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作者：茅于海 迄今為止，“光引擎”還沒有一個非常嚴格而又確切的定義，以致不少讀者還不知道到底什么是光引擎。有人把它定義為“LED光引擎(light engine)是指包含LED封裝(組件)或LED數組(模塊)、LED驅動器、以及其它亮度、熱學、機械和電氣組件的整體組合。該裝置要通過一個與LED燈具匹配的常規連接器直接連接到分支電路，該LED燈具設計成不使用標準燈座。”這個定義看上去好像很完整，但是往往會使人困惑，因為它還包括了“其它亮度、熱學、機械和電氣組件”。 其實可以非常簡單地給光引擎下一個定義：那就是凡是把LED光源和LED驅動電源結合為一個模塊的就可以稱為光引擎。更通俗一點的可以這樣來說，凡是把恒流驅動源放到LED鋁基板上去就成為光引擎。 有人把COB LED稱為光引擎，顯然是不對的！因為它沒有集成恒流驅動源，沒有“驅動”，怎么能夠稱為“引擎”？。 從電源的種類又可以分為直流光引擎和交流光引擎兩大類。不過，當前由于室內燈具開始大量采用光引擎，所以我們更多關注交流市電的光引擎。 那么是不是整個LED燈具也可以稱為光引擎呢？當然不可以。正如整個汽車不能稱為引擎一樣，引擎是汽車的動力總成，但是不等于汽車，還要加上外殼才能成為汽車。之所以需要有光引擎這樣的產品，是因為所有的燈具有各式各樣的外觀。有些燈具甚至可以稱為藝術品。就拿白熾燈來說，可以說它只有最簡單的燈泡一種形式，頂多再加上蠟燭燈或極小的圣誕燈。可是它的外形可是有各式各樣的。尤其是水晶燈更是各式各樣的工藝美術品，極其華麗。但是LED還必須加上極其復雜的恒流驅動源才能相當于一個白熾燈一樣工作（接上220V就可以亮）。如果把LED做成光引擎，它就也像白熾燈一樣接上220V就可以亮（當然還需要有與其相配的散熱器）。這樣一方面有助于標準化，另一方面也可以大大地便于外殼（和散熱器）設計者發揮其所能。 一．采用光引擎的好處 很多人認為推廣光引擎的主要目的是為了標準化以增加其互換性。其實這種標準化并不應該只從光引擎著手，而是應該在統一散熱器和光引擎之間的接口上著手。就拿LED球泡燈來說，需要統一的基本上就是光引擎和散熱器的尺寸，具體涉及到定位螺釘孔和散熱器的定位螺釘孔的尺寸位置。即使是這么具體的問題，也還有很多難處。因為它是和瓦數和散熱器的散熱能力都有關系。所以推廣光引擎不能只從互換性的好處來著眼。 可以說推廣光引擎的最大好處有以下幾個方面。 1. 降低 LED照明燈具廠家研發費用，縮短產品生產周期 因為所有LED燈具的光學和電氣指標都由光引擎生產廠家制定了。甚至還推薦了相應的散熱器。燈具廠家只要把光引擎安裝到散熱器里面去就可以了。燈具廠商甚至不需要經驗豐富的光學、電子工程師，也不需要購買昂貴的光學和電子儀器設備。換句話說，光引擎可以大大降低LED燈具廠的準入門限，但卻不會因此而降低LED燈具的產品質量。當然這要求光引擎的生產廠家本身就要有極高的水平才行。 2. 推廣光引擎可以大大加速LED燈具的推廣 最近幾年隨著白熾燈的禁產，LED燈具即將迎來爆炸式的增長。LED燈具廠如雨后春筍般的大量涌出。這雖然是一種必然趨勢，但是也帶來了很多問題，尤其是表現在LED燈具的質量上的良莠不齊和各個廠商之間的無序的價格戰。LED光引擎的出現可以在很大程度上解決這類問題。因為質量是由幾家生產光引擎的大廠決定，價格也不可能有太大的出入。這就大大地減少了由無序競爭而引起的內耗。有助于LED燈具產業的高速發展。 3. 提升了LED燈具的整體性能 例如提高了整體光效（lm/W），這里是指包括電源效率在內的整體光效，當然對于整燈來說也還應當包括燈罩的透光率（不過這不是由生產光引擎的公司負責，而是由生產散熱器的公司負責）。也可以提高色溫，顯色指數等指標。 4. 降低了成本 至少可以省去了恒流驅動源的印制板，及其生產成本。 目前來說，最簡單而最重要的就是用于LED球泡燈的光引擎。下面我們就來看一下這種光引擎的構成。 二． LED球泡燈的光引擎 對于球泡燈來說，它的構成已經是非常接近標準化的了。它主要是由三大部分構成：LED光源、恒流驅動電源、散熱器和外殼（包括燈頭和燈罩）。 
