茅于海經(jīng)典設(shè)計(jì)之一種極高光效的LED光引擎

　　現(xiàn)在LED光引擎已經(jīng)是一個(gè)業(yè)內(nèi)很多人都知道的一種新產(chǎn)品，也知道它主要是把LED驅(qū)動(dòng)源和LED發(fā)光板集成在一起的模塊，但是可能對(duì)于這種光引擎到底有哪些優(yōu)點(diǎn)還不是非常清楚。

　　可以說(shuō)推廣光引擎的最大好處有以下幾個(gè)方面。

　　1. 降低 LED照明燈具廠家研發(fā)費(fèi)用，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期

　　因?yàn)樗蠰ED燈具的光學(xué)和電氣指標(biāo)都由光引擎生產(chǎn)廠家制定了。甚至還推薦了相應(yīng)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(jīng)驗(yàn)豐富的光學(xué)、電子工程師，也不需要購(gòu)買昂貴的光學(xué)和電子儀器設(shè)備。換句話說(shuō)，光引擎可以大大降低LED燈具廠的準(zhǔn)入門限，但卻不會(huì)因此降低LED燈具的產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)然這要求光引擎的生產(chǎn)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(chǎn)、禁銷，LED燈具即將迎來(lái)爆炸式的增長(zhǎng)。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(shì)，但是也帶來(lái)了很多問題，尤其是表現(xiàn)在LED燈具的質(zhì)量上的良莠不齊和個(gè)別廠商之間的無(wú)序的價(jià)格戰(zhàn)。LED光引擎的出現(xiàn)可以在很大程度上解決這類問題。因?yàn)橘|(zhì)量是由幾家生產(chǎn)光引擎的大廠決定，價(jià)格也不可能有太大的出入。這就大大地減少了由無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)而引起的內(nèi)耗。有助于LED燈具產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)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(nèi)的整體光效，當(dāng)然對(duì)于整燈來(lái)說(shuō)也還應(yīng)當(dāng)包括燈罩的透光率(不過這不是由生產(chǎn)光引擎的公司負(fù)責(zé)，而是由生產(chǎn)散熱器的公司負(fù)責(zé))。又如色溫，顯色指數(shù)，等也可以按需生產(chǎn)。而且在同樣的光通量時(shí)還可能降低功耗，進(jìn)一步節(jié)能。

　　4. 降低了成本

　　至少可以省去了恒流驅(qū)動(dòng)源的印制板，及其生產(chǎn)成本。實(shí)際上，由于采用COB LED，不但省去封裝。生產(chǎn)還可以高度自動(dòng)化，這就會(huì)大大降低生產(chǎn)成本。

　　一. LED球泡燈的光引擎

　　所有的LED燈具都是是由三大部分構(gòu)成：LED光源、恒流驅(qū)動(dòng)電源、散熱器和外殼(包括燈頭和燈罩)。

　　就拿LED球泡燈來(lái)說(shuō)，如果要做成光引擎就必須把它的電源板和LED鋁基板合成為一塊板，可以看出其難度是很大的。顯然

　　1. 開關(guān)電源不適合做光引擎

　　開關(guān)電源雖然性能比較好，效率也比較高，但是最大的缺點(diǎn)就是元件數(shù)目非常多(通常需要三十幾個(gè))，要和LED燈板集成在一起有很大難度。整個(gè)開關(guān)電源幾乎占據(jù)了70%以上的面積，而把LED的空間減到最小。它不但減小了LED的發(fā)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。

　　2. 線性電源可以減少元件數(shù)但效率過低

　　為了減少元件數(shù)，最簡(jiǎn)單的方法是改用線性電源，通常線性電源只有5-6個(gè)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(shù)都是采用無(wú)電解電容的線性恒流源，這種方案的缺點(diǎn)是和所有普通的線性電源一樣，其效率只有84%-93%，市電電壓越高效率越低。而且還只允許市電電壓變化小于20%范圍內(nèi)，LED串的總正向電壓也必須在設(shè)計(jì)值的10%范圍內(nèi)，否則效率會(huì)變得十分低下。此外LED的光效利用率也只有70-90%。另外還會(huì)有100Hz的閃爍。

