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蓝光"LED白炽灯"的设计思考

作者:  发布时间:2014-11-10 14:20:29  浏览次数:   来源:

【CENA中企盟】
 白炽灯(incandescent lamp)自发明至今全世界使用了100多年。白炽灯是将交流市电直接加在钨丝电阻上,使其发热而发光,从而照亮黑暗,使全世界数亿人口在夜晚有了电灯带来的光明与快乐生活,以及劳作的方便。
  白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态,利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年,美国的托马斯·爱迪生制成了碳化纤维(即碳丝)白炽灯以来, 经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进,白炽灯的发光效率也相应提高。但白炽灯的发光效率及其他光点参数比节能灯、卤钨灯等新光源差,正逐步被 新光源取代。2012年10月1日起,中国将禁止进口和销售100瓦以上普通照明白炽灯。
【专家思路】蓝光"LED白炽灯"的设计思考
  图1  百年白炽灯
  如何将LED灯设计制造得如同白炽灯一样应用方便?是摆在千百位LED照明灯具设计师面前的重大课题。
  蓝光"LED白炽灯"也许可以。
  蓝光"LED白炽灯"的设想
  2011年春夏,在设计"蓝光LED光引擎" 时已经联想到设计蓝光"LED白炽灯"的方案。
  鉴于传统的白光LED是直接在蓝光LED上涂覆黄磷荧光粉的,由于白光LED点亮后热量很高,黄磷荧光粉在长期高温熏烤下容易变性,导致用久之 后显色指数变差。在LED灯具内,如将黄磷荧光粉不直接涂覆在白光LED上,而是将黄磷染色在PVC灯罩上,在灯具内与蓝光LED保持一定的距离,两者叠 加使用,同样可求得LED灯具的白光或暖白光效果。由于黄磷滤色灯罩远离LED热源,因此,不会因LED光源的长期高温烧烤而老化变性,CRI(演色性) 基本不变;黄磷滤色灯罩的配方可调,灯光的颜色、色温可随客户的需要调制,可满足客制化的要求,生产差异化的产品。
  蓝光"LED白炽灯"沿用白炽灯的结构设计是为了方便传承百年来白炽灯的使用习惯,创新其内涵是赋予LED节能、无公害、长寿命的新技术。以蓝 光HV LEDs为光源,加上黄磷滤色灯罩。市电经AC/DC整流和恒流驱动电源变换,输出恒流直流电点亮蓝光LED光源,蓝光经黄磷滤色灯罩的过滤二次发光, 使"LED白炽灯"发出冷白光或暖白光。工作原理如图2所示。
【专家思路】蓝光"LED白炽灯"的设计思考
  图2  "新LED白炽灯"的工作原理
  蓝光"LED白炽灯"由于采用黄磷染色或喷涂黄磷的PVC灯罩,因此在未点亮时灯泡呈黄磷的黄色,当其上电点亮后发出冷白或暖白的白光。未点亮的蓝光"LED白炽灯"如图3所示。黄磷染色或喷涂黄磷的PVC灯罩是关键技术。
【专家思路】蓝光"LED白炽灯"的设计思考
  图3  未点亮的蓝光"LED白炽灯"
  LED光源的选择
  蓝光"LED白炽灯"的LED光源选择首选蓝光HV LEDs,这样可以用高压直流电直接点亮,可以简化电源和降低电源成本、减少电源占用的空间。
  HV LEDs是在芯片生产时在硅片上直接做成的片上系统(SOC)或称之为模组,这是LED芯片制 造技术上的一个革命性的进步。一个2吋硅晶圆片上,一次可生产几千个LED管芯,但是用通用的技术和工艺来生产,各个LED参数的离散性很大,所以生产之 后制造商需要逐个测参数分档,客户只能拿相邻的三档放在一单位(灯)里用,才能保证显示光色的一致性。HV LEDs在生产时使用新一代的工艺和高超加工技术,使同一硅晶圆片上的几千个LED管芯的参数完全一致,使之可以在芯片生产时很方便地就近组成SOC的 HV LEDs,如VF50V的模组上有16个LED,它们所有的电参数完全一样(图4)。这样的蓝光HV LEDs使用方便,成本可控。另有一种COB的蓝光HV LED,就是用前述的通用技术生产的、参数离散型较大的蓝光LV LED管芯,经测试数据后将相同参数的配置在一起,重新组合成一个光源体。由于需要对LED管芯逐个测试、配对、筛选、组合,还有不少参数分散的无法配对 组合使用,应当说生产成本会偏高。HV LEDs的工作电流20-60mA,与低压LED需要300-700mA电流相比,工作时发热相对要小一些。
【专家思路】蓝光"LED白炽灯"的设计思考
  图4  蓝光HVLEDs模组
  Energy Star要求LED球泡灯出光角度必须大于270度,因此LED光源的立体发光设计,是扩大灯泡发光角度的唯一解决方案。在球泡灯灯头上设计一铜质通心立 杆,在其周围和顶端安置LED灯珠或模块,这样可以设计尽可能大的角度的光输出,实现类似白炽灯的发光。铜质通心立杆可以帮助LED灯珠的散热,由于铜质 通心立杆的面积有限,蓝光"LED白炽灯"如求较大的发光角度,目前只能适用于3W的小功率球泡灯,它相当于25W的白炽灯。如牺牲球泡灯接近灯头的发光 区域,用来安装铝质散热器,则可以选用通用的低压蓝光LED串来设计5W、7W的蓝光"LED白炽灯"。铜质通心立杆LED光源分布设计,可以有多种方 案,而且因设计师而异,各有专利申请,关键技术就不细述了。
