資訊熱線：LED是否為通用照明做好了準備
“第一條，按計劃，大約明年3月份左右我們還會再上4條線。我還計劃把工廠的另一半用作應用開發，主要就做球泡燈，現在這個利潤很大。”去年才從貿易公司轉行LED封裝廠老板的李立，此刻正坐在他位于深圳坂田的辦公室里，描繪著他和另外3個投資人一同構建的正在實施的LED夢想。1,400平米的廠房顯得十分空曠，唯一的一條封裝生產線只占了大約50平米的空間。與之相比，位于廠房一角的辦公室就顯得有些局促，不小的空間里除了兩套寬大的老板桌椅、沙發、茶幾、飲水機外，四處都散落著有關LED的行業雜志、封裝好的LED光源以及LED球泡燈。
“我進入LED的時間不算早。不過說實話，這個行業現在簡直太熱了。不夸張的說，我剛把消息放出去，就有不少人主動來找我要給我投資，啟動資金的問題很快就解決了。”
“這個領域真的有點瘋狂，很多壓根什么都不懂的人也敢進入。前陣子我聽說一個朋友準備搞封裝，投資人找好了，廠房找好了，啟動的時候跟ASM聯系，才知道即便現在付全款，也要到2011年的5、6月份才能夠拿到封裝設備。結果，一切都不了了之。”
光從ASM的訂貨情況，大家就可想而知現在中國LED封裝的“熱度”.“只要需要發光的產品就是LED的商機”,誘人的LED前景，吸引越來越多的人爭前恐后地投身這個產業。當前，LED最具潛力的市場無疑當屬平板液晶電視、筆記本電腦和筆記本顯示器中的大尺寸LCD背光，但毫無疑問，通用照明才是LED的最終發展目標。目前，在LED通用照明市場還未真正啟動之前，LED球泡替換燈將成為照明市場最主要的增長領域。然而，市場上大量出現的LED球泡燈，等同于真正意義上的固態照明（SSL）嗎？LED是否真的為通用照明做好了準備？
LED通用照明首先面臨四大挑戰
美國能源部曾表示：固態照明是50年來照明領域最具破壞性的創新技術。有不少業內人士對此表示認同，并認為LED是顛覆性產品，是要革它原來產品命的。但事實上，LED進入通用照明市場，依然面臨四大挑戰，它們分別是：光品質、光效表現、可靠性以及簡單化。
飛利浦亞洲地區營銷總監周學軍對此解釋道：“LED的光品質與傳統照明相比仍有差距；光效表現還有部分應用無法覆蓋；由于LED照明可靠性由芯片、電、光、熱、機械、互聯部分等多個因素決定，因此無法保持足夠的光輸出流明維持壽命；由于缺乏統一標準，現在市場上的LED照明產品五花八門，復雜性也阻礙了其短期內很難被更多受眾接受。”那么，目前市場上有哪些提升LED光品質和光效的方案？
光品質通常我們談到的光品質主要指光分布、光角度與陰影，以及演色性。這里，周學軍特別強調設計人員要注意：不同LED顆粒間的光色是否一致？隨著時間推移不同顆粒的變化是否一致？一顆LED在不同角度是否存在色差？顯色指數表現如何？
LED的整個封裝工藝流程包括兩個重要步驟：利用金線對芯片和管腳進行鍵合，以及進行熒光粉涂布。這兩個步驟都會對LED造成色差，特別是金線會擋住光路，如果操作不當可能會對芯片造成隱性裂痕，從而形成芯片斷裂隱患。為了解決這些問題，Philips Lumileds最新推出的LUXEON Rebel LED系列采用了最新TFFC（薄膜倒裝芯片技術）和獨有的Lumiramic熒光技術。
據周學軍介紹，TFFC技術的電極在電路板后面，表面無縱橫布線，因此物理結構更好。而Lumiramic熒光技術利用陶瓷熒光板代替熒光粉直接粘結到芯片上，使得表面完全平整，不會有凹凸和不均勻，因此從根本上避免了傳統封裝法因不均勻的熒光粉涂布而導致的大多數LED在偏離中心視軸的角度顯示出顏色的不一致。“此外，采用Lumiramic技術還可以將白光分bin（分檔）的范圍縮小至原來的1/4.”周學軍補充道。
