板上芯片 (COB) LED 能在照明設(shè)計(jì)中降低成本、節(jié)約能耗的原理和方法

　　LED 在許多方面都勝過(guò)傳統(tǒng)照明光源，包括更高的能效、更長(zhǎng)的使用壽命和更小的體積。 然而，成本問(wèn)題卻一直令許多照明設(shè)計(jì)工程師感到頭疼，這也是為什么 LED 制造商要繼續(xù)創(chuàng)新，提升規(guī)模經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵原因。 板上芯片 （COB） 光源模塊是有助于降低成本的最新封裝方法之一。在這種模塊中，LED 芯片采用半導(dǎo)體芯片形式，既無(wú)外殼，也不用連接，只需直接安裝到 PCB 上或者更通俗地講，安裝到基材上。 而且，這種封裝形式還帶來(lái)了許多相關(guān)優(yōu)勢(shì)，如設(shè)計(jì)更靈活、配光更好、制造工藝更簡(jiǎn)單等。

　　設(shè)計(jì)人員希望認(rèn)真考慮是否在其新一代照明設(shè)計(jì)中使用 COB LED 還有其他的原因。 在市場(chǎng)研究公司 （Research and Markets） 最近提供的報(bào)告中分析人員指出，COB LED 屬于廣域光源發(fā)射器（因此，可用于高速公路和路燈照明）具有三大優(yōu)勢(shì)：更好的混色、更好的照明效果和低熱阻要求。 該公司分析人員指出，這些 COB LED 還能實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、更高效的散熱性能且僅需更小的板空間，因此能很好地適合廣泛的通用照明應(yīng)用。

　　現(xiàn)在，讓我們來(lái)檢驗(yàn)幾種 COB LED 產(chǎn)品，包括 Bridgelux 的 Vero™、 Sharp 的 Zenigata 和 Cree 的 CXA 產(chǎn)品，看這些產(chǎn)品如何能在節(jié)約能耗、降低成本的同時(shí)簡(jiǎn)化照明設(shè)計(jì)。

　　Bridgelux （Livermore， CA） 去年推出了高性能 Vero 系列 COB LED 陣列（圖 1）： 標(biāo)稱光通量 120 lm/W，最小平均光通量 110 lm/W。 據(jù)報(bào)道，這項(xiàng)改進(jìn)使其比前代產(chǎn)品節(jié)能約 11%。 該系列采用四面發(fā)光 （LES） 配置，工作溫度范圍寬。 此外，Vero 陣列提供兩個(gè) SDCM（顏色匹配標(biāo)準(zhǔn)偏差）和三個(gè) SDCM 顏色控制選項(xiàng)，用以實(shí)現(xiàn)高精度色彩控制和均勻光照。

　　圖 1： Bridgelux Vero 系列提供 70、80、90 和 97 Décor CRI 選擇。 （暖白光光譜為 3，000 K 80 CRI，自然白光為 4，000 K 80 CRI，冷白光為 5，000 K 70 CRI。 承蒙 Intellident 提供數(shù)據(jù)）。

　　據(jù) Bridgelux 介紹，高精度色彩控制“通過(guò)在臨近光源之間實(shí)現(xiàn)更高的一致性和均勻性來(lái)提升光照質(zhì)量” 。 另外，Vero 系列超過(guò)了美國(guó)加利福尼亞能源委員會(huì)關(guān)于照明燈具的 R9 要求。

　　據(jù) Bridgelux 介紹，基于 3，000 K、80 CRI 配置且采用標(biāo)稱電流驅(qū)動(dòng)的所有外形系數(shù)器件，其平均輸出性能為 120 lm/W。 但是，設(shè)計(jì)人員如采用低電流驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 140 lm/W 的輸出性能。

