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作者：顏重光 高工 最近幾年 LED 照明的迅猛發(fā)展，特別是景觀照明、北京奧運、上海世博會的大量應用LED 照明燈具，唯美的電光空前的震撼了世人的感官，在全世界普及了LED 照明，LED 照明的節(jié)能、高效、長壽、環(huán)保理念深入人心。由于目前的LED 照明燈具的成本還居高不下，LED 燈具與熒光節(jié)能燈的市場占有率大約分別是5%和95%，LED 照明燈具走進千家萬戶還需要3—5 年的時間。 目前的 LED 照明大多使用低壓LED 光源（LV LED），它的正向工作電壓VF 低，一般為3.2±0.2V，正向工作電流IF 大，標稱電流為350mA/1W 或700mA/3W。因此，需要特殊的開關恒流源供電，由此導致系統(tǒng)電路功率因數損耗，系統(tǒng)電路紋波增加；傳統(tǒng)燈具留給我們的空間很小，LED 光源的驅動電源在狹小空間里很難做好；LED 照明燈具內都必須附加交流轉直流（AC/DC）的電源轉換系統(tǒng)，在整流后需要有較大的降壓才能給低壓LED 光源供電，電能損耗很大，整個電源的效率很難提高；系統(tǒng)電路中變壓器耦合及電阻精度的誤差，以及與驅動IC 的配合度，往往使變壓器制造參數與理論值相差很大；驅動電源的紋波去除和電能儲能需要鋁電解電容器，而鋁電解電容器的低壽命又成了LED燈具長壽命難于逾越的鴻溝；LED 光珠無輻射散熱功能，需要傳導散熱，必須使用散熱器，因空間有限而散熱困難，LED 整燈散熱至今還是一個巨大的瓶頸；LED 光珠散熱不暢、不及時將導致LED 光珠早期光衰；大量的使用散熱器將增加LED 照明燈具的成本和自身重量。。。雖然，諸如此類的種種困難均在我們LED 燈具設計工程師的努力改進之中，但是追求優(yōu)良的產品性能和產品的成本控制一直是在矛盾之中。 HV LEDs 模組原理 高壓 LEDs 光源的成功生產為LED 照明燈具開辟了一個新的視野，開創(chuàng)了一片新天地。高壓LEDs 模組光源（HV LEDs），它的正向工作電壓VF 相比LVLED 是高壓的，可以人為的在生產時設計控制，HV LEDs 是在同一芯片上的模組，它在生產時已完成PN 結的片上串聯(lián)，因此整個模組的VF 比較高，可設計成25V、35V、45V、50V。。。270V/DC，是LV LED 的十倍、幾十倍。正向工作電IF=20mA，與LV LED 的350-700mA 相比，工作電流減少百多倍，HVLEDs 發(fā)熱量因此大大降低，基本解決LV LED 散熱的瓶頸，大大減少散熱鋁的使用量。系統(tǒng)電路不需要專門的AC/DC 的開關恒流源，有效降低功耗和成本。 以HV45 為例，技術參數比較理想，VF=46.9V、IF=20mA、Pin=0.94W、Flux=126 lm、CIEx=0.3524、CIEy=0.4332、CCT=5000K、Efficacy=134 lm/W。HV45 是一顆在同一芯片上生成的LEDs 模組，芯片結構如圖1 所示，圖中可見有16 顆LED 的PN 結在同一芯片上串聯(lián)，是芯片在生產時生成。片中黃色箭頭是LED 的PN 結間的互聯(lián)端，將16 顆LED 的PN 結串聯(lián)，所以HV45 的VF=46.9V-DC 是16 顆LED 的PN 結的VF 值相加。左下端和右上端分別是整個LEDs 模組的二個引出線端。 
