王希天：LED照明產(chǎn)業(yè)的難點(diǎn)與對策
[導(dǎo)讀]筆者近日采訪了廣西大學(xué)王希天副教授，他擅長于電源設(shè)計，近年來積極投身于LED電源的設(shè)計當(dāng)中，特別是在無電解電容領(lǐng)域有深入的研究。對于當(dāng)前l(fā)ed照明產(chǎn)業(yè)的難點(diǎn)和對策，王希天也有自己獨(dú)到的見解。
美國能源之星LE
筆者近日采訪了廣西大學(xué)王希天副教授，他擅長于電源設(shè)計，近年來積極投身于LED電源的設(shè)計當(dāng)中，特別是在無電解電容領(lǐng)域有深入的研究。對于當(dāng)前led照明產(chǎn)業(yè)的難點(diǎn)和對策，王希天也有自己獨(dú)到的見解。
美國能源之星LED燈泡規(guī)范促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展
產(chǎn)業(yè)中流傳諺語：“一流利潤在制訂標(biāo)準(zhǔn)，二流利潤在專利競爭，三流利潤在名牌戰(zhàn)略，四流利潤才是價格大戰(zhàn)”。2009年11月公告的《美國能源之星LED燈泡規(guī)范》具有里程碑意義。雖然僅僅是在美國市場上購買貼有“美國能源之星認(rèn)證”標(biāo)志的LED燈泡，才享受美國政府財政對購買者的補(bǔ)貼，但這是全球LED燈產(chǎn)業(yè)界不能不關(guān)注的首個LED燈泡規(guī)范，甚至將成為今后各國制訂本國LED燈泡規(guī)范的重要參考。
王希天用四句話概括了該標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容：1)降低功率因素門檻，有利于降低成本，擴(kuò)大LED燈產(chǎn)銷;2)突出小功率LED燈泡直接取代白熾燈的規(guī)范;3)明確LED燈泡光效每瓦55流明底線;4)明確25000小時使用后光衰三成為限的底線。
用LED燈泡直接取代白熾燈泡節(jié)能意義重大，結(jié)合現(xiàn)在國產(chǎn)芯片已達(dá)到80lm/W，結(jié)合美國能源之星規(guī)范，用LED燈泡取代白熾燈泡規(guī)格見下表：
王希天特別強(qiáng)調(diào)，這只是用國產(chǎn)LED現(xiàn)在每瓦80lm光效統(tǒng)計的結(jié)果。國外已經(jīng)公布有每瓦208流明的新LED產(chǎn)品，白熾燈只有每瓦15-25lm低光效，所以用LED燈取代白熾燈是必然的趨勢。
LED產(chǎn)業(yè)亂象與隱憂
LED照明高速發(fā)展，但亂象叢生，比如燈具壽命并沒有人們想象中的三萬小時。王希天認(rèn)為必須從以下幾個方面解決產(chǎn)業(yè)所面臨的問題：
1.購買光效較高的LED單元，注意用60℃高溫下測出的LED電壓和電流數(shù)據(jù)來篩選。選出電流一致的LED才適合于串聯(lián)，選出電壓一致的LED才適合于關(guān)聯(lián)。目前民間作坊式的LED燈廠，如果做到LED購進(jìn)后的60℃高溫篩選，才可以有信心往下一道工序推進(jìn)，否則會引發(fā)許多質(zhì)量問題。
2.小功率LED燈，一串LED就可以了，需用恒流電源供電;而中、大功率LED燈需多串LED分別恒流供電，這就比較復(fù)雜了;還有既串又并的方格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的LED方陣，必須既恒流又穩(wěn)壓供電才好。