圖1. LED球泡燈的構成 所以如果就拿LED球泡燈來說，如果要做成光引擎就必須把它的電源板和LED板合成為一塊板，可以看出其難度是很大的。 一． 開關電源不適合做光引擎 開關電源雖然性能比較好，效率也比較高，但是最大的缺點就是元件數目非常多，要和LED燈板集成在一起有很大難度。有人就曾經試圖這樣做，其結果是非常擁擠（見圖2）
圖2. 采用開關電源的光引擎板 從這張照片可以看出，整個開關電源幾乎占據了70%以上的面積，而把LED的空間減到最小。這種結構顯然是不可行的，因為它不但減小了LED的發光面積，也擋去一部分光線。而且最大的問題是減小了LED的散熱面積。圖中看來可能是5個1W的LED。如果要做成9W或10W的球泡燈更是完全不可能實現的了。 二． 線性電源可以減少元件數但效率過低 為了減少元件數，最簡單的方法是改用線性電源，通常線性電源只有5-6個元件，這樣就可以大大減小所占用的面積。目前市面上的光引擎大多數都是采用無電解電容的線性恒流源，無電解電容方案是美國ExClara公司于2011年8月提出來的，以后有6-7家公司模仿他們的思路開發出類似的芯片。它的基本原理就是在輸入交流電壓波形的不同值時接入以不同恒流值驅動的LED串，以得到和交流整流以后半個正弦波形相匹配的電流波形，從而可以得到接近于1的功率因數。這個可以從這種芯片的內部結構圖和波形圖來理解。圖3就是美國Supertex公司的CL8801芯片的內部結構圖。
圖3. CL8801的內部結構圖 圖4. 電流和電壓波形圖 它的電流和電壓波形如圖4所示。由圖中可以看出，當交流電壓上升至某一值時第一個開關接通，第一串LED導通，同時選用第一個恒流源；繼續上升至更高值時第一個開關斷開，第二個開關接通，第一串連同第二串LED以更高電流的第二個恒流源導通，以此類推，最后一串導通時間最短，但導通電流最大（最后一個恒流源）。從而形成一個接近于電壓波形（半個正弦波）的電流波形，從而得到最高的功率因數。但是也帶來一系列的缺點和問題（見后面）。 下面就是幾種采用無電解電容線性恒流源的光引擎。
圖5. 采用無電解電容線性恒流源的光引擎 這些都是無電解電容的線性恒流源的方案，達鑫的DS6622采用了一個橋堆一個壓敏電阻，3個電阻一個電容和兩顆IC（DS6622），一共8個元件，只占據了10%左右的面積。這種光引擎從占用面積來看，是一種可行的方案。然而它的缺點是和所有普通的線性電源一樣，按照ExClara給出的數據，當輸入市電電壓變化+/-10%時，其效率為84%-93%。而且還只允許市電電壓變化小于20%范圍內和LED電壓也必須在設計值的10%范圍內，否則效率會變得十分低下。在SU1203的規格書中給出了它的電源效率如圖6所示。
圖6. SU1203的電源效率和輸入電壓關系曲線 由圖中可以看出，在輸入電壓為200V時，其效率約為96%，而輸入電壓為245V時其效率約為80%。平均值約為88%，和220V時的效率相當。如果用190V時效率為100%（不可能！），260V時效率為70%，那么平均值為85%。歸納起來這種無電解電容方案的缺點和問題如下： 1. 效率低下，約為88%左右。 2. LED不是直流驅動，而是時通時斷，所以LED利用率低，最后一串LED的高脈沖電流也會影響其壽命。 3. 整體發光效率要比有電解電容低15%左右。 4. 電流波形接近半個正弦波，所以會有100Hz的閃爍。無法用于數碼相機照相和安保系統中。 三． 電源和燈板合并會引起嚴重的散熱問題 采用普通的線性恒流源是不是一種可行的光引擎方案呢？不是如此。雖然它解決了占用空間的問題，但是除了上面已經提到的缺點以外還有一個不能忽略的缺點，那就是散熱問題。雖然不管電源放在哪里，它的熱量總歸是要通過散熱器散到空間，但是當電源和燈板放在一起的時候，電源所消耗的功率會變成熱量而直接加到燈板上，就會增加燈板所需散去的熱量，這就會增高LED的結溫，降低其壽命。