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作者：顏重光 高工 最近幾年 LED 照明的迅猛發展，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 照明的節能、高效、長壽、環保理念深入人心。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，由此導致系統電路功率因數損耗，系統電路紋波增加；傳統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，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，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，是芯片在生產時生成。片中黃色箭頭是LED 的PN 結間的互聯端，將16 顆LED 的PN 結串聯，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，即可設計成5.4W 的光源，VF=270V-DC，IF=20mA，發光效率 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 結加以優化，因此能夠得到較佳的電流分布，進而提高發光效率。 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光區域的減少，將影響HVLED 的發光效率，因此需要開發高深寬比的制程技術，縮小制程線寬以增加發光效率。 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就變得十分重要。理想的狀態是在做絕緣層時，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)的系統電路中，也可以外接橋式整流器，直接應用于交流環境，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光區，使發光效率相對較高，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。整個系統電路，只用了一個整流橋堆，一個電流調節二極管（CRD=CurrentRegulation diode），如圖4 所示。
圖 4 HV LEDs 簡潔的應用電路 系統電路的整流橋堆將來自電網的交流電（AC）變換成直流電（DC），電流調節二極管（CRD）穩定電流，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，適用于商業照明市場，如商場、酒店、賓館等公共商業場所。 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定性、可靠性，值得集成電路設計公司去創新設計，創造新一代電源集成電路產品。 LED 照明三箭并矢共爭繁榮 傳統的 LV LED 用恒流源驅動發光的方案、AC LED 用AC LED 光源兼做整流和發光體的方案、HV LEDs 使用整流橋堆和CRD 穩流使高壓LEDs 發光的方案，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 |