3.LED燈的死敵是高溫，LED單元的伏安特性在不同的溫度是有相當(dāng)差異的。所以除了在60℃條件下篩選LED分別用于LED串聯(lián)和并聯(lián)之外，還需要有溫度監(jiān)測與補(bǔ)償，才可以用散熱措施控制LED燈泡的溫升盡量小。LED溫度愈高則光效愈低，光效與溫度成反比;LED溫度愈高則光衰愈大，壽命與溫度成反比。不夸張的說，誰掌握了LED燈泡散熱的性價比、優(yōu)秀結(jié)構(gòu)，誰就拿到了優(yōu)勢LED燈產(chǎn)業(yè)的信心保證。LED燈電源適配器中，注意電解電容這個對溫度敏感的器件：民品電解電容標(biāo)志85℃;工業(yè)品電解電容溫度標(biāo)志105℃;專業(yè)級產(chǎn)品電解電容標(biāo)志溫度125℃以上。一分錢一分貨，高可靠性需從購買電解電容開始小心注意了。
4.LED燈具是科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合，包括燈光“照度”(勒克斯為單位，例如走廊燈下15勒克斯就可以了，書桌和教堂桌面需有60勒克斯以上才滿意)。還有“色溫”的“顯色性”及是否需要調(diào)光等等光學(xué)的要求，滿足眼睛和心理需要。為了上述目的，LED燈具本身需有電力電子學(xué)和熱力學(xué)方面的考量，而整體而言，又有成本限制和體積要求限制等等。所以說，LED產(chǎn)業(yè)入門容易，門檻不高，易發(fā)生一哄而上，碰到上述藝術(shù)學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)具體問題時，又將有多道溝坎，一次一次洗牌。
現(xiàn)今LED燈泡訂單往往要求功率因數(shù)超過0.9，王希天不贊同這種要求。熒光燈電子鎮(zhèn)流器廣泛使用，形成的社會共識：功率因數(shù)愈高愈好。但為了提高功率因數(shù)不得不提升成本，這對產(chǎn)銷均不利。再說，熒光燈是低氣壓電弧放電燈，是負(fù)電阻特性的光源，對電源環(huán)保(諧波問題)、EMC問題十分突出。然而LED是正電阻特性的光源，LED燈本身不存在EMC問題，僅僅是為LED服務(wù)的恒流適配電源。如用開關(guān)電源，才發(fā)生EMC問題。美國電網(wǎng)普遍有在線的諧波補(bǔ)償裝置，所以對5W或小于5W的LED燈泡沒有PF的要求，就算超過5W的LED燈泡，也降低門檻只要求達(dá)到0.7或以上就可以了。不必加入有源功率同數(shù)補(bǔ)償APFC開關(guān)電源(那會引發(fā)EMC問題)，對生產(chǎn)成本降低十分有利。這才是促進(jìn)LED燈泡產(chǎn)銷兩旺的規(guī)范宗旨。
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“無電解電容方案”大有可為
現(xiàn)在單只LED出廠說明書，除了標(biāo)注光效每瓦流明指標(biāo)之外，還有很誘人的長壽命，光衰萬分之三十之前有數(shù)萬到十多萬小時的長壽命。但實(shí)際上有的LED燈運(yùn)行沒幾天就不亮了，有的LED路燈在一陣?yán)子曛螅€路燈都不亮了。王希天強(qiáng)調(diào)電源可靠性非常重要，可用“木桶原理”進(jìn)行說明。電解電容是可靠性最短的木條!如果要提高LED燈泡的可靠性，必須痛下決心抽掉最不可靠的短板，這就是當(dāng)前LED燈產(chǎn)業(yè)界普遍渴望“無電解電容的LED電源適配器”技術(shù)支持的原因。