而且線性恒流源最大的缺點就是效率極其低下。所以這是一個極為嚴重的問題。 下面舉一個例子來說明這個問題。 假定一個10W的LED球泡燈，就是說其燈板上有9W的LED。或者說它需要9W的供電。采用無電解電容方案以后它的效率為84%-93%，平均值為88.5%。也就是它在供給8.85W的功率給LED燈板時，本身要消耗11.5%的功率，也就是消耗了1.15W的功率。那么如果這個電源也安裝到燈板上去，勢必要增加燈板的熱量，但是燈板增加了不止11.5%的熱量！為什么？ 因為8.85W的LED并不是這8.85W全部變成了熱，而是有一部分變成了光發出去。當前的LED的發光效率在30%左右。假定發光效率為40%，那么有60%的能量都變成了熱量，也就是有5.4W的熱量需要散發出去。現在又增加了1.15W，變成6.55W。也就是增加了21.3%的熱量。雖然本來的散熱器也需要把這部分熱量散發出去，但是現在把這部分熱加到了LED燈板。因為電源是放在燈板的電路面，而電路面要傳到散熱器需要通過兩個絕緣介質，一個是印制板的絕緣介質，另一個是鋁基板和散熱器之間的絕緣介質，所以電路面的溫度和散熱器的溫度是不同的，而LED是放在鋁基板的電路面的。也就是說由于電源放到了電路面就會使鋁基板的電路面熱量增加了21.3%，這會導致LED的結溫也升高21.3%。而結溫增加對壽命的影響到底有多大呢？這可以參看Cree公司給出的結溫和壽命的曲線（圖7）。
圖7. 結溫和壽命的關系曲線 這個曲線是以光衰至70%作為 壽命的標志，假如原來的LED結溫是85度，其70%光衰的壽命是3.1萬小時。現在結溫升高了21.3%，也就是升高到100度左右，它的壽命就從3.1萬小時降低到1.5萬小時，也就是降低了16,000小時。所以這種溫升對壽命的影響是相當嚴重的。如果本來聲稱壽命可以高達3萬小時，現在實際的壽命只有1.5萬小時。也就是說，這種無電解電容方案的光引擎會嚴重降低LED的壽命。 四． 閃爍效應 100Hz的閃爍效應可以在采用數碼相機照相時很明顯地看出來。下面的兩幅照片（圖8）左邊一幅是采用無電解電容LED燈具照的。右邊一幅則是采用有電解電容LED燈具照的。
圖8. 用數碼相機拍攝時無電解電容燈具出現黑色豎條紋 五． 首爾光引擎的實測結果 首爾半導體公司生產了一種光引擎Acrich2，從它的電路圖可以看出，它也是采用無電解電容方案的線性電源，其外形圖如圖9所示，電路圖如圖10所示。
圖9. 首爾半導體的Acrich2光引擎 圖10. Acrich2的電路圖 我們實測了它的參數：在220V時，其輸入功率為4.489W，總光通量為297.7 lm，發光效率只有66.3 lm/W，顯色指數為83.1，功率因數為0.975。可見其光效十分低下。而且隨著輸入電壓的增高，其效率還會進一步降低（見圖11a和圖11b）。
圖11a 輸入功率和輸入電壓的關系 圖11b 輸出流明和輸入電壓的關系 從圖11a中可以看出，當輸入電壓從220V增加到255V時，輸入功率增加1.2倍，而輸出流明只增加1.1倍。也就是光效會降低1.1倍。根據Acrich2的數據表，它的電源芯片的功率耗散為1W，而輸入功率為4.5W，所以它的電源效率只有78%。而且這個1W的功率加到LED鋁基板上，肯定會增加鋁基板的熱量，提高LED結溫，從而降低LED的壽命！它的唯一優點是功率因數高，但是由于它的功率小于5W，無論是美國的能源之星或是中國的國家標準都不要求功率因數。所以這個優點也是多余的！ 五．結論 目前幾乎市面上所有的LED光引擎都是采用無電解電容的方案，這種方案不僅存在效率低，增加燈板的熱量，降低LED的壽命，而且還存在有LED利用率低下，整體光效降低15%，而且還有100Hz的頻閃！ 由此看來要想使LED光引擎能夠成為現實的關鍵技術必須有極高效率的恒流驅動源，有了極高效率的恒流驅動源才有可能把電源放到LED鋁基板上去！現有的所有無電解電容方案都不是合適的光引擎方案！ （作者郵箱： maoyuhai@aliyun.com ） |
