)光角度，目前只能適用于3W的小功率球泡燈，它相當于25W的白熾燈。如犧牲球泡燈接近燈頭的發(fā)光區(qū)域，用來安裝鋁質(zhì)散熱器，則可以選用通用的低壓藍光LED串來設(shè)計5W、7W的藍光"LED白熾燈"。銅質(zhì)通心立桿LED光源分布設(shè)計，可以有多種方案，而且因設(shè)計師而異，各有專利申請，關(guān)鍵技術(shù)就不細述了。

藍光HV LEDs驅(qū)動電源設(shè)計

藍光HV LEDs驅(qū)動電源目前有三種方式：

1)恒流二極管(CRD)

恒流二極管(CRD)是只能在一定的電壓變化范圍內(nèi)向LED光源燈珠提供穩(wěn)定電流的器件，相當于一個小恒流源或最大峰值電流的限制器。在電網(wǎng)小波動時可確保一定的電流穩(wěn)定。應(yīng)用電路簡單、成本低廉、占用空間很小，性能只能說比阻容降壓電路好一點，在小負載和電網(wǎng)電壓波動不大時，能滿足LED恒流的要求。電網(wǎng)電壓有較大的波動時，就很難穩(wěn)定輸出電流。恒流二極管輸出電流有限，一般在20-40mA，但能滿足HV LED的高電壓小電流的要求，HV LED需要的電流一般為20-60mA。CRD的應(yīng)用電路十分簡單，如圖5所示，當LED需要電流較小如20mA、負載較輕時，可選用一個CRD;當需要電流較大時，如30-60mA時，可如圖用多個CRD并聯(lián)，擴大電流。

2)高壓線性恒流源驅(qū)動芯片

線性驅(qū)動芯片可能是HV LEDs恒流驅(qū)動電源較好方案之一。EXC100是比較理想的芯片之一，應(yīng)用線路十分簡潔，周邊零件很少(圖6)。EXC100對于LED負載采用如圖7所示分段導通技術(shù)。EXC100芯片內(nèi)置高壓MOS管，應(yīng)用電路無變壓器、無電解電容器，周邊電路零件很少。符合設(shè)計藍光"LED白熾燈"小空間的需要。但是EXC100在中國購買的價格太貴，用來生產(chǎn)普及型的LED照明燈具成本偏高，對產(chǎn)品的大批量銷售不利。只有性價比好的產(chǎn)品才能通行天下。

這幾年來，我國本土集成電路的設(shè)計水平節(jié)節(jié)提升，而且產(chǎn)品有很好的性價比和市場競爭力，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。

BP5118就是本土芯片設(shè)計公司專門為HV LEDs而設(shè)計生產(chǎn)的新的線性驅(qū)動電源芯片。BP5118 是一款高精度線性恒流LED 控制芯片，主要用于驅(qū)動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)動電源可以實現(xiàn)小體積、長壽命，并符合EMI 規(guī)定。BP5118 采用專利的輸入電壓采樣和LED 驅(qū)動機制，在輸入電壓變化時改變接入的LED 燈數(shù)，因此可以在整個交流周期內(nèi)，增加LED 被點亮的時間，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。

BP5118 可以通過外部電阻精確的設(shè)定LED 電流。在圖8市電輸入應(yīng)用案例中，輸入電壓：200Vac ~ 260Vac; 47Hz ~ 63Hz;輸出帶載：LED1 134V, LED2 76V，LED3 76V;輸出平均電流：22mA (設(shè)定最大電流30mA)。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。BP5118 具有過溫調(diào)節(jié)功能(Thermal Regulation)。當輸入電壓過高，或者LED 電流過大時，此功能將降低輸出電流，從而限制溫度上升，保護LED 驅(qū)動電源。

BP5118的功率輸出高壓MOS管外掛，沒有封裝在芯片內(nèi)，對LED燈珠的負載應(yīng)用自由度較大。這是與EXC100的最大不同。

3)高壓開關(guān)恒流源驅(qū)動芯片

高壓開關(guān)恒流源驅(qū)動芯片品種還不是很多，BP2812是可用的一顆。BP2812適用于非隔離的降壓型LED電源系統(tǒng)，適合全范圍的交流電輸入或12V-600V的直流電源輸入。內(nèi)置600V功率MOS管。臨界模式工作，無需電感補償。應(yīng)用電路只需很少外圍器件。芯片內(nèi)帶有高精度的電流取樣電路，專利的恒流控制技術(shù)，可實現(xiàn)高精度的恒流輸出，和優(yōu)異的負載調(diào)整率。系統(tǒng)效率達95%。采用源極驅(qū)動技術(shù)，芯片工作電流低至200uA，無需輔助繞組供電。具備LED短路保護，CS采樣電阻短路保護，芯片過溫保護等多重保護功能。應(yīng)用電路簡潔，系統(tǒng)成本較低。

圖9是為圖右下的晶元的HV LED設(shè)計的高壓恒流驅(qū)動電路。

由此可見，藍光"LED白熾燈"選用高壓線性恒流源芯片設(shè)計驅(qū)動電源是比較好的選擇。

藍光"LED白熾燈"將成為LED照明燈具產(chǎn)品中的一朵奇葩，競相爭艷。藍光"LED白熾燈"需要的的藍光HV LEDs光源和高壓線性恒流源驅(qū)動芯片已經(jīng)有了成熟產(chǎn)品;黃磷濾色燈罩、LED立體發(fā)光燈柱還有生產(chǎn)工藝和設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)新空間，因此可以衍生很多差異化的新產(chǎn)品。LED照明市場是無限的。

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