王希天表示，最近注意到韓國首爾半導(dǎo)體宣傳推出一種“交流LED”，據(jù)說是不用電解電容的，可惜至今未拿到樣品，無法證明是否真的無電解電容。另外，不少IC公司推出一個IC伺候數(shù)只功率不太大的LED方案，也不需任何元件，自然不需要電解電容了。還有一些企業(yè)正在努力攻關(guān)中、大功率LED燈電源適配器，也宣稱不用電解電容，正接受大批量訂單。
縱電力電子學(xué)而言，電解電容只不過是貯存峰值電荷，以備隨后短時放出貯存電荷的。于是聯(lián)想到電感也可以貯能，中國核聚變設(shè)備需貯存非常大的能量，同時運(yùn)用了“超導(dǎo)電感貯能”為主，“電容貯能”為輔的搭配。電力電子學(xué)的兩種基礎(chǔ)方案，即升壓有優(yōu)異效果的“波斯特”(Boost)和降壓有優(yōu)勢的“巴克”(BUCK)，都以高頻電感為貯能核心，輔以電解電容作平滑紋波。王希天認(rèn)為如果用電力電子學(xué)技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)足夠小的紋波，那么不用電解電容來平滑紋波是可望可及的事了。
限于各企業(yè)的專利，王希天眼中的“無電解電容”高可靠性LED電源適配器的方案如下：
(1)多相整流輸出直流包絡(luò)線為低紋波且不過零的方案。
(2)多相整流高頻的頻率盡量高(受限于肖氏二極管時延和同步整流場效應(yīng)管開關(guān)時延)，則上述輸出直流包絡(luò)線愈平滑，不必用電解電容。
(3)單相交流電整流，與其交流電源同頻但相位移九十度的交流電整流合成波紋也不過零，用非電解質(zhì)小電容即可平滑紋波。
(4)單相交流電用開關(guān)管整流(而不是用二極管整梳)的電路中注入交流三次諧波也有明顯降低紋波的效果。
(5)用互感器反相抵消高頻紋波已可工程實(shí)用。特別適合于大電流負(fù)載應(yīng)用。
(6)上述(5)如負(fù)載電流不太大，對紋波要求又很嚴(yán)格時，不妨后面搭配低壓差電子濾波器，從原理上講可以滿足任何對紋波敏感的用戶，但成本較高，效率也受影響。
(7)電力電子負(fù)反饋技術(shù)可降低紋波。
(8)上述(7)配合單片機(jī)產(chǎn)生大小相同方向相反的紋波的“數(shù)字化主動抵消紋波”方案是很有前景的方案之一。
(9)發(fā)揮LED的電-光響應(yīng)是納秒(ns)級的優(yōu)勢，利用人眼視網(wǎng)膜的延遲特性，在短于0.1毫秒(不低于10KHz)之內(nèi)用類似梳齒那樣的脈沖來驅(qū)動LED發(fā)光，人眼看不出光的斷續(xù)，即LED燈光閃爍。這是比直流LED燈進(jìn)一步大幅度節(jié)電的方案，有不少單位正在努力攻關(guān)之中，這也是不需要電解電容的方案之一。
(10)兩只LED反向并聯(lián)用交頻恒流交流電點(diǎn)燈，每只LED燈單燈工作高頻半波發(fā)光，休息半波不發(fā)光也不發(fā)熱，今后LED大幅度降價之后，才是可以低成本實(shí)施方案。
最后王希天總結(jié)了LED產(chǎn)業(yè)的難點(diǎn)與對策。
1)各地方及早調(diào)研當(dāng)?shù)豅ED產(chǎn)業(yè)各家企業(yè)的《廠標(biāo)》，由當(dāng)?shù)乇姸嗥髽I(yè)的眾多《廠標(biāo)》集思廣益。在當(dāng)?shù)豅ED協(xié)會或其他民間組織之中，形成“當(dāng)?shù)豅ED產(chǎn)業(yè)規(guī)范”，為出臺《國標(biāo)》打好基礎(chǔ)。也像美國能源之星那樣，出臺更科學(xué)的中國特色LED燈泡規(guī)范!有規(guī)矩好成方圓。
2)抓住“LED溫度”這個牛鼻子做出好文章。