圖 1 HV45 LEDs 模組芯片結構圖 HV LEDs 光源可以是藍色的、紅色的或白色的，按實際需要設計生產。在LED 燈具設計時，可以考慮各種顏色HV LEDs 光源的搭配組合，以求需要的發(fā)光效果，LED 燈具設計師的自主空間和產品變換空間相當大。如將四個1W 的藍光HV45 的HV LEDs 與二個0.7W 的紅光HF25B 的HV LEDs 串聯(lián)，即可設計成5.4W 的光源，VF=270V-DC，IF=20mA，發(fā)光效率 105 lm/W@5.4W、3000K，色溫指數90。較采用傳通的紅色熒光粉提高30%的發(fā)光效率。高壓、超高亮度紅光LEDs(HF25B) + 高壓藍光LEDs (HV45) 合成高顯色、超高亮度暖白光（圖2）。加入紅光LED 后的高顯色暖白光光譜如圖3 所示。
圖 2 六個HV LEDs 串聯(lián)應用
圖3 加入紅光LED 后的高顯色暖白光光譜 HV LEDs 基本結構及關鍵技術 HV LEDs 基本架構和AC LED 相同，即是將晶片面積分割成多個細小單元PN 結之后串聯(lián)而成。其特色在于，晶片能夠依照不同輸入之電壓的需求而決定其細小單元PN 結數量與大小等，等同于做到客制化的服務。由于可以針對每顆細小單元PN 結加以優(yōu)化，因此能夠得到較佳的電流分布，進而提高發(fā)光效率。 HV LEDs 和一般LV LED 在技術上最主要的差異有叁，第一為開溝槽(Trench)，溝槽的目的在于將N 顆的細小單元PN 結獨立開來，因此其溝槽下方需要達到絕緣的基板，其深度依不同的外延結構而異，一般約在4~8um，溝槽寬度方面雖無一定的限制，但是溝槽太寬代表著有效發(fā)光區(qū)域的減少，將影響HVLED 的發(fā)光效率，因此需要開發(fā)高深寬比的制程技術，縮小制程線寬以增加發(fā)光效率。 第二為絕緣層(Isolation)，若絕緣層不具備良好的絕緣特性，將使整個設計失敗，其困難點在于必須在高深寬比的溝槽上披覆包覆性良好、膜質緊密及絕緣性佳的膜層，這也是單晶AC LED 制程上的關鍵。 第三個是細小單元PN 結晶片間的互連導線(Interconnect)。一般而言，要做到良好的連結，導線在跨接時需要一個相對平坦的表面，一個深邃的階梯狀結構將使得導線結構薄弱，在高電壓、高電流驅動下容易產生毀損，造成晶片的失效，因此平坦化制程的開發(fā)就變得十分重要。理想的狀態(tài)是在做絕緣層時，能一併將深邃的溝槽予以平坦化，使互連導線得以平順連接。此外，HV LEDs 在應用上和一般低壓LV LED 最主要的不同點為，它不僅僅能夠應用于恒流(Constant DC)的系統(tǒng)電路中，也可以外接橋式整流器，直接應用于交流環(huán)境，非常具有彈性。在HV LEDs 中，外部整流器捨棄AC LED 採用同質氮化鎵的做法而改採用硅整流器，不僅使得耗能少，更可防止逆向偏壓過大對晶片所造成的影響；HV LEDs 較AC LED 少了內部橋整流的發(fā)光區(qū)，使發(fā)光效率相對較高，耐用度也較好。 HV LEDs 應用技術 HV LEDs 應用技術相比于LV LED 的應用技術而言是十分的簡單，HVLEDs 的典型應用方案：AC → 整流橋堆 → 電流調節(jié)二極管 → HV LEDs ，沒有線路復雜、體積臃腫的驅動電源，沒有短命的鋁電解電容器，沒有大的散熱器。整個系統(tǒng)電路，只用了一個整流橋堆，一個電流調節(jié)二極管（CRD=CurrentRegulation diode），如圖4 所示。
