藍光LED光引擎設計思考

LED照明市場呼喚LED光引擎

LED照明燈具的蓬勃發(fā)展，千軍萬馬競相加入，在全世界幾乎每天都有新公司誕生，特別是室內照明的海量市場，迫使傳統(tǒng)的照明企業(yè)試水加盟。LED照明燈具是一個電子產(chǎn)品，它不僅需要如傳統(tǒng)燈具那樣的結構、外殼，還必須給予各種串、并聯(lián)矩陣的LED 光源燈板、AC/DC 的恒流驅動電源、鋁或陶瓷等的散熱器，LED 照明燈具生產(chǎn)廠家需要聘請電子、光學、結構的設計工程師；而傳統(tǒng)的照明燈具只不過是一具電器產(chǎn)品，傳統(tǒng)燈具廠家主要設計、生產(chǎn)燈具的結構造型，發(fā)光源----燈泡是向專業(yè)廠買來插上就能用的通用件。

目前的LED 照明燈具設計五花八門、各行其道，給生產(chǎn)、使用和產(chǎn)業(yè)管理都帶來不便，特別是從傳統(tǒng)照明燈具廠轉型到LED 照明燈具廠，或剛進入LED照明行業(yè)的初始者，都會感覺不知所措，從何入手為好？剛剛進入LED 照明燈具的產(chǎn)業(yè)，為了降低風險和成本，往往只能從購買現(xiàn)成的LED 光源燈板、AC/DC的恒流驅動電源、鋁或陶瓷等的散熱器來拼裝。有很多傳統(tǒng)照明燈具廠的業(yè)主希望能如買燈泡那樣省力，買一個現(xiàn)成的“LED 光源+AC/DC恒流驅動電源”的模塊，放入其傳統(tǒng)燈具的殼體內就可華麗轉身為一款新的LED 照明燈具。現(xiàn)在夢想可以成真啦，LED 照明燈具專用的，LED光源和AC/DC 恒流驅動電源一體化的模塊--LED 光引擎已經(jīng)誕生，并可大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)照明燈具廠和新入門的LED照明燈具企業(yè)，可以很方便的將LED 光引擎用于新型LED 照明燈具的批量生產(chǎn)，從而加快了從新產(chǎn)品設計到量產(chǎn)的進程，大大縮短了新產(chǎn)品開發(fā)周期。LED照明市場呼喚LED 光引擎早日誕生，并盡快進入照明市場。

ZHAGA 聯(lián)盟

今天，LED 照明燈具設計者與用戶面臨的一個挑戰(zhàn)是，光源與驅動電路之間沒有標準化接口。歐洲的ZHAGA 聯(lián)盟發(fā)起了一場全行業(yè)的行動，為LED 光引擎開發(fā)標準進行規(guī)范。LED 光引擎是擁有規(guī)定接口的LED 模組，而這些接口與光引擎內部使用的LED 技術類型無關。

事實上，在2010 年2 月初，Cooper Lighting 、 Osram 、松下、飛利浦、東芝等在內的全球九家照明行業(yè)巨頭宣呀發(fā)起成立一個合作組織---ZHAGA 聯(lián)盟，目前參與成員已有25 家公司。

廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品可有互換性。為了配合LED 技術持續(xù)且高速的發(fā)展，藉由定義各種專用光引擎介面接口資料，ZHAGA 標準將涵蓋物理尺寸，以及LED 光引擎的光學、電氣與熱性能等，進而最終實現(xiàn)ZHAGA 聯(lián)盟內不同制造商之間產(chǎn)品的兼容性、互換性。

ZHAGA 標準的建立，將有助於防止不相容光引擎的市場分化，使消費者可以安心選擇和購買市場上具有可兼容性的LED 照明燈具a品，同時亦能持續(xù)享受LED 照明技術所提供產(chǎn)品效能的升級。此外，ZHAGA 標準的建立也會促進LED 照明應用領域技術的創(chuàng)新，并提升社會總體經(jīng)濟效益。ZHAGA 聯(lián)盟是一個開放的組織，會員可共享其IPR 智財權，開放照明產(chǎn)業(yè)內各公司的加入。該組織成員包括LED 光引擎和LED 燈具的生產(chǎn)廠商，也包括零部件供應商(例如散熱片和光學零部件)。

ZHAGA 聯(lián)盟推動LED 光引擎介面接口標準如圖1 所示。

LED 光引擎

目前所能見到的 LED 光引擎大多數(shù)是用白光LED 來做光源的，如Osram的PrevaLED 核心的光引擎，輸出流明達800 - 3,000lm、色溫3,000 K--4,000K 、CRI 顯色指數(shù)> 90 、視角寬度> 130°、系統(tǒng)效率可達75 lm/W(圖2)。它的應用與散熱器的安裝十分簡單方便，如圖3 所示。