3)抓住“電解電容與LED壽命之間的差距”做更多可靠性的LED電源匹配長壽命的LED燈。
4)轉(zhuǎn)型的核心在于創(chuàng)新：“人無我有，人有我優(yōu)，人優(yōu)我服務(wù)，人優(yōu)服務(wù)我價廉，打價格戰(zhàn)不如升級創(chuàng)新一代人無我有……”。
美國能源之星LED燈泡規(guī)范促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展
產(chǎn)業(yè)中流傳諺語：“一流利潤在制訂標(biāo)準(zhǔn)，二流利潤在專利競爭，三流利潤在名牌戰(zhàn)略，四流利潤才是價格大戰(zhàn)”。2009年11月公告的《美國能源之星LED燈泡規(guī)范》具有里程碑意義。雖然僅僅是在美國市場上購買貼有“美國能源之星認(rèn)證”標(biāo)志的LED燈泡，才享受美國政府財政對購買者的補(bǔ)貼，但這是全球LED燈產(chǎn)業(yè)界不能不關(guān)注的首個LED燈泡規(guī)范，甚至將成為今后各國制訂本國LED燈泡規(guī)范的重要參考。
王希天用四句話概括了該標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容：1)降低功率因素門檻，有利于降低成本，擴(kuò)大LED燈產(chǎn)銷;2)突出小功率LED燈泡直接取代白熾燈的規(guī)范;3)明確LED燈泡光效每瓦55流明底線;4)明確25000小時使用后光衰三成為限的底線。
用LED燈泡直接取代白熾燈泡節(jié)能意義重大，結(jié)合現(xiàn)在國產(chǎn)芯片已達(dá)到80lm/W，結(jié)合美國能源之星規(guī)范，用LED燈泡取代白熾燈泡規(guī)格見下表：
| LED燈泡最小光輸出(流明) | 500 | 300 | 150 | 90 | 70 | |
| 直接替換白熾燈泡功率(瓦) | 60 | 40 | 25 | 15 | 10 | |
| 2010年 | LED燈泡功率(瓦) 同等亮度節(jié)電率 |
6W | 4W | 2W | 1W | 1W |
| 大于0.9 | 大于0.9 | 大于0.9 | 大于0.9 | 大于0.9 | ||
LED產(chǎn)業(yè)亂象與隱憂
LED照明高速發(fā)展，但亂象叢生，比如燈具壽命并沒有人們想象中的三萬小時。王希天認(rèn)為必須從以下幾個方面解決產(chǎn)業(yè)所面臨的問題：
1.購買光效較高的LED單元，注意用60℃高溫下測出的LED電壓和電流數(shù)據(jù)來篩選。選出電流一致的LED才適合于串聯(lián)，選出電壓一致的LED才適合于關(guān)聯(lián)。目前民間作坊式的LED燈廠，如果做到LED購進(jìn)后的60℃高溫篩選，才可以有信心往下一道工序推進(jìn)，否則會引發(fā)許多質(zhì)量問題。
2.小功率LED燈，一串LED就可以了，需用恒流電源供電;而中、大功率LED燈需多串LED分別恒流供電，這就比較復(fù)雜了;還有既串又并的方格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的LED方陣，必須既恒流又穩(wěn)壓供電才好。