目前，對于照明行業特別是照明設計來說，最頭疼的問題莫過于分bin.對于一些有經驗的LED制造商來說，通常的做法是在所有檔中使用白光LED的整個輸出范圍。然而，在特定CCT（相關顏色溫度）下，根本無法低成本生產出具有高一致性的白光LED,其主要原因在于藍光LED芯片的波長和熒光粉的涂布工藝。因此，制造商可能會混合使用多個分bin的LED,但是這樣一來，產品的應用范圍受到限制，既增加了生產工藝的復雜性，又產生了更多存貨。Cree公司對此的解決方案是EasyWhite bin,該方案采用Cree的多芯片XLamp MC-E LED,MC-E芯片采用四芯封裝發，由Cree挑選四顆不同特性的白光LED芯片（上覆有熒光粉）并封裝好，混合后的白光輸出能達到預期色溫，而且遠小于ANSI規定的標準范圍。
光效表現 就像半導體行業的摩爾定律一樣，LED行業也有一個Haitz定律，即LED亮度大約每18-24個月提升一倍，而在今后10年內，預計亮度可以再提升20倍，成本則將降至現有的1/10.今天，市場上1美金大約可以買到100-150流明，美國能源部預計2020年這個數字將達到1000流明。
LED發光效率如何提高？首先來看封裝。目前，市面上LED光源最為常見的是直插式和貼片式。深圳市長光半導體照明科技有限公司技術副總監朱嘯天則認為，這兩種封裝方式的散熱出口截面積較小，而且一次出光口通道狹窄，利用率相對不高。根據LED的出光特點，長光半導體設計了扁平化的一次光學通道，形成了平面光源陣列式芯片，可以最小化光學損失。對此，朱嘯天解釋道：“像SMD的3528或505光源，使用玻璃纖維或塑料做基板，底部沒有跟任何金屬連接。平面光源陣列式芯片則采用了基于多芯片集成COB直接封裝技術，光源使用的鋁基板可以將更多熱量通過直連散熱散發出去。”據悉，目前該公司擁有完全自主知識產權的LED面光源技術光效已達130lm/w,整燈光效已大于100lm/w.
除了封裝，芯片結構、正向電壓等因素也十分關鍵。正向電壓如果能被控制在一個非常小的范圍內，就可以獲得很好的光效。在這部分，還要特別注意如何解決droop現象。眾所周知，電流密度的增加會使LED（主要指藍色、綠色等將InGaN作為發光層的LED）發出更多的光，但與此同時光效也會隨之下降。當前，芯片設計公司正在努力尋求解決方法，盡可能使光效與電流增加呈正比。也就是說，在一平方毫米面積上，以光效無損為前提得到更多光，而不是靠提高die尺寸。當然，冷熱系數（LED在100°C結溫和25°C結溫時的燈光輸出比值）的提升也有助于簡化散熱系統設計，從而降低最終應用中的每流明成本。
如何解決“熱”問題？
LED抗熱性的重要已成為業界共識，這個問題對于LED通用照明同樣存在。對此，周學軍曾生動地比喻道：“LED就像是一個雪人，冷的時候很漂亮，但是一熱了就會融化，變得很難看。”
“LED系統設計中的熱管理很重要，因為相當部分的電能轉換成了熱能。”安森美半導體電源及便攜產品全球銷售及營銷高級總監鄭兆雄表示，“要解決好散熱問題，需要提升驅動電源的轉換能效和應用更高光效的LED,采用提供強固熱故障保護性能的LED驅動芯片和散熱性能更好的驅動芯片封裝，以及散熱性能更好的LED基板等。此外，為了提高系統可靠性，還需結合其它手段，如采用額定工作溫度更高的更好外部元器件，以及采用環境光傳感器以減少電能消耗和發熱量等。”