　　3. 電源和燈板合并會(huì)引起散熱問題

　　采用普通的線性恒流源雖然可以解決占用面積的問題，但是另外一個(gè)不能忽略的問題，那就是散熱問題。因?yàn)楫?dāng)電源和燈板放在一起的時(shí)候，電源所消耗的功率也會(huì)變成熱量而加到燈板上，雖然電源本身的熱量也是要通過散熱器散發(fā)出去的，但是把電源放到燈板以上就會(huì)增加燈板所需散去的熱量，而且燈板到散熱器必須經(jīng)過鋁基板本身的絕緣層和鋁基板和散熱器之間的絕緣層，這兩層絕緣層的熱阻加大了鋁基板的散熱難度，這部分熱量就會(huì)增高LED的結(jié)溫，降低其壽命。而且線性恒流源最大的缺點(diǎn)就是效率極其低下，本身功耗極大。所以這是一個(gè)極為嚴(yán)重的問題。

　　根據(jù)計(jì)算假如原來(lái)的LED結(jié)溫是85度，其70%光衰的壽命是3.1萬(wàn)小時(shí)。對(duì)于1W的電源功耗會(huì)使其結(jié)溫升高了18.5%，也就是升高到100度左右，它的壽命就從3.1萬(wàn)小時(shí)降低到1.5萬(wàn)小時(shí)，也就是降低了16,000小時(shí)。所以這種溫升對(duì)壽命的影響是相當(dāng)嚴(yán)重的，原來(lái)3萬(wàn)小時(shí)的壽命，現(xiàn)在降低一半變成1.5萬(wàn)小時(shí) 。更何況線性恒流源的效率根本無(wú)法達(dá)到90%，而且在市電電壓高于額定的220V時(shí)，其效率急劇降低。也就是說(shuō)，任何采用普通線性電源做成的的光引擎會(huì)使LED的壽命至少降低一半以上。

圖1. COB LED光引擎

　　把這種光引擎加上散熱器和外殼燈罩做成LED球泡燈以后，對(duì)它的具體技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如下：

　　1.電源電壓：220V 2.輸入功率：7.698W 3.輸出流明：1014.7lm

　　4.整體光效：131.81lm/W(包括電源功耗和光罩損耗在內(nèi))5.色溫：6085K 7.顯色指數(shù)：85.2

　　更為可貴的是和普通的線性恒流源不同，這么高的發(fā)光效率可以在200V到235V的市電電壓變動(dòng)的范圍內(nèi)保持130lm/W不變!如果去掉光罩的損耗(0.9)，那么光引擎本身的光效高達(dá)146.45 lm/W

　　這種新型的COB LED光引擎具有更多的優(yōu)勢(shì)：

　　這種光引擎具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1. 驅(qū)動(dòng)恒流源集成到鋁基板上以后減少了一塊電源印制板，降低了成本，減少了工序，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

　　2. 因?yàn)殡娫葱侍岣撸拖喈?dāng)于提高了整燈的光效(lm/W)。這是因?yàn)檎麩艄庑П仨毧紤]恒流源的功耗。在采用相同光效的LED情況下，整燈光效可以提高10%左右。

　　3. 因?yàn)殡娫葱蕵O高，這樣還可以降低對(duì)散熱器的要求。這種對(duì)散熱器要求的降低是非常關(guān)鍵的。因?yàn)檫^去業(yè)內(nèi)一直有這樣的說(shuō)法，就是LED球泡燈的最大可能功率是9W。因?yàn)樯崞鞯耐庑伪仨毢桶谉霟舻睦嫘蜗嗨?，其所能散發(fā)的熱量就有一定的限制，9W的球泡燈已經(jīng)是其極限了。而采用這種光引擎以后就可以很輕松地實(shí)現(xiàn)9W球泡燈了。而且還能得到1,000流明以上的光通量。

　　4. 采用COB LED，省去了封裝，而且生產(chǎn)可以全部自動(dòng)化，降低了生產(chǎn)成本。

　　5. 如果鋁基板采用鍍銀或拋光而具有更高的反射率，其光效也可以比封裝后的LED更高。

　　6. 采用了環(huán)形COB LED，所有的LED盡可能分散排列而不是集中在一小塊面積之上，而且更加靠近散熱器，由于LED芯片直接固定于鋁基板上，所以熱阻更低，散熱效果好，壽命更長(zhǎng)。

　　7. 采用光引擎的結(jié)構(gòu)以后，機(jī)械上只要固定到散熱器，電氣上只有兩根市電電源線須要連接到燈頭，接口十分簡(jiǎn)單。

　　8. 由于整個(gè)光引擎出廠時(shí)已經(jīng)通過全部測(cè)試，所以對(duì)下游廠家要求十分簡(jiǎn)單，只要安裝上散熱器并焊兩根線到燈頭就可以了，不需要有任何復(fù)雜的電氣測(cè)試。所以很容易大量銷售至普通的生產(chǎn)廠家。