　　此外，Vero 平臺(tái)還通過(guò)板載連接器端口實(shí)現(xiàn)了即插即用連接，能讓照明制造商進(jìn)行無(wú)焊電氣連接、簡(jiǎn)易安裝，因此有助于簡(jiǎn)化制造工藝。 具體優(yōu)勢(shì)包括低成本、快速面市、更低的庫(kù)存要求。

　　以下為主要技術(shù)規(guī)格：

　　流明輸出性能范圍為 240 - 16，400 流明

　　CCT 在 2，700 - 5，000 K 之間可選

　　CRI 可選 70、80、90 和 97 CRI Decor 產(chǎn)品

　　三個(gè) SDCM 標(biāo)準(zhǔn)用于實(shí)現(xiàn) 2，700 K 至 4，000 K CCT，并提供兩個(gè) SDCM 選擇

　　可在高達(dá) 2 倍額定電流驅(qū)動(dòng)下可靠地工作

　　放射狀芯片提升了流明密度和光束控制能力

　　熱隔離式焊盤(pán)

　　無(wú)焊接連接器端口，具有即插即用連接和現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)功能

　　標(biāo)志和 2D 條形碼位于產(chǎn)品上側(cè)

　　其它優(yōu)勢(shì)包括可兼容大量標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器（350 mA 電流增量值）和光學(xué)元件，能使設(shè)計(jì)更靈活，選擇范圍更廣，因此可縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、減少煩人的庫(kù)存問(wèn)題。

　　來(lái)自 Sharp Electronics Corp. 的 Zenigata COB 技術(shù)也能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。該系列模塊包括三種變體： Mega、Mini 和 Petite Zenigata。 Sharp 的設(shè)計(jì)將金屬基材換為陶瓷基材，據(jù)該公司介紹，這種材料的“散熱性能最佳且無(wú)變色”。 這就是說(shuō)，能一直保持恒定的流明輸出，但無(wú)色彩變化。 均勻的 LES 簡(jiǎn)化了光學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)又提升了各種不同應(yīng)用中的光照質(zhì)量。

　　下面詳細(xì)介紹 Sharp COB 模塊。

　　Mega Zenigata 50 - 80 W 模塊節(jié)能性好，專用于高功率照明應(yīng)用。 據(jù)報(bào)道，高亮 LED 可消除一個(gè)照明燈具中多個(gè) LED 周圍的光源不均勻問(wèn)題。 這些模塊僅允許一個(gè)燈具中使用一個(gè) LED，既節(jié)省空間，又消除了光照不均勻問(wèn)題。 Mega Zenigata 系列的封裝尺寸為 20 × 24，包括高 CRI 和低 CRI 兩種模塊且最低 CRI 性能分別為 90 和 80。 這些 COB LED 可用于室內(nèi)外照明，包括建筑照明、聚光燈、射燈、嵌入式筒燈、場(chǎng)地和物體照明。

　　Sharp 針對(duì)中等尺寸產(chǎn)品應(yīng)用提供 15 W Mini Zenigata COB 系列，該系列采用圓形 8 mm LES，可以簡(jiǎn)化鏡頭和反射片設(shè)計(jì)。 據(jù) Sharp 介紹，Mini Zenigata LED 的封裝為 15 x 12 x 1.6 mm，表面積約為 Mega 產(chǎn)品的三分之一并能減小發(fā)光區(qū)域。 應(yīng)用包括室內(nèi)、室外照明、建筑照明、閱讀燈、移動(dòng)照明、信號(hào)和標(biāo)志燈以及場(chǎng)地和物體照明。

　　在低功耗產(chǎn)品方面，4 - 6 W 的 Petite Zenigata COB LED（圖 2）專門(mén)用于要求更小鏡頭的應(yīng)用，如小型聚光燈或者軌道燈。 這些 LED 采用 8 x 12 mm 小型封裝、4 mm LES。 使用 9.6 V 產(chǎn)品時(shí)，可在 MR16 燈（通常需要 12 V）中采用降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，而更高電壓 （40 V） 的部件可簡(jiǎn)化線路電壓 GU10 燈泡的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。 這些 LED 可用于需要鏡頭極其緊湊的設(shè)計(jì)中，包括 MR16 替換燈、GU10 替換燈、小型軌道燈、小型投射燈、吊燈、小型閱讀燈和小型強(qiáng)光燈。 高 CRI 系列（最低 CRI 90）可產(chǎn)生 300 - 395 流明亮度。