美國國家半導體（NS）亞太區市場經理黎志遠認為：受實際操作環境影響，LED的內部溫度確實可能會飆升至極高水平。一旦LED的溫度升越閾值，進入非安全區，那么LED的壽命及照明效果便會受到影響。而采用熱能回折電路則可以監控系統熱能，以免溫度失控。
NS的LM3424芯片正是一款這樣的產品，可為照明系統的LED設置溫度及斜坡斷點，確保LED停留在安全區內操作。如果出現過熱情況，LM3424的熱能回折電路便會減少流入LED的穩壓電流。減少的鎮壓電流會使LED的亮度也隨之下降，但仍然保持在工程師預設范圍內，直至操作溫度恢復到安全的操作范圍內。此外，NS還推出了一款大功率LED驅動器LM3464,采用該芯片的過熱保護系統解決方案可以監控LED散熱器/銅箔層的溫度：若LED溫度突然大幅飆升，過熱保護功能會調低輸出電流，避免LED在不正常情況下過熱受損，同時LED可保持一定的亮度。
上海龍茂微電子有限公司總經理茅于海指出，徹底解決‘熱’問題還有待LED發光效率的提高。深圳瑞豐光電子有限公司常務副總林常對此表示認同，他表示：“要解決熱管理的問題，首先從芯片方面就要提高光效，光效提高自然熱就小了。到了封裝，要考慮如何把熱量導出，同時還需要解決封裝材料的耐熱問題，材料不黃變，光衰減就沒有。而在應用端要做的，就是如何把熱導入到大自然環境中去，這里不燙就成了關鍵。三方面的設計人員都要做好自己應該做的事，這才是根本。針對不同的產品，解決方案一定不同。”據悉，目前瑞豐光電在封裝環節，已經能夠做到5000H零衰減。
LED驅動解決方案
對于LED照明應用來說，驅動電源部分的作用至關重要，因為如果驅動電源部分無法給予支撐，那么再高的LED光效也是浪費。可以這么說：高效的驅動電源是提高照明系統效率的有力保證。對此，茅于海特別指出：“LED設計中最大的問題是如何保證驅動電源的可靠性來匹配LED的長壽命。這方面必須深入理解可靠性的設計原理和具體方法，并懂得如何測試產品的可靠性。”
LED驅動電源的可靠性很大程度上與“熱”相關，如果散熱效果不佳，電路中電解電容的壽命將大大降低，從而嚴重影響LED產品的壽命。相關內容我們已經在上文進行了討論，下面我們將主要介紹其他可能存在的問題以及幾款最新的解決方案。
目前，由于LED燈具類標準的滯后，市場上LED驅動電源主要采取客戶定制的運作模式，因此LED燈具普遍存在電壓、電流、功率等級不規范，以及空間有限、散熱條件差、電源能耗影響燈具環境溫度等問題。飛兆半導體深圳分公司技術市場部經理錢家法表示，不同功率等級的LED應用可能遭遇不同的問題。例如，小功率應用可能由于空間太小導致驅動板無法安置，而安規距離不夠、恒流精度不夠、溫度太高等也是可能出現的問題；中功率應用通常采用PFC+PWM兩級架構，從而導致整體成本過高；而大功率對PFC和恒流的精度要求都很高，直接帶來的問題是電路復雜、零件多，PFC和主電流時序需要控制，而且效率低下。針對各種不同的應用場合，飛兆半導體推出了多種LED驅動器解決方案，包括用于室內照明的低功率反激式（PSR & SSR）方案、用于室外照明的大功率AHB和LLC方案，以及用于電視機背光照明的多通道驅動解決方案等等。