  蓝光HV LEDs驱动电源设计
  蓝光HV LEDs驱动电源目前有三种方式:
  1)恒流二极管(CRD)
  恒流二极管(CRD)是只能在一定的电压变化范围内向LED光源灯珠提供稳定电流的器件,相当于一个小恒流源或最大峰值电流的限制器。在电网小 波动时可确保一定的电流稳定。应用电路简单、成本低廉、占用空间很小,性能只能说比阻容降压电路好一点,在小负载和电网电压波动不大时,能满足LED恒流 的要求。电网电压有较大的波动时,就很难稳定输出电流。恒流二极管输出电流有限,一般在20-40mA,但能满足HV LED的高电压小电流的要求,HV LED需要的电流一般为20-60mA。CRD的应用电路十分简单,如图5所示,当LED需要电流较小如20mA、负载较轻时,可选用一个CRD;当需要 电流较大时,如30-60mA时,可如图用多个CRD并联,扩大电流。
【专家思路】蓝光"LED白炽灯"的设计思考
  图5  CRD的简单恒流电路
  2)高压线性恒流源驱动芯片
  线性驱动芯片可能是HV LEDs恒流驱动电源较好方案之一。EXC100是比较理想的芯片之一,应用线路十分简洁,周边零件很少(图6)。EXC100对于LED负载采用如图7 所示分段导通技术。EXC100芯片内置高压MOS管,应用电路无变压器、无电解电容器,周边电路零件很少。符合设计蓝光"LED白炽灯"小空间的需要。 但是EXC100在中国购买的价格太贵,用来生产普及型的LED照明灯具成本偏高,对产品的大批量销售不利。只有性价比好的产品才能通行天下。
【专家思路】蓝光"LED白炽灯"的设计思考
  图6  EXC100线性恒流驱动
  这几年来,我国本土集成电路的设计水平节节提升,而且产品有很好的性价比和市场竞争力,向下游厂家提供可用于生产的技术方案和技术支持比较到位。
  BP5118就是本土芯片设计公司专门为HV LEDs而设计生产的新的线性驱动电源芯片。BP5118 是一款高精度线性恒流LED 控制芯片,主要用于驱动由市电供电的高电压、低电流LED 灯串或模组。由于应用电路不需要电解电容器和磁性元件,LED 驱动电源可以实现小体积、长寿命,并符合EMI 规定。BP5118 采用专利的输入电压采样和LED 驱动机制,在输入电压变化时改变接入的LED 灯数,因此可以在整个交流周期内,增加LED 被点亮的时间,从而提高LED 的利用率和总输出流明数。为了适应不同的LED 灯串正向压降或者不同的市电电压(110V,220V),灯串切换电压可以通过外部分压电阻灵活设置。
【专家思路】蓝光"LED白炽灯"的设计思考
  图7  EXC100对于LED负载分段导通
  BP5118 可以通过外部电阻精确的设定LED 电流。在图8市电输入应用案例中,输入电压:200Vac ~ 260Vac; 47Hz ~ 63Hz;输出带载:LED1 134V, LED2 76V,LED3 76V;输出平均电流:22mA (设定最大电流30mA)。如果需要更高的输出电流,LED需要采用散热器或者并联外部功率MOS 管。BP5118 具有过温调节功能(Thermal Regulation)。当输入电压过高,或者LED 电流过大时,此功能将降低输出电流,从而限制温度上升,保护LED 驱动电源。
  BP5118的功率输出高压MOS管外挂,没有封装在芯片内,对LED灯珠的负载应用自由度较大。这是与EXC100的最大不同。
【专家思路】蓝光"LED白炽灯"的设计思考
  图8   BP5108高压线性恒流驱动电源的电原理图
  3)高压开关恒流源驱动芯片
  高压开关恒流源驱动芯片品种还不是很多,BP2812是可用的一颗。BP2812适用于非隔离的降压型LED电源系统,适合全范围的交流电输入 或12V-600V的直流电源输入。内置600V功率MOS管。临界模式工作,无需电感补偿。应用电路只需很少外围器件。芯片内带有高精度的电流取样电 路,专利的恒流控制技术,可实现高精度的恒流输出,和优异的负载调整率。系统效率达95%。采用源极驱动技术,芯片工作电流低至200uA,无需辅助绕组 供电。具备LED短路保护,CS采样电阻短路保护,芯片过温保护等多重保护功能。应用电路简洁,系统成本较低。
  图9是为图右下的晶元的HV LED设计的高压恒流驱动电路。
【专家思路】蓝光"LED白炽灯"的设计思考
  图9  BP2812高压开关恒流源驱动电源的电原理图
  由此可见,蓝光"LED白炽灯"选用高压线性恒流源芯片设计驱动电源是比较好的选择。
  蓝光"LED白炽灯"将成为LED照明灯具产品中的一朵奇葩,竞相争艳。蓝光"LED白炽灯"需要的的蓝光HV LEDs光源和高压线性恒流源驱动芯片已经有了成熟产品;黄磷滤色灯罩、LED立体发光灯柱还有生产工艺和设计技术的创新空间,因此可以衍生很多差异化的 新产品。LED照明市场是无限的。
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