求新求變促進(jìn)自主研發(fā)

筆者于多年前進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用LED 的產(chǎn)品領(lǐng)域，見(jiàn)證了LED 照明器件由質(zhì)次價(jià)高到逐漸提高品質(zhì)，從低發(fā)光強(qiáng)度產(chǎn)品向高亮度、超高亮度發(fā)展。隨著相對(duì)大的功率和高光效的器件出現(xiàn)，產(chǎn)品價(jià)位也有很大幅度的下降;以至于有可能從顯示及信號(hào)燈的應(yīng)用范圍向更廣闊的普通照明應(yīng)用市場(chǎng)拓展，也為從事LED 應(yīng)用的工作者提供了施展能力的基礎(chǔ)。

當(dāng)年面對(duì)大規(guī)模應(yīng)用LED 的交通信號(hào)燈產(chǎn)品時(shí)，產(chǎn)生了一種思維觀念：認(rèn)為雖然使用的LED 還有許多局限性乃至不足之處，但不能就此無(wú)所作為，而應(yīng)該各司其職。作為L(zhǎng)ED 應(yīng)用產(chǎn)業(yè)不得不考慮的是，在現(xiàn)有器件的水平下如何充分利用好它的潛質(zhì)，也就是說(shuō)需要深入了解LED 特性、用好LED 。

LED 從本質(zhì)上說(shuō)是一種電流器件，是通過(guò)電流而產(chǎn)生光效;在電特性上又相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓管，當(dāng)流過(guò)的電流發(fā)生變化，引起兩端電壓的變化是很小的。但是如果外加的電壓比LED 的穩(wěn)壓值稍大些時(shí)，則流過(guò)的電流就要發(fā)生很大的變化，所以LED 必須由電流源供電，而且要求恒流。企圖穩(wěn)壓供電再用電阻限流方式，也并非上策;因?yàn)長(zhǎng)ED 在工作時(shí)發(fā)熱、老化等致使壓降變化，最后壓差變化了還是要造成工作電流變異。

在人們質(zhì)疑所用的LED 性能或失效率不如人意時(shí)，對(duì)LED 的先天不足應(yīng)持客觀的態(tài)度，因?yàn)槿魏问挛锏陌l(fā)展、進(jìn)步都需要有個(gè)過(guò)程，更何況現(xiàn)在已顯露出LED 有著不凡的前景?？梢韵然c(diǎn)精力仔細(xì)檢查并測(cè)試一下器件的工作狀態(tài)及生產(chǎn)加工過(guò)程。

必須明白LED 是種嬌貴的器件，所以應(yīng)用上總是想從LED 中獲得盡可能多的光通量以降低成本。工作電流往往就接近上限值，但是因電源浪涌，感生電流等即使短期的意外過(guò)載都必然會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生傷害。所以一定要保證必要的電流寬裕度或有嚴(yán)格可靠的保護(hù)措施。

而LED 內(nèi)部的銀膏導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和環(huán)氧封裝等，遇熱脹冷縮環(huán)境不可避免地有應(yīng)力損害，大電流及高溫下也要加劇光衰不能不防。

溫度和散熱條件有時(shí)更可能是致命的殺手，所以生產(chǎn)過(guò)程中焊接的溫度和時(shí)間都要控制不得超標(biāo)，隨后的及時(shí)冷卻也致關(guān)重要。因?yàn)橐阌趶囊€散熱，熱阻就做得小，熱量同樣容易從引腳傳入，當(dāng)引腳處理得短時(shí)傳熱更甚;有時(shí)器件失效率的升高往往是焊接過(guò)程中疏忽所造成的。