黎志遠指出，工程師在設計LED驅動電路的過程中最可能遇到的兩個問題是：如何通過電磁干擾檢定，以及電路之間的互擾可能造成工作不正常。NS的LM3402/4HV芯片針對DC-DC轉換器市場，不僅電源轉換效率更高，而且具有較強的抗電磁干擾能力。面向通用照明，NS推出的LM3445芯片可以利用三端雙向可控硅（TRIAC）調光器調控LED燈泡亮度。黎志遠表示：“只要采用LM3445解決方案，目前市場上普遍采用的傳統燈泡如A燈泡、PAR燈泡、天花射燈等都可改用LED燈泡。”
該產品與安森美的NCL3000功能類似。NCL3000是一款單段式功率因數校正TRIAC可調光LED驅動器，用于8W-25W功率的住宅及商業AC-DC供電LED照明應用，使用臨界導電模式（CrM）反激架構，以單段式拓撲結構提供大于0.95的高功率因數，因而省卻DC-DC轉換段。恒定導通時間CrM工作特別適合于隔離型反激LED應用，因為控制原理簡單，即使在低功率電平時，也能夠提供極高能效，這在LED照明領域很重要，目的是符合“能源之星”固態照明規范等各種規范要求及整體系統光效要求。
安森美另一款新的低電流LED驅動方案--NSI45系列雙端和三端線性恒流穩流器（CCR），使用了正在申請專利的自偏置晶體管（SBT）技術。這種方案比線性穩壓器更簡單，且成本更低，但性能相比電阻方案又大幅提升，填補了市場空隙。NSI45系列能夠在寬電壓范圍下保持亮度恒定，輸入電壓較高時保護LED免受過驅動影響，輸入電壓較低時仍使LED較亮，幫助減少或消除LED編碼庫存，以及幫助降低系統總成本等，非常適合低電流LED電流應用。
據英飛凌科技（中國）有限公司工業及多元化電子市場事業部銷售及業務開發高級總監石敬巖介紹，英飛凌最近也推出了一款支持調光功能的離線型LED驅動IC--ICL8001G,適用于住宅照明用高效LED燈泡。該產品采用彈性設計，能夠替代所有40W/60W/100W白熾燈泡以及所有典型的消費類照明應用。ICL8001G節能效果可達90%,支援多種已安裝的墻面調光器，同時也是唯一的整合功率因數校正（PFC）功能的主控式離線型LED驅動器解決方案。
雖然LED驅動市場主要由TI、NS、安華高、Linear、NXP等歐美企業，以及聚積、立锜、點晶、研晶等臺灣廠商占領，但是目前中國本土的幾家公司在該領域也表現的頗為活躍。例如上海龍茂微電子有限公司，就推出了各種功率LED所需的恒流驅動電源。“我們的優勢是掌握了核心芯片技術，此外我們還集中于路燈、日光燈、隧道燈等的調光技術，并擁有5項專利。”茅于海表示。據悉，龍貿已經量產的降壓型大功率LED恒流驅動模塊SLM2842J得到了業內不少好評，該模塊可以在輸入電壓為36V時驅動10串6并1W的LED,或者10串2并3W的LED,驅動功率高達60W,效率高達98%.只有1.2W的功率需要耗散，所以發熱很低，在60度以下。
針對室內照明的新一代LED模組
安森美的鄭兆雄認為LED照明設計過程中還有一項重要挑戰，那就是要保持照明系統或光源的不同組件有盡可能高的能效。“應該把光源看作是完整系統，將LED、用于散熱的散熱片、光學組件，以及電子驅動電路看成一個整體，確保每個組件的設計都提供最大能效。”他表示。
在實際操作中，瑞豐光電將上述觀念模組化，推出了室內照明模組化解決方案。“模組化就是將光源、散熱部件、驅動電源組成模塊批量生產，通過模具制造出標準化的LED照明產品。”瑞豐光電研發中心大功率LED模組開發部主管劉鑫表示，“盡管目前本土企業在LED外延片和芯片方面無法繞過國外企業的專利壁壘，但模組的批量生產具有價格優勢，特別對下游LED照明應用企業來說是一個不錯的選擇。”