圖2 PrevaLED 核心的光引擎

圖3 應用安裝十分簡單

富昌照明的simpleLED 光引擎，由3 個大功率暖白色LUXEON Rebel LED組成，該LUXEON Rebel LED 按ANSI 分檔，相關色溫為3000K，每個LED產(chǎn)生的最小光通量為66 流明。該光引擎包括一個Carclo 三透鏡底座，具有20mm35°磨砂寬光束的單LED 透鏡，以及泰科Mini CT 連接器(圖4)。

圖4 simpleLED 光引擎

白光LED(WLED)用久變性問題

傳統(tǒng)的白光 LED 是直接在藍光LED 上涂覆黃磷熒光粉的，由于白光LED點亮后熱量很難散發(fā)，黃磷熒光粉在長期高溫熏烤下容易變性，導致用久之后顯色指數(shù)變差。在LED 燈具內，如將黃磷熒光粉不直接涂覆在白光LED 上，而是做成一黃磷濾色鏡，在燈具內與藍光LED 保持一定的距離，兩者疊加使用，同樣可求得LED 燈具的白光或暖白光效果。由于黃磷濾色鏡遠離LED 熱源，因此，不會因LED 光源的長期高溫燒烤而老化變性，CRI 基本不變；黃磷濾色鏡的配方可調，燈光的顏色、色溫可隨客戶的需要調制，可滿足客制化的要求，生產(chǎn)差異化的產(chǎn)品。

設計藍光LED 光引擎

藍光 LED 光引擎的架構設計是一種創(chuàng)新的理念，完全不同于前述的白光LED 光引擎。藍光LED 光引擎將藍光LED 光源板、AC/DC 恒流驅動電源板、黃磷濾色鏡集成在一體。其架構原理如圖5 所示，市電經(jīng)AC/DC 恒流驅動電源變換輸出恒流直流電點亮藍色LED 光源，藍光經(jīng)黃磷濾色鏡的過濾，使LED 光引擎發(fā)出白光或暖白光。工作原理如圖6 所示。

恒流驅動電源

恒流驅動電源是整個光引擎的動力源，因此要選用集成功能強大、應用電路簡潔，能滿足光引擎對驅動電源的能效、功率因素、EMC 等要求的單級驅動IC，采用初級段控制的PSR 電源電路既可滿足需要又可以節(jié)省空間和生產(chǎn)成本。

圖7 是在上海三品照明設計開發(fā)的藍光LED 光引擎的實物照片，在一標準的殼體內，底部鋁基散熱板上緊密貼裝的是藍光LED 光源板，環(huán)形的PCB 板是恒流驅動電源，電源線可直接連接AC。這款藍光LED 光引擎還具有光引擎內部溫度智能控制功能，內置溫度傳感器，當光引擎內部達到設定保護溫度(75-80 ºC)時，溫度控制電路開始動作，將輸出電流按1/256 階的速度下降，直到燈具溫度降到設定保護溫度之下，輸出電流恢復正常。以達到保護LED 光源和驅動電源壽命的目的。恒流驅動電源采用全電壓設計，AC90-260V 寬電壓范圍輸入，功率因素(PFC)>0.9，效率>80-85%，色溫為2700-3000K，5000-6000K，CRI>80 以上。如有其它色溫和CRI 的要求，可以特別定制。并有調光和不調光2 種可供選擇。在底部的鋁基散熱板外側覆有荷蘭進口的工程導熱塑膠片，強化熱量的傳導。外部散熱器可通過鋁基散熱板底部3 個螺絲孔方便的鎖緊。圖8 是該藍光LED 光引擎系列產(chǎn)品。為確保品質目前的黃磷熒光濾色鏡全部美國進口。

傳統(tǒng)照明燈具廠和新入門的LED 照明燈具企業(yè)，可以很方便的將此藍光LED 光引擎用于筒燈、嵌燈、天花燈等LED 照明燈具新產(chǎn)品中。藍光LED 光引擎將海量應用在商業(yè)照明和室內照明的LED 燈具內，市場前景十分看好。

恒流驅動電源的IC 目前市場可以有多種的選擇，如是考慮隔離的電源，建議選用可以初級側控制的驅動IC，如圖9 所示AC/DC 恒流源電路圖，因此設計的PSR 電源電路簡潔，使用元器件少可有利于生產(chǎn)調試和有效地降低成本。

“能源之星”對LED 光引擎的要求

在“能源之星”有關住宅用照明設備認證計劃中，有對使用LED 光引擎的照明燈具的要求。其中對于燈具中使用的LED 光引擎，有具體的規(guī)定(見表1)。這里的LED 光引擎是指LED 燈具中的一個子系統(tǒng)，包括一個或多個LED 封裝，或一個LED 陣列，或一個LED 模塊；一個LED 驅動電源；電氣和機械介面；以及一個提供散熱功能的整體散熱槽。LED 光引擎還可包含附加的提供美學、光學和環(huán)境控制功能(散熱除外)的零件，它主要與分電路相連接。