雖有這么多難題要解決，但也不必因此消極氣餒，這可是LED 應(yīng)用工作者發(fā)揮作用的大好時(shí)期?？梢钥吹绞澜缟夏敲炊喙鹃_(kāi)發(fā)出形形式式的LED 驅(qū)動(dòng)芯片，既體現(xiàn)了業(yè)界精英們的智慧和積極性，也顯示出蓬勃發(fā)展的商機(jī)產(chǎn)生的促進(jìn)力。本來(lái)照明產(chǎn)品就有非常大的比例直接在市電電網(wǎng)上使用，所以綠色節(jié)能的市電LED照明將會(huì)有巨大的市場(chǎng)需求潛力。

要推廣LED 在市電照明的應(yīng)用，必須要找出它的特殊性，才有可能達(dá)到事半功倍的效果。與以前成熟應(yīng)用的直流低壓條件不同，市電電壓相對(duì)比較高，除了人身安全外還有擊穿、打火的可能。因此驅(qū)動(dòng)器就需有所不同;為了降低驅(qū)動(dòng)的功耗提高照明效率，LED 組件應(yīng)該布置成適合在高電壓小電流下工作，就是要串聯(lián)使用LED 。這和大電網(wǎng)輸電線路要用超高電壓傳送降低損耗有異曲同工的道理。所以串聯(lián)使用許多個(gè)低功率LED ，比使用少量功率型LED更省電(功率型LED其內(nèi)部實(shí)際相當(dāng)于許多低功率LED 芯片并聯(lián)而成)。而且從產(chǎn)品指標(biāo)上也看得出，三個(gè)1W的LED 加起來(lái)要比一個(gè)3W的光效增加不少，當(dāng)多個(gè)器件分散布置時(shí)更有利于散熱和降溫，同樣會(huì)提高光效，都支持這種最節(jié)電的設(shè)計(jì)理念。

自主創(chuàng)新源于技術(shù)的經(jīng)歷和累積

發(fā)展市電LED 照明產(chǎn)品，觀念上先要拓寬，僅模仿過(guò)去的產(chǎn)品改頭換面不會(huì)有出路，要替代白熾燈就想將LED 和驅(qū)動(dòng)電路塞進(jìn)燈泡里，要做成日光燈就忘不了那根細(xì)長(zhǎng)的管子。[!--empirenews.page--]

太仿真了就成不了真，拘泥于舊形式就創(chuàng)不出新局面。要沿用白熾燈的羅口標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有錯(cuò)，但不妨將燈罩也一起設(shè)計(jì)上去，使用 一點(diǎn)工程塑料就可將多個(gè)LED 和驅(qū)動(dòng)電路分散布置得很好，就可創(chuàng)造出自然通風(fēng)散熱的環(huán)境。帶個(gè)塑料燈罩的LED 照明燈增加不了多少成本，卻能為L(zhǎng)ED 安全、穩(wěn)定使用和光照分布的滿意度起到?jīng)Q定性的作用。

至于日光燈主要是天花板頂部照明器具，何苦總要做成長(zhǎng)條形，完全可順其自然做成所需要的『面積照明』 。那時(shí)散熱性、照度均勻性等問(wèn)題都會(huì)迎刃而解。

而作為市電還有其交流方面的特殊性能，作者三十幾年前因?yàn)椴粷M足鎢絲二極管傳感器加電抗器控制的交流穩(wěn)壓器的性能，研究過(guò)一種應(yīng)用前饋技術(shù)的精密交流穩(wěn)壓器電路，雖沒(méi)有機(jī)會(huì)形成產(chǎn)品卻對(duì)市電有過(guò)一番琢磨。幾年前又發(fā)散了一下思維，研究出市電自適應(yīng)恒流驅(qū)動(dòng)LED 的原理，創(chuàng)造了獨(dú)特的使用市電的LED 照明控制電路專(zhuān)有(專(zhuān)利)技術(shù)。詳情見(jiàn)專(zhuān)題論述。

這里簡(jiǎn)言之，就是利用市電的特性，在直接驅(qū)動(dòng)LED 照明器具時(shí)，使之能適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)而始終保持在設(shè)定的恒流狀態(tài)。