　　三. 用這種光引擎做成的球泡燈的國(guó)家測(cè)試結(jié)果

　　為了得到正式的測(cè)試結(jié)果，我們把這種光引擎做成球泡燈以后拿到中國(guó)“國(guó)家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(上海)”進(jìn)行了檢測(cè)。其檢測(cè)結(jié)果如下：

　　由檢測(cè)報(bào)告可知，1#樣品的總流明在輸入功率為7.9瓦時(shí)可達(dá)1000流明以上，其光效高達(dá)126.3 lm/W。必須注意的是它包括了燈罩的光衰，假如燈罩透光率是90%的話，那么光引擎本身的光效超過了140lm/W(126.3/0.9=140.3lm/W)。而且顯色指數(shù)也高達(dá)84.5。據(jù)該中心有關(guān)人員說(shuō)這是他們成立以來(lái)所測(cè)得的最高光效。

　　四. 和日本品牌LED球泡燈的比較

　　下面我們可以列出和日本品牌LED球泡燈的性能比較表：

　　從表中可見，我們埃菲萊的球泡燈總流明數(shù)和東芝的LDA9N-G相當(dāng)都是830流明以上，可以取代60W白熾燈。但是由于我們的光效高，所需的輸入功率比東芝的還要低2.3W，也就是說(shuō)，我們比東芝的類似球泡燈還要節(jié)省26%的電能！價(jià)錢低一半多！

　　五. LED吸頂燈光引擎

　　那么是不是光引擎只能用在球泡燈呢？不是這樣，可以說(shuō)它幾乎能夠用于所有類型的LED燈具。下面我們就先來(lái)看一下用于LED吸頂燈的光引擎。

　　我們知道LED吸頂燈和其他LED燈具一樣，需要由LED燈板和其恒流驅(qū)動(dòng)源兩部分組成，同樣，我們也可以采用COB LED來(lái)做吸頂燈的光引擎。這時(shí)我們采用長(zhǎng)條形的COB LED。其照片如圖2所示。

圖2. 采用COB LED的吸頂燈照片

　　其技術(shù)指標(biāo)如下：

　　1.額定電壓：220V， 2.輸入功率：16W 3.總光通量：1622lm 4.整體光效：101lm/W 5.色溫：3289K 6.顯色指數(shù)：80。 其整體光效(含恒流驅(qū)動(dòng)源)在200V到230V都大于100lm/W。

　　六. T5燈管光引擎

　　對(duì)于T8燈管來(lái)說(shuō)，市面上已經(jīng)有很多內(nèi)置電源的LED燈管了。因?yàn)樗膬?nèi)部空間很大，所以把電源放進(jìn)去也不是一件難事?？墒菍?duì)于T5燈管就不然了，因?yàn)門5燈管很細(xì)，內(nèi)部空間很小，很難把LED恒流電源也放進(jìn)去。所以市面上幾乎完全沒有內(nèi)置電源的T5型LED燈管，都是把電源和燈管做成一體化的帶燈座的異形燈管，這種燈管不能直接替換原來(lái)的熒光燈的T5燈管。而且本來(lái)T5型的LED燈管它的散熱就是一個(gè)問題，即使能夠把電源放進(jìn)去，更會(huì)增加其散熱的困難程度。

　　然而有了這種超高效率的小體積的LED恒流源，情況就完全改觀了。這種T5的光引擎的照片如下圖所示：

圖3. 用于T5燈管的COB LED光引擎

　　它有兩種光引擎，一種是帶電源的有源光引擎，還有一種是只是COB LED的無(wú)源光引擎，它們的長(zhǎng)度都是200mm左右。對(duì)一個(gè)1.2m的T5的燈管，一共需要1根有源光引擎和5根無(wú)源光引擎。由于它們都很窄，所以很容易安裝進(jìn)T5的燈管里。