3.LED燈的死敵是高溫，LED單元的伏安特性在不同的溫度是有相當(dāng)差異的。所以除了在60℃條件下篩選LED分別用于LED串聯(lián)和并聯(lián)之外，還需要有溫度監(jiān)測與補(bǔ)償，才可以用散熱措施控制LED燈泡的溫升盡量小。LED溫度愈高則光效愈低，光效與溫度成反比;LED溫度愈高則光衰愈大，壽命與溫度成反比。不夸張的說，誰掌握了LED燈泡散熱的性價比、優(yōu)秀結(jié)構(gòu)，誰就拿到了優(yōu)勢LED燈產(chǎn)業(yè)的信心保證。LED燈電源適配器中，注意電解電容這個對溫度敏感的器件：民品電解電容標(biāo)志85℃;工業(yè)品電解電容溫度標(biāo)志105℃;專業(yè)級產(chǎn)品電解電容標(biāo)志溫度125℃以上。一分錢一分貨，高可靠性需從購買電解電容開始小心注意了。
4.LED燈具是科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合，包括燈光“照度”(勒克斯為單位，例如走廊燈下15勒克斯就可以了，書桌和教堂桌面需有60勒克斯以上才滿意)。還有“色溫”的“顯色性”及是否需要調(diào)光等等光學(xué)的要求，滿足眼睛和心理需要。為了上述目的，LED燈具本身需有電力電子學(xué)和熱力學(xué)方面的考量，而整體而言，又有成本限制和體積要求限制等等。所以說，LED產(chǎn)業(yè)入門容易，門檻不高，易發(fā)生一哄而上，碰到上述藝術(shù)學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)具體問題時，又將有多道溝坎，一次一次洗牌。
現(xiàn)今LED燈泡訂單往往要求功率因數(shù)超過0.9，王希天不贊同這種要求。熒光燈電子鎮(zhèn)流器廣泛使用，形成的社會共識：功率因數(shù)愈高愈好。但為了提高功率因數(shù)不得不提升成本，這對產(chǎn)銷均不利。再說，熒光燈是低氣壓電弧放電燈，是負(fù)電阻特性的光源，對電源環(huán)保(諧波問題)、EMC問題十分突出。然而LED是正電阻特性的光源，LED燈本身不存在EMC問題，僅僅是為LED服務(wù)的恒流適配電源。如用開關(guān)電源，才發(fā)生EMC問題。美國電網(wǎng)普遍有在線的諧波補(bǔ)償裝置，所以對5W或小于5W的LED燈泡沒有PF的要求，就算超過5W的LED燈泡，也降低門檻只要求達(dá)到0.7或以上就可以了。不必加入有源功率同數(shù)補(bǔ)償APFC開關(guān)電源(那會引發(fā)EMC問題)，對生產(chǎn)成本降低十分有利。這才是促進(jìn)LED燈泡產(chǎn)銷兩旺的規(guī)范宗旨。
[!--empirenews.page--]
“無電解電容方案”大有可為
現(xiàn)在單只LED出廠說明書，除了標(biāo)注光效每瓦流明指標(biāo)之外，還有很誘人的長壽命，光衰萬分之三十之前有數(shù)萬到十多萬小時的長壽命。但實(shí)際上有的LED燈運(yùn)行沒幾天就不亮了，有的LED路燈在一陣?yán)子曛螅€路燈都不亮了。王希天強(qiáng)調(diào)電源可靠性非常重要，可用“木桶原理”進(jìn)行說明。電解電容是可靠性最短的木條!如果要提高LED燈泡的可靠性，必須痛下決心抽掉最不可靠的短板，這就是當(dāng)前LED燈產(chǎn)業(yè)界普遍渴望“無電解電容的LED電源適配器”技術(shù)支持的原因。
王希天表示，最近注意到韓國首爾半導(dǎo)體宣傳推出一種“交流LED”，據(jù)說是不用電解電容的，可惜至今未拿到樣品，無法證明是否真的無電解電容。另外，不少IC公司推出一個IC伺候數(shù)只功率不太大的LED方案，也不需任何元件，自然不需要電解電容了。還有一些企業(yè)正在努力攻關(guān)中、大功率LED燈電源適配器，也宣稱不用電解電容，正接受大批量訂單。