最近看到NXP 公司推出了據(jù)稱(chēng)是世界首款集成可調(diào)光市電LED 驅(qū)動(dòng)器SSL2101 。經(jīng)過(guò)比較之后，發(fā)覺(jué)所創(chuàng)造的市電自適應(yīng)控制電路，比SSL2101 要簡(jiǎn)單得多。簡(jiǎn)單到芯片內(nèi)總共只需集成十多個(gè)低功耗的通用二極管、雙極型晶體管。無(wú)需專(zhuān)門(mén)的Vcc 電源，不用變壓器、電感線圈等，直接使用220V市電并可立即驅(qū)動(dòng)LED ，除了有手動(dòng)調(diào)光功能外，還能極方便地自動(dòng)調(diào)光。

已制成用121 個(gè)LED 的晚上可自動(dòng)降低發(fā)光亮度的，符合歐洲節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的交通信號(hào)燈樣品，還做成可根據(jù)環(huán)境光亮度，在白天關(guān)閉、夜間自動(dòng)點(diǎn)亮的用16個(gè)LED 組成的照明燈。在市電180V～250V工作范圍內(nèi)，做到約1 %的恒流穩(wěn)定度，二年后測(cè)試仍保持不變。說(shuō)明在市電應(yīng)用中，市電自適應(yīng)LED 恒流驅(qū)動(dòng)器，無(wú)論在LED 使用的個(gè)數(shù)上或者對(duì)自動(dòng)調(diào)光的方式上都能游刃有余，在性能、成本上比SSL2101 有獨(dú)到的地方。

市電自適應(yīng)LED 恒流驅(qū)動(dòng)器芯片引腳見(jiàn)圖1 ，典型應(yīng)用框圖如圖2、圖3 所示。

圖中的驅(qū)動(dòng)芯片還沒(méi)有廠投產(chǎn)故未標(biāo)型號(hào)，作者先用分立器件模塊代替。但是顯而易見(jiàn)，那些通用的小功率晶體二極管、三極管，在IC生產(chǎn)廠都可以很容易地集成出來(lái)。圖2中RV1 用來(lái)調(diào)節(jié)恒流值，即燈光亮度。RV2用來(lái)調(diào)整照明燈開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的環(huán)境光亮度的閾值。圖3 中的RV1 用來(lái)調(diào)整交通信號(hào)燈的工作電流值，圖中RB為感光后起自動(dòng)調(diào)節(jié)作用的光敏電阻。外圍電路只用不到十個(gè)的低功耗電阻和四個(gè)低壓電容器。圖7 、圖8 、為已制作成的樣品外形圖。圖9為減少引腳后的IC封裝圖，這里僅以低壓制作工藝的一種芯片型式，就可封裝成12腳的有二種光控功能的IC，和封裝成二種 8腳的有某一種調(diào)光功能的IC。

市電LED自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器理論上的控制功耗非常小(約5%及更少)，這種低成本的市電LED 自適應(yīng)恒流驅(qū)動(dòng)器，在沒(méi)有了解其節(jié)電控制原理前，也許令人不可思議，但確實(shí)是真的?？梢宰髦庇^一點(diǎn)的介紹，在實(shí)例中的16個(gè)LED 組成的照明燈，為了加強(qiáng)自然對(duì)流降溫，在所有引腳都焊上約 1平方厘米的銅質(zhì)翼片散熱，當(dāng)35度高溫天氣下工作一段時(shí)間后LED 燈上就感到很熱，而恒流驅(qū)動(dòng)器的MOSFET控制管上不加散熱器也只感到溫?zé)?，在氣溫低的時(shí)候則感受不到熱量。[!--empirenews.page--]