圖 4 HV LEDs 簡潔的應用電路 系統(tǒng)電路的整流橋堆將來自電網的交流電（AC）變換成直流電（DC），電流調節(jié)二極管（CRD）穩(wěn)定電流，滿足HV LEDs 需要一個恒定的IF 電流要求。 采用高壓 LEDs 來開發(fā)LED 通用照明燈具產品，由于無AC/DC 電源、無變壓器、無電阻等，總體功耗可以大大降低，采用小電流工作從而大幅降低對散熱外殼的設計要求。以高壓藍光1W LEDs 為例，它的正向壓降高達50V，也即它只需20mA 驅動電流就可以輸出1W 功率，而低壓LED 正向壓降為3V 的1WLED，需要350mA 驅動電流才能輸出1W 功率，因此同樣輸出功率的高壓LEDs在工作時耗散的功率要遠低于低壓LED，這意味著散熱鋁外殼的成本可大大降低。高壓LEDs 可以帶來LED 照明燈具成本和重量的有效降低，但其更重要的意義是大幅降低了對散熱系統(tǒng)的設計要求，從而有力掃清了LED 照明燈具進入室內照明海量市場的最大技術障礙。 HV LEDs 與LV LED 應用電路不同 HV LEDs 與LV LED 應用電路不同從圖5 可以很清楚的比較，LV LED 在LED 照明燈具里必須使用AC/DC 的驅動恒流電源，因為LV LED 的VF=3.2V、IF=350-700mA；HV LEDs 在LED 燈具中的應有只需一個AC/DC 的整流橋堆和一個電流調節(jié)二極管，因為它的VF=50-270V、IF=20mA；相比應用成本和應用空間都很小。
圖 5 HV LEDs 與LV LED 應用不同 HV LEDs 與LV LED 市場前景 HV LEDs 由于應用技術簡單，系統(tǒng)電路使用周邊元器件佷少，適用需要低價的家用照明海量市場，很有可能主導未來通用照明市場；LV LED 可以在燈光的顏色、亮度等方面作多種技術設計和調整，適用于商業(yè)照明市場，如商場、酒店、賓館等公共商業(yè)場所。 隔離、非隔離電路方案與安全之爭 隔離、非隔離電路方案與安全之爭在近幾年的 LED 照明燈具的電路方案中爭論不休。其實自白熾燈發(fā)明和進入千家萬戶點亮照明的百年以來，雖是地道的非隔離方案，但一直是比較安全的，人們不會在白熾燈點亮時用手去摸弄它，除非電工師傅。因此非隔離的電路方案燈具產品也占有很大的市場份額。LEDs 目前的應用電路雖是非隔離電路方案，但是它的應用電路簡潔、占用空間很小、生產成本較低，應當是進入千家萬戶照明海量市場受歡迎的新一代LED 照明產品。 是否需要配套高壓恒流源驅動集成電路 針對目前 HV LEDs 的簡潔應用電路，是否需要配套高壓恒流源驅動集成電路？以便按照LED 需要恒流源才能可靠工作的原理，應當引起我們LED 照明工程師和集成電路設計制造商的關注，LED 照明畢竟是一個世界級的巨大市場。看來是很有必要開發(fā)一批適用于HV LEDs 的高壓恒流驅動集成電路，以提高HVLEDs 應用電路的恒流精度和穩(wěn)定性、可靠性，值得集成電路設計公司去創(chuàng)新設計，創(chuàng)造新一代電源集成電路產品。 LED 照明三箭并矢共爭繁榮 傳統(tǒng)的 LV LED 用恒流源驅動發(fā)光的方案、AC LED 用AC LED 光源兼做整流和發(fā)光體的方案、HV LEDs 使用整流橋堆和CRD 穩(wěn)流使高壓LEDs 發(fā)光的方案，這三種LED 光源產品及其LED 照明燈具產品都將在近三五年內盛行，共爭市場繁榮（圖6）。世界社會將在分享它們的給人類帶來的恩澤。HV LEDs 雖有如上優(yōu)勢，是否會在家用照明海量市場勝出，還需拭目以待。
參考資料 《綠色照明LED 燈具驅動技術》顏重光 2008-9-16 《發(fā)展迅速的AC直接驅動LED光源技術》顏重光 2009-02 《LED照明燈具市場營銷策略新思維》顏重光 2010-10-28 《晶元光電網上技術資料》 晶元光電 2011-05-08 《高壓LED 基本結構及關鍵技術介紹》晶元光電 2011-05-31 |