　　圖 2： Sharp Petite Zenigata COB LED 采用 8 x 12 mm 小型封裝、4 mm LES。 使用 9.6 V 產(chǎn)品時(shí)，可在 MR16 燈（通常需要 12 V）中采用降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，而更高電壓 （40 V） 的部件可簡(jiǎn)化線電壓供電型 GU10 燈泡的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)（承蒙 Sharp 提供數(shù)據(jù)）。

　　Cree Inc. （Durham， NC） 最近在推出 85°C 時(shí)超過(guò) 11，000 流明的 CXA3070 LED 陣列，進(jìn)一步擴(kuò)大了其 CXA 系列陣容。 該高光輸出 LED 陣列旨在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低系統(tǒng)總成本，在 85°C 時(shí)輸出達(dá)到 134 lm/W 并提供 70 - 95 之間的 CRI 選擇。 該系列 LED 在 85°C 下經(jīng)過(guò)特征化和分檔，支持 ANSI 白光和 EasyWhite 色溫 （2，700 K - 5，000 K）。

　　CXA3070 LED 陣列具有高流明輸出和高能效，可達(dá)到 8000 至超過(guò) 10，000 流明的系統(tǒng)性能。 也就是說(shuō)，該產(chǎn)品可用于如高棚燈和陶瓷金屬鹵化物替換燈等高流明輸出應(yīng)用中。

　　該供應(yīng)商提供的 CXA 3070 陣列（下文圖 3）相對(duì)光通量值指的是：CXA3070 在給定條件下穩(wěn)定工作時(shí)的測(cè)量值與分檔期間光通量測(cè)量值的比值（TJ = 85°C、1，925 mA 條件下的脈沖測(cè)量值）。

　　例如，在 TC = 25°C、IF = 1，300 mA 穩(wěn)定狀態(tài)下，相對(duì)光通量比值為 80%（如圖表所示）。 如過(guò) CXA3070 LED 在分檔期間的測(cè)量值為 8，500 lm，則能在 TC = 25°C、IF = 1，300 mA 的穩(wěn)定工作狀態(tài)下輸出 6，800 lm （8，500 * 0.8）。

　　圖 3：相對(duì)光通量值的確定依據(jù)為：CXA3070 在給定條件下穩(wěn)定工作時(shí)的測(cè)量值與分檔期間的光通量測(cè)量值之比（TJ = 85°C、1，925 mA 條件下測(cè)得的脈沖測(cè)量值）（承蒙 Cree 提供數(shù)據(jù)）。

　　Cree CXA3070 陣列的關(guān)鍵規(guī)格：

　　支持在 2，700 K、3，000 K、3，500 K、4，000 K 和 5，000 K CCT 條件下進(jìn)行四階、二階 EasyWhite 分檔。

　　支持在 4，000 K 和 5，000 K CCT 條件下進(jìn)行 ANSI 白光分檔

　　最小 CRI 可選 70 或者 80

　　正向電壓： 38.5 V

　　85°C 分檔和特征化

　　最大驅(qū)動(dòng)電流：2，800 mA

　　115° 視角、均勻色度分布

　　頂部焊接連接

　　總而言之，成本將是照明工程師始終要面對(duì)的大問(wèn)題， 但隨著 LED 的平均售價(jià)降低，COB LED 將會(huì)越來(lái)越被設(shè)計(jì)人員接受，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)這些器件極具潛力，擁有更好的節(jié)能效果、更強(qiáng)的靈活性以及更好的光分布，最終讓照明系統(tǒng)制造商和最終用戶受益。