現在很多企業在球泡燈中加入3520、5050等小功率LED光源用于室內照明，但產品往往存在眩光過強、熱處理不夠、壽命短、成本高、顏色差異大等問題。“我們認為，將傳統燈泡裝上LED光源，完全不等同于半導體照明。”劉鑫表示，“LED要想真正走入千家萬戶，就要發揮其優勢，而這應該是一個系統化工程，包括電源系統、LED光源、驅動系統、光學系統、外觀結構設計、散熱系統、智能控制系統等多個方面。”
正如前面提到的，光品質包括演色性、空間均勻性、色彩一致性、無眩光等。瑞豐光電的模組光源解決方案，通過植入色光LED芯片來提升整體光源的演色性，或單一演色性。“因為在LED光譜中，紅色和綠色這兩段較‘低',如果把綠光芯片和紅光芯片串在白光模組中，可以對演色性有非常本質的提升。”劉鑫解釋道。“由于整體光效靠白光來提升，演色性靠其他芯片的光去來提升，這樣做還有助于將光效與演色性分立。”
“空間均勻性和色彩一致性，首先通過對物料進行選擇與優化得以改善。”劉鑫表示。這里的物料選擇包括熒光粉和芯片。封裝時，可以利用設備去檢驗芯片以及熒光粉進料激發出的波長有多寬，從而檢驗來料是否符合要求。其次是模組電源內電路的設計，要考慮到整個模組的串、并情況。第三是要進行嚴格的制程控制，包括最直接的，就是熒光粉涂布的方式以及多少，這對色彩一致性有很大影響。最后，還要進行物料可靠性控制。
隨著LED光效的提升，劉鑫認為眩光問題在今后的LED照明設計中將會更加凸顯。模組電源通過結構的優化設計，例如使用反射杯來降低眩光。而這也正是瑞豐光電在結構上的創新設計之一，加入反射杯，可以很大程度地減少每顆LED芯片發出光的損失，與此類似的還有加一次透鏡、表面粗化處理等，與模組結合都可以提高出光效率。
光的壽命包括兩個部分，一個是亮度壽命，一個是顏色壽命。亮度壽命直接影響到光源的運行成本，在壽命控制中，首先要考慮的是散熱設計。模組光源通過結構設計來解決這個問題。壽命和散熱有直接關系，包括芯片、原料，其最直接的壽命影響就來自于熱。藍光的出光效率和熒光粉，都跟結溫有很大關系。“一般情況下，LED的結溫每升高10度，其壽命就會降低一半。”劉鑫補充道，“模組在解決熱阻方面有其優勢。目前LED應用燈具的熱阻主要包括LED芯片、封裝材料、支架、貼到電路板上的熱阻、二次應用系統熱阻，如果能夠省去中間某個環節，其實就把整個應用過程的熱阻省了很大一部分。而使用模組解決方案，可以直接省去了支架熱阻和客戶買回去以后的再貼片熱阻。”
小結
LED通用照明除了文中提到的困難和挑戰，當然也離不開成本壓力。對此，飛兆半導體技術行銷部首席經理張三嶺表示：“在電視機市場中，LED背光照明的成本是可以接受的，因為產品必須符合能源之星和CEC等標準對降低總體功耗的規定。不過，對于室內照明和室外照明，LED照明的成本相對于傳統解決方案仍然高出很多。高可靠性是LED照明應用的關鍵因素，但這也會加重系統成本壓力。”
LED通用照明目前仍然處于市場初期，仍然有許多已經發現或尚未發現的困難需要解決。隨著中國本土企業對LED芯片的研發投入，以及國家標準的出臺，中國LED通用照明市場必將加速健康和規范發展。“目前LED照明在汽車領域，已經解決了除前照燈以外的全部應用。如果路燈應用成功，相信汽車前照燈的應用也會馬上得到普及。”瑞豐光電常務副總林常展望道，“屆時，LED也將作為普通照明進入千家萬戶。我認為這一過程會在5~8年。”
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