LED 是一種工況要求嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠骷?，通常?jīng)不起反復(fù)負(fù)載沖擊折騰?，F(xiàn)在生產(chǎn)LED 的廠家雖然很多，高亮度也做得到，但是能生產(chǎn)功率型LED 器件的就不多，因?yàn)閷?duì)器件的耐受性要求很高，工藝和材質(zhì)要求更嚴(yán)，生產(chǎn)成本也高。所以即使具有高耐受性的優(yōu)質(zhì)低功率LED 也比通常的要貴不少。

但有的LED 照明器具，比如交通信號(hào)燈有時(shí)就必須工作在反復(fù)開(kāi)、關(guān)的狀態(tài)，使用帶有變壓器等電感的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，LED 就容易提前失效。作者做過(guò)批量試驗(yàn)，曾將報(bào)廢的燈具中可利用的LED 器件制成信號(hào)燈樣本。篩選掉早期失效器件后，用原帶變壓器的驅(qū)動(dòng)控制線路在0.5 秒開(kāi)、0.5 秒關(guān)的狀態(tài)下連續(xù)工作，基本上每天(8 小時(shí)內(nèi))總還會(huì)發(fā)生LED 失效。而同樣品質(zhì)的利用器件，未經(jīng)過(guò)早期篩選就做信號(hào)燈樣本，用市電自適應(yīng)LED 驅(qū)動(dòng)器供電，進(jìn)行相同的反復(fù)開(kāi)、關(guān)試驗(yàn)，歷時(shí)數(shù)星期都沒(méi)有LED 失效。

由此想到，采用市電LED照明自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器后，可以不一定非要用到優(yōu)質(zhì)的功率型LED ，即使是生產(chǎn)一般性能的高亮度、低功率 LED 廠家也可以在市電照明領(lǐng)域中占得份額，而且成本價(jià)格上具有優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)效益也好。SSL2101 驅(qū)動(dòng)器被認(rèn)為是高成本效益比的產(chǎn)品，市電LED 照明自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器或許有機(jī)會(huì)被稱(chēng)為具有超高成本效益比的產(chǎn)品。

開(kāi)拓產(chǎn)品應(yīng)用類(lèi)型效果可觀

市電LED照明自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器可應(yīng)用的產(chǎn)品類(lèi)型，除了已試制的交通信號(hào)燈和自動(dòng)啟閉照明燈外，臺(tái)燈、射燈、日光燈、吸頂燈、樓道燈、庭園燈等等都屬于相似類(lèi)型，拓展當(dāng)不成問(wèn)題。更吸引人的應(yīng)用是大尺寸液晶LED白光或RGB背光照明，還有LED在投影機(jī)中開(kāi)拓應(yīng)用。電路精簡(jiǎn)、高節(jié)能、低成本等優(yōu)點(diǎn)當(dāng)能與顯示電路整合后，效果就更可觀。

下面就目前最希望能做到的，高效LED照明燈直接替代低效率白熾燈的具體各部分構(gòu)成作一些探討和設(shè)想：

白熾燈是一種成熟、穩(wěn)定、廉價(jià)的大眾化產(chǎn)品，就因?yàn)榘谉霟艏葌鹘y(tǒng)又經(jīng)典，所以要成功替換并不容易。好在社會(huì)發(fā)展到對(duì)節(jié)能的嚴(yán)格要求，已進(jìn)入倒計(jì)時(shí)階段;促進(jìn)力足以扶助LED的成長(zhǎng)不夠充分這個(gè)弱點(diǎn)。但取得成功的關(guān)鍵還在于LED器件的價(jià)格水平。能進(jìn)一步提高亮度，改善顯色性能當(dāng)然最好。

但用現(xiàn)有條件水平的LED要做成照明燈來(lái)替代白熾燈時(shí)，我們也可對(duì)各組成部分作一番盤(pán)算。

一、 LED驅(qū)動(dòng)器部分

市電LED照明自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器具有電路精簡(jiǎn)、可靠，對(duì)LED的適應(yīng)性強(qiáng)，成本低、調(diào)光功能多等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合用于LED替代白熾燈時(shí)應(yīng)用。