　　這種樣品的實(shí)測(cè)結(jié)果如下：

　　1.額定電壓：220V 2.功率：12.2W 3.光通量：1340 lm 4.光效：109.8 lm/W 5.色溫：7467K 6.顯色指數(shù)：83

　　七. LED PAR燈的光引擎

　　同樣，這種LED光引擎也可以用的大功率的PAR燈里，圖4就是它的照片。

圖4. LED PAR燈的光引擎

　　它的性能指標(biāo)如下：

　　1.功率：26.88W 2. 光通量：2629.7 lm 3.光效：97.84 lm/W

　　4. 顯色指數(shù)：80.4

　　由此可見這么小的體積可以產(chǎn)生這么大的流明數(shù)，而且具有這么高的發(fā)光效率是極其罕見的。

　　八.高效光引擎的十大優(yōu)點(diǎn)

　　這種高效光引擎的優(yōu)點(diǎn)可以歸結(jié)如下十點(diǎn)：

　　1.把恒流源放到鋁基板上，去掉了電源印制板，減小了空間，降低了成本。

　　2.恒流源的高效率，可將整燈光效(lm/W)提高10%左右

　　3.提高電源效率，也減小了10%能耗，進(jìn)一步節(jié)能

　　4.電源芯片不需要帶散熱片的封裝，甚至也可以不用封裝，從而降低了成本

　　5.減少了整燈的熱量，如果采用同樣的散熱器，可以降低LED結(jié)溫，延長(zhǎng)LED壽命

　　6.恒流源一共只有5個(gè)元件，提高了電源的可靠性

　　7.采用環(huán)形COB LED，也進(jìn)一步改進(jìn)了散熱，提高了光效

　　8.整燈不存在電磁干擾EMI的問題

　　9.對(duì)外機(jī)械接口只有鋁基板尺寸和三顆螺釘位置，電氣接口只有兩根220V電源線，很容易標(biāo)準(zhǔn)化

　　10.簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過程，降低了生產(chǎn)成本，連同BOM成本的總成本降低50%左右

　　很多機(jī)構(gòu)都希望光引擎能夠促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化，但是迄今為止并沒有出臺(tái)過任何具體的指標(biāo)。對(duì)于球泡燈和吸頂燈甚至包括射燈，PAR燈等很多燈具來(lái)說(shuō)，其實(shí)真正需要標(biāo)準(zhǔn)化的只是其直徑尺寸和定位螺釘?shù)奈恢?。只要這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化了，各種光引擎就可以實(shí)現(xiàn)互換。

　　九. 光引擎的未來(lái)

　　光引擎能夠成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)必須有極高效率的恒流驅(qū)動(dòng)源，有了這種極高效率的恒流驅(qū)動(dòng)源才能夠把電源放到LED鋁基板上去!現(xiàn)在這已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)了!而且開發(fā)出了特高光效的光引擎!特別需要指出的是，前面所有的高光效光引擎產(chǎn)品都沒有采用Cree、OSRAM或日亞等大公司的超高光效也超貴的LED芯片，而是采用了臺(tái)灣生產(chǎn)的最普通的LED芯片而實(shí)現(xiàn)的!

　　LED燈具是一種新型的電光源，作為電光源如何能夠把電能最有效地轉(zhuǎn)化為光能。人們世世代代所追求的就是如何提高其光效，也就是發(fā)光效率。當(dāng)今全球變暖的嚴(yán)峻形勢(shì)迫使節(jié)能減排成為擺在我們面前的最重要的課題。而照明占用了13%的能源消耗。LED替代所有現(xiàn)有的電光源已經(jīng)提到了最迫切的議事日程上來(lái)。同樣是LED，如何千方百計(jì)地提高其發(fā)光效率也是非常重要的課題。

　　本文所介紹的光引擎，能夠在采用普通的LED芯片的基礎(chǔ)上提高光效達(dá)40%以上，可以說(shuō)是一種革命性的突破!如果能夠推廣到所有LED燈具上，就可以進(jìn)一步節(jié)能40%之多!這將對(duì)于我國(guó)以致全世界的節(jié)能減排是極其重要的貢獻(xiàn)!

　　此外，可以說(shuō)光引擎的未來(lái)非常光輝燦爛！因?yàn)樗鼘⒊蔀楦鞣N不同燈具的共同選擇，采用光引擎以后，不但降低了成本，提高了性能，而且統(tǒng)一了規(guī)格，保證了質(zhì)量。徹底結(jié)束了LED燈具市場(chǎng)的亂打價(jià)格戰(zhàn)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)局面，也徹底消除了廣大用戶對(duì)于LED燈具質(zhì)量參差，品質(zhì)惡劣的壞印象。可以說(shuō)，這種高性價(jià)比的光引擎的出現(xiàn)必將開創(chuàng)LED燈具的新時(shí)代！