縱電力電子學(xué)而言，電解電容只不過是貯存峰值電荷，以備隨后短時放出貯存電荷的。于是聯(lián)想到電感也可以貯能，中國核聚變設(shè)備需貯存非常大的能量，同時運(yùn)用了“超導(dǎo)電感貯能”為主，“電容貯能”為輔的搭配。電力電子學(xué)的兩種基礎(chǔ)方案，即升壓有優(yōu)異效果的“波斯特”(Boost)和降壓有優(yōu)勢的“巴克”(BUCK)，都以高頻電感為貯能核心，輔以電解電容作平滑紋波。王希天認(rèn)為如果用電力電子學(xué)技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)足夠小的紋波，那么不用電解電容來平滑紋波是可望可及的事了。
限于各企業(yè)的專利，王希天眼中的“無電解電容”高可靠性LED電源適配器的方案如下：
(1)多相整流輸出直流包絡(luò)線為低紋波且不過零的方案。
(2)多相整流高頻的頻率盡量高(受限于肖氏二極管時延和同步整流場效應(yīng)管開關(guān)時延)，則上述輸出直流包絡(luò)線愈平滑，不必用電解電容。
(3)單相交流電整流，與其交流電源同頻但相位移九十度的交流電整流合成波紋也不過零，用非電解質(zhì)小電容即可平滑紋波。
(4)單相交流電用開關(guān)管整流(而不是用二極管整梳)的電路中注入交流三次諧波也有明顯降低紋波的效果。
(5)用互感器反相抵消高頻紋波已可工程實(shí)用。特別適合于大電流負(fù)載應(yīng)用。
(6)上述(5)如負(fù)載電流不太大，對紋波要求又很嚴(yán)格時，不妨后面搭配低壓差電子濾波器，從原理上講可以滿足任何對紋波敏感的用戶，但成本較高，效率也受影響。
(7)電力電子負(fù)反饋技術(shù)可降低紋波。
(8)上述(7)配合單片機(jī)產(chǎn)生大小相同方向相反的紋波的“數(shù)字化主動抵消紋波”方案是很有前景的方案之一。
(9)發(fā)揮LED的電-光響應(yīng)是納秒(ns)級的優(yōu)勢，利用人眼視網(wǎng)膜的延遲特性，在短于0.1毫秒(不低于10KHz)之內(nèi)用類似梳齒那樣的脈沖來驅(qū)動LED發(fā)光，人眼看不出光的斷續(xù)，即LED燈光閃爍。這是比直流LED燈進(jìn)一步大幅度節(jié)電的方案，有不少單位正在努力攻關(guān)之中，這也是不需要電解電容的方案之一。
(10)兩只LED反向并聯(lián)用交頻恒流交流電點(diǎn)燈，每只LED燈單燈工作高頻半波發(fā)光，休息半波不發(fā)光也不發(fā)熱，今后LED大幅度降價之后，才是可以低成本實(shí)施方案。
最后王希天總結(jié)了LED產(chǎn)業(yè)的難點(diǎn)與對策。
1)各地方及早調(diào)研當(dāng)?shù)豅ED產(chǎn)業(yè)各家企業(yè)的《廠標(biāo)》，由當(dāng)?shù)乇姸嗥髽I(yè)的眾多《廠標(biāo)》集思廣益。在當(dāng)?shù)豅ED協(xié)會或其他民間組織之中，形成“當(dāng)?shù)豅ED產(chǎn)業(yè)規(guī)范”，為出臺《國標(biāo)》打好基礎(chǔ)。也像美國能源之星那樣，出臺更科學(xué)的中國特色LED燈泡規(guī)范!有規(guī)矩好成方圓。
2)抓住“LED溫度”這個牛鼻子做出好文章。
3)抓住“電解電容與LED壽命之間的差距”做更多可靠性的LED電源匹配長壽命的LED燈。
4)轉(zhuǎn)型的核心在于創(chuàng)新：“人無我有，人有我優(yōu)，人優(yōu)我服務(wù)，人優(yōu)服務(wù)我價廉，打價格戰(zhàn)不如升級創(chuàng)新一代人無我有……”。
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