二、LED發(fā)光單元部分

國(guó)產(chǎn)的低功率高亮度白光LED(20mA)單價(jià)已能降到0.1元的水平，步入規(guī)模應(yīng)用的價(jià)位。但是白光LED要提高『光/價(jià)』比，除了等待芯片的價(jià)格隨著生產(chǎn)發(fā)展而降低外，在LED照明單元的封裝型式上還期待通過(guò)突破性變革，來(lái)提高光效并降低成本。

設(shè)想的一種構(gòu)造是：芯片陣列式直接散熱布局的多透鏡一體化面積型照明封裝。

通過(guò)將許多LED芯片分散集成在一片較大的PCB上，并直接傳導(dǎo)散熱，會(huì)大大提高器件的熱性能。還避免了通?？赡墚a(chǎn)生的LED焊接損傷。多透鏡一次性封裝，能保證二次光學(xué)處理的精準(zhǔn)效果，同時(shí)也降低成本。

三、光學(xué)處理和整體結(jié)構(gòu)部分

LED照明燈的光學(xué)指標(biāo)除了光通量、顯色指數(shù)外，還有對(duì)眩光的要求。前者決定于LED本身的品質(zhì)特性，而眩光的感觀是因光源中光強(qiáng)分布不均，局部有特別強(qiáng)的光引起刺目所致。LED是點(diǎn)光源，所以由多顆LED組成的照明燈應(yīng)該有二次光學(xué)處理。作者多年前看到過(guò)歐洲制造的交通信號(hào)燈的一種結(jié)構(gòu)：由八顆功率LED分布組成的光源經(jīng)過(guò)二次光學(xué)處理的一張薄光片后，就使出光面的亮度做到非常均勻，絕無(wú)眩目的感覺(jué)。過(guò)去我們?cè)谕瓿晒鈱W(xué)設(shè)計(jì)后，有時(shí)還需要多次設(shè)計(jì)、開(kāi)模具試光修正，很費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢(qián)。而現(xiàn)在光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，應(yīng)用ZEMAX、TRACEPRO等軟件，便于非成像光學(xué)類(lèi)型的二次光學(xué)設(shè)計(jì)。所以二次光學(xué)處理應(yīng)該是LED照明燈的不可或缺的部分，即使要減少5%的光效，增加5%的成本，換來(lái)所需范圍的均勻照度和舒適不眩目的光感，也完全值得。[!--empirenews.page--]

通常的白光LED器件光的色溫多數(shù)偏高，故顯色性指數(shù)就低，既會(huì)使人不易看清物體的本色，又要影響眼睛的視覺(jué)舒適性。能做一下加法添些紅光最好，但需增加器件、費(fèi)用也大。在替代白熾燈的LED照明燈中必要時(shí)也可做點(diǎn)減法，那些使人不舒服的光線成分實(shí)際成了光污染。用色片濾除不需要的色光成分，就可提高顯色性能。雖然在測(cè)試光通量時(shí)會(huì)顯得少一些，但去除這些有礙的光線成分后，不至于就降低實(shí)際視覺(jué)光效，對(duì)觀感效果反而有益處。

替代白熾燈的LED燈有時(shí)為了要做得像白熾燈，就將LED的光布置得向球面各方照射，真難說(shuō)不是弄巧成拙。記得白熾燈應(yīng)用的前期，因?yàn)樯酗@精貴，往往就配以各種燈罩，既避免直射的光線刺目，又能顯現(xiàn)燈具的多姿多態(tài)。從光學(xué)上看是使光線集中照射，效果更佳。但是當(dāng)各類(lèi)新穎照明燈紛現(xiàn)，白熾燈成為最普通、最低檔的照明時(shí)，隨便用個(gè)裸燈泡照明就習(xí)以為常。如要以此為準(zhǔn)，顯然有悖常理。

