采用交流電源的多結(jié)LED可以改善光密度

AC LED是一種固態(tài)光源，可直接由AC線電壓工作。典型的布置是兩串多個LED，其以相反的極性布置，具有偏置電阻器以限制輸入電流。然而，雖然簡單且便宜，但該技術(shù)存在若干缺點，其中一個缺點是LED占據(jù)的空間。

一項改進(jìn)是將LED芯片細(xì)分為多個部分，并使用引線鍵合將它們串聯(lián)連接。這縮小了封裝尺寸并改善了光密度，但是制造這種器件是昂貴的，并且引線鍵合對可靠性產(chǎn)生不利影響。

新一代LED通過使用單個芯片進(jìn)一步采用這種方法，但具有多個結(jié)。這些LED與集成驅(qū)動器IC相結(jié)合，使設(shè)計人員能夠制造緊湊的固態(tài)照明，可直接連接到主電源AC電源。主要優(yōu)點是改善了光密度和小型照明燈具內(nèi)部構(gòu)件。本文介紹了這些新設(shè)備，并向?qū)ふ医涣鞴╇奓ED的工程師解釋了它們的優(yōu)勢。

從交流電源為LED供電

由于設(shè)計人員必須在正向電流(If)和正向電壓(Vf)要求與結(jié)溫，功效和發(fā)光度之間取得平衡，因此LED難以通電。照明通常需要在350 mA至5 A范圍內(nèi)的If和2.5至12 V的Vf。在較低的電流和電壓下運行可提高效率，降低結(jié)溫并延長使用壽命，同時更高的電流和電壓可提高亮度(參見TechZone文章“高電流，高亮度LED簡化電源解決方案”)。

例如，Cree的XLamp XM-L2 LED要求典型的Vf為2.9 V，可承受最大3A的電流.Vf為2.9 V，如果為700 mA，則亮度為310 lm，效率為153流明/瓦。圖1顯示了該芯片的正向電流與正向電壓特性。

圖1：Cree XLamp XM-L2的正向電流與正向電壓。

由于LED需要相對較低的正向電壓才能工作，因此首選穩(wěn)壓，穩(wěn)定的直流電源。這是一種痛苦，因為傳統(tǒng)的白熾燈泡可以直接從主電源供電。照明工程師希望用可以做同樣事情的LED替換這些效率低下的設(shè)備。

一個答案是在AC主電源和LED之間提供AC-DC轉(zhuǎn)換器。一些制造商已開發(fā)出LED燈泡，通過將轉(zhuǎn)換器電路添加到燈具本身，可將其直接擰入或推入標(biāo)準(zhǔn)插座。然而，這是昂貴且低效的，因為轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出之間的電壓差很大。此外，效率低下會產(chǎn)生熱量，而熱量則是LED的殺手。

另一種方法是配置LED，顧名思義，它是一種二極管，進(jìn)入全橋電路，將AC轉(zhuǎn)換為DC。這是一種新穎的方法，但仍然只是AC-DC轉(zhuǎn)換的另一種形式，并且與直接AC驅(qū)動的LED設(shè)計相比，在給定的發(fā)光度下需要更多的功率。

傳統(tǒng)形式的直接交流驅(qū)動LED系統(tǒng)使用兩串LED，一串由AC正弦波的負(fù)極供電，另一串由正極供電。 LED串能夠處理高電壓，因為所有器件的組合電壓降等于電源電壓。偏置電阻限制輸入電流，串在交流主電源的50或60 Hz頻率下交替通電和斷電。

另一種方法是串聯(lián)一串LED，并在全波二極管電橋的輸出端連接一個偏置電阻(圖2)。

圖2：由交流電源通過全波二極管橋供電的單串LED。

雖然這些系統(tǒng)運行良好，但主要缺點是LED占用的空間。還有其他挑戰(zhàn)，如閃爍(參見TechZone文章“表征和最小化照明應(yīng)用中的LED閃爍”)和高總諧波失真(THD)。

縮小AC LED

理論上，單個非常大的LED需要高電流以確保在典型的Vf為3 V時具有足夠的發(fā)光度。但是，如果將該裸片細(xì)分為‘n’個較小的自包含段串聯(lián)連接后，驅(qū)動電壓將增加“n”倍，驅(qū)動電流減小“n”倍。這樣的布置將提高提供驅(qū)動電流的電源效率并減少芯片中的電阻損耗。?幾家制造商已經(jīng)將這一理論付諸實踐，試圖減少LED供電串占用的空間。來自交流電源。將大型芯片切割成單獨的段，這些段使用板上芯片(CoB)布置中的引線鍵合串聯(lián)連接。這是一種可行的解決方案，但是存在一些缺點，包括成本和由于引線鍵合的數(shù)量而導(dǎo)致的可靠性降低。

首爾半導(dǎo)體通過在晶圓級細(xì)分LED芯片，改進(jìn)了CoB技術(shù)。芯片本身并沒有物理上分成許多部分，而是在同一塊硅片上結(jié)合了幾個結(jié)(或“單元”)。該公司稱采用多結(jié)技術(shù)(MJT)技術(shù)并解釋說，通過改變單個芯片上的結(jié)點數(shù)量，它可以制造具有不同電壓降和流明輸出的LED，作為串聯(lián)LED串聯(lián)的替代方案。

該技術(shù)已在該公司的Acrich MJT系列中實現(xiàn)商業(yè)化。圖3顯示了Acrich MJT管芯結(jié)構(gòu)，其中使用金屬化層來形成管芯結(jié)之間的互連。

圖3：Seoul Semiconductor Acrich MJT模具結(jié)構(gòu)。

雖然首爾半導(dǎo)體的Acrich2 MJT LED能夠處理相對較高的電壓，但單個設(shè)備本身無法承受110/120 V或220/240 V交流電源。該公司生產(chǎn)的模塊包括由單個“直接驅(qū)動架構(gòu)”芯片控制的多個MJT LED。模塊尺寸遠(yuǎn)小于由LED串和AC-DC轉(zhuǎn)換器組成的等效AC LED。

該公司表示，直驅(qū)式架構(gòu)芯片集成了LED電源所需的所有外圍組件，包括橋式二極管和無源器件。所有設(shè)計工程師必須做的是連接主電源。

圖4a，b和c說明了該系統(tǒng)如何用于Acrich2多LED 8 W，100/120 V模塊。該模塊可直接使用120 V AC電源供電，產(chǎn)生650 lm。還提供4，12和16 W模塊，可直接使用110/120或220/240 V交流電源供電。

圖4a：Acrich驅(qū)動IC按照下面圖4b和4c所示的順序激活MJT LED。

圖4b

區(qū)域1 2 3 Acrich 1，3，5，7 ON ON ON Acrich 2，4，6，8 OFF OFF圖4c

Acrich驅(qū)動器IC根據(jù)AC正弦波的位置以預(yù)定順序激活LED。該公司聲稱這種方法可逐步增加Vf，允許更早的開啟時間，以及更好地匹配電流波形，從而提高系統(tǒng)的功阿率因數(shù)和THD。