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,經人們對燈絲材料、燈絲結構、充填氣體的不斷改進,白熾燈的發(fā)光效率也相應提高。但白熾燈的發(fā)光效率及其他光點參數比節(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。
圖1 百年白熾燈
如何將LED燈設計制造得如同白熾燈一樣應用方便?是擺在千百位LED照明燈具設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"的設想
2011年春夏,在設計"藍光LED光引擎" 時已經聯(lián)想到設計藍光"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變差。在LED燈具內,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,燈光的顏色、色溫可隨客戶的需要調制,可滿足客制化的要求,生產差異化的產品。
藍光"LED白熾燈"沿用白熾燈的結構設計是為了方便傳承百年來白熾燈的使用習慣,創(chuàng)新其內涵是賦予LED節(jié)能、無公害、長壽命的新技術。以藍光HV LEDs為光源,加上黃磷濾色燈罩。市電經AC/DC整流和恒流驅動電源變換,輸出恒流直流電點亮藍光LED光源,藍光經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。
圖2 "新LED白熾燈"的工作原理
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燈罩是關鍵技術。
圖3 未點亮的藍光"LED白熾燈"
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芯片制造技術上的一個革命性的進步。一個2吋硅晶圓片上,一次可生產幾千個LED管芯,但是用通用的技術和工藝來生產,各個LED參數的離散性很大,所以生產之后制造商需要逐個測參數分檔,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在生產時使用新一代的工藝和高超加工技術,使同一硅晶圓片上的幾千個LED管芯的參數完全一致,使之可以在芯片生產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生產的、參數離散型較大的藍光LV LED管芯,經測試數據后將相同參數的配置在一起,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,還有不少參數分散的無法配對組合使用,應當說生產成本會偏高。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。
圖4 藍光HVLEDs模組
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。在球泡燈燈頭上設計一銅質通心立桿,在其周圍和頂端安置LED燈珠或模塊,這樣可以設計盡可能大的角度的光輸出,實現(xiàn)類似白熾燈的發(fā)光。銅質通心立桿可以幫助LED燈珠的散熱,由于銅質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,用來安裝鋁質散熱器,則可以選用通用的低壓藍光LED串來設計5W、7W的藍光"LED白熾燈"。銅質通心立桿LED光源分布設計,可以有多種方案,而且因設計師而異,各有專利申請,關鍵技術就不細述了。
藍光HV LEDs驅動電源設計
藍光HV LEDs驅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。在電網小波動時可確保一定的電流穩(wěn)定。應用電路簡單、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,在小負載和電網電壓波動不大時,能滿足LED恒流的要求。電網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。
圖5 CRD的簡單恒流電路
2)高壓線性恒流源驅動芯片
線性驅動芯片可能是HV LEDs恒流驅動電源較好方案之一。EXC100是比較理想的芯片之一,應用線路十分簡潔,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。EXC100芯片內置高壓MOS管,應用電路無變壓器、無電解電容器,周邊電路零件很少。符合設計藍光"LED白熾燈"小空間的需要。但是EXC100在中國購買的價格太貴,用來生產普及型的LED照明燈具成本偏高,對產品的大批量銷售不利。只有性價比好的產品才能通行天下。
圖6 EXC100線性恒流驅動
這幾年來,我國本土集成電路的設計水平節(jié)節(jié)提升,而且產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的技術方案和技術支持比較到位。
BP5118就是本土芯片設計公司專門為HV LEDs而設計生產的新的線性驅動電源芯片。BP5118 是一款高精度線性恒流LED 控制芯片,主要用于驅動由市電供電的高電壓、低電流LED 燈串或模組。由于應用電路不需要電解電容器和磁性元件,LED 驅動電源可以實現(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 驅動機制,在輸入電壓變化時改變接入的LED 燈數,因此可以在整個交流周期內,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。為了適應不同的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置。
圖7 EXC100對于LED負載分段導通
BP5118 可以通過外部電阻精確的設定LED 電流。在圖8市電輸入應用案例中,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 驅動電源。
BP5118的功率輸出高壓MOS管外掛,沒有封裝在芯片內,對LED燈珠的負載應用自由度較大。這是與EXC100的最大不同。
圖8 BP5108高壓線性恒流驅動電源的電原理圖
3)高壓開關恒流源驅動芯片
高壓開關恒流源驅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。內置600V功率MOS管。臨界模式工作,無需電感補償。應用電路只需很少外圍器件。芯片內帶有高精度的電流取樣電路,專利的恒流控制技術,可實現(xiàn)高精度的恒流輸出,和優(yōu)異的負載調整率。系統(tǒng)效率達95%。采用源極驅動技術,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設計的高壓恒流驅動電路。
圖9 BP2812高壓開關恒流源驅動電源的電原理圖
由此可見,藍光"LED白熾燈"選用高壓線性恒流源芯片設計驅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動芯片已經有了成熟產品;黃磷濾色燈罩、LED立體發(fā)光燈柱還有生產工藝和設計技術的創(chuàng)新空間,因此可以衍生很多差異化的新產品。LED照明市場是無限的。
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