LED照明燈如以燈罩為結(jié)構(gòu)主體，能使螺旋燈頭、驅(qū)動(dòng)電路、LED照明單元、二次光學(xué)片、反光罩、通風(fēng)散熱通道等有機(jī)地共聚一體，實(shí)用、安全也經(jīng)濟(jì)。

實(shí)現(xiàn)社會(huì)價(jià)值需要政、商、科、技的融洽

有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，自主創(chuàng)新要能完美地實(shí)現(xiàn)，應(yīng)包含三個(gè)『自主』 。除了『自主』創(chuàng)新的科學(xué)思維外還應(yīng)有『自主』的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和『自主』的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

對(duì)照檢查一下市電LED 照明自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器：

一、既不是用傳統(tǒng)的模擬技術(shù)控制方法，也不用PWM 方式、電荷泵型式，更不是開(kāi)關(guān)電源的工作模式。而是應(yīng)用了與現(xiàn)有控制技術(shù)都截然不同的，完全『自主』創(chuàng)新的市電自適應(yīng)恒流技術(shù)。

二、獨(dú)立創(chuàng)造的市電自適應(yīng)LED 恒流控制技術(shù)，并非由其它專(zhuān)利技術(shù)的派生或發(fā)展而得，當(dāng)然完全可擁有『自主』的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

三、所創(chuàng)新的IC電路采取業(yè)內(nèi)低壓通用制造工藝就可生產(chǎn)，很容易建立『自主』開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。

筆者認(rèn)為除了三個(gè)『自主』之外，自主創(chuàng)新還需要有機(jī)遇。而只有科技發(fā)展和創(chuàng)新才是促進(jìn)目前世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的主要?jiǎng)恿?，因此是個(gè)長(zhǎng)期的機(jī)遇過(guò)程，明年的上海世博會(huì)以及業(yè)界的高層論壇、各類(lèi)展覽、大賽也都有機(jī)遇的可能。最近國(guó)家發(fā)改委宣布計(jì)劃在三年內(nèi)逐步用高效照明器具完全淘汰白熾燈的決定，購(gòu)買(mǎi)節(jié)能燈曾有過(guò)30～50%的財(cái)政補(bǔ)貼，是個(gè)實(shí)足的機(jī)遇，將成為市電LED照明燈發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力。

成就科學(xué)技術(shù)的社會(huì)價(jià)值是科技工作者的目標(biāo)，當(dāng)然不僅僅是追求價(jià)值的本身，更重要的是要實(shí)現(xiàn)對(duì)社會(huì)的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)。市電LED自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)照明器具產(chǎn)業(yè)，也需要政策的關(guān)注和工商業(yè)界的發(fā)展決斷及風(fēng)險(xiǎn)投資的助推。社會(huì)發(fā)展需要和諧，產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)離不開(kāi)各界的融合、融通及融洽。

附錄 SSL2101 參考資料

作者簡(jiǎn)介

章耀坤 66屆電子儀表專(zhuān)業(yè)，從事過(guò)電子元件產(chǎn)品性能試驗(yàn)，儀器儀表設(shè)計(jì)、制造、修理、計(jì)量等項(xiàng)工作，后任上海廣電凱歌洗衣機(jī)廠主工藝師，主設(shè)計(jì)師，上海廣電長(zhǎng)岱飲用水有限公司主設(shè)計(jì)師、副總工程師，現(xiàn)上海澳星照明電器有限公司退休工程師。

有一項(xiàng)非職務(wù)專(zhuān)利于首屆全國(guó)星火杯發(fā)明競(jìng)賽中獲獎(jiǎng);在上海市的一次專(zhuān)利技術(shù)應(yīng)用成果統(tǒng)計(jì)時(shí)，作者所創(chuàng)造的一項(xiàng)職務(wù)專(zhuān)利實(shí)施一年半內(nèi)就支持了企業(yè)獨(dú)占市場(chǎng)的產(chǎn)品產(chǎn)值逾1400萬(wàn)元。