解析LED通用照明面臨的四大挑戰(zhàn)

當(dāng)前，LED最具潛力的市場無疑當(dāng)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(fā)展目標(biāo)。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(lǐng)域。然而，市場上大量出現(xiàn)的LED球泡燈，等同于真正意義上的固態(tài)照明（SSL）嗎？LED是否真的為通用照明做好了準(zhǔn)備？

LED通用照明首先面臨四大挑戰(zhàn)

　　美國能源部曾表示：固態(tài)照明是50年來照明領(lǐng)域最具破壞性的創(chuàng)新技術(shù)。有不少業(yè)內(nèi)人士對此表示認(rèn)同，并認(rèn)為LED是顛覆性產(chǎn)品，是要革它原來產(chǎn)品命的。但事實(shí)上，LED進(jìn)入通用照明市場，依然面臨四大挑戰(zhàn)，它們分別是：光品質(zhì)、光效表現(xiàn)、可靠性以及簡單化。

　　飛利浦亞洲地區(qū)營銷總監(jiān)周學(xué)軍對此解釋道：LED的光品質(zhì)與傳統(tǒng)照明相比仍有差距；光效表現(xiàn)還有部分應(yīng)用無法覆蓋；由于LED照明可靠性由芯片、電、光、熱、機(jī)械、互聯(lián)部分等多個(gè)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(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在市場上的LED照明產(chǎn)品五花八門，復(fù)雜性也阻礙了其短期內(nèi)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(zhì)和光效的方案？

光品質(zhì)

通常我們談到的光品質(zhì)主要指光分布、光角度與陰影，以及演色性。這里，周學(xué)軍特別強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)人員要注意：不同LED 顆粒間的光色是否一致？隨著時(shí)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(shù)表現(xiàn)如何？

　　LED的整個(gè)封裝工藝流程包括兩個(gè)重要步驟：利用金線對芯片和管腳進(jìn)行鍵合，以及進(jìn)行熒光粉涂布。這兩個(gè)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(dāng)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(shù)）和獨(dú)有的Lumiramic熒光技術(shù)。

　　據(jù)周學(xué)軍介紹，TFFC技術(shù)的電極在電路板后面，表面無縱橫布線，因此物理結(jié)構(gòu)更好。而Lumiramic熒光技術(shù)利用陶瓷熒光板代替熒光粉直接粘結(jié)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(tǒng)封裝法因不均勻的熒光粉涂布而導(dǎo)致的大多數(shù)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(shù)還可以將白光分bin（分檔）的范圍縮小至原來的1/4，周學(xué)軍補(bǔ)充道。

　　目前，對于照明行業(yè)特別是照明設(shè)計(jì)來說，最頭疼的問題莫過于分bin。對于一些有經(jīng)驗(yàn)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(gè)輸出范圍。然而，在特定CCT（相關(guān)顏色溫度）下，根本無法低成本生產(chǎn)出具有高一致性的白光LED,其主要原因在于藍(lán)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(gè)分bin的LED，但是這樣一來，產(chǎn)品的應(yīng)用范圍受到限制，既增加了生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，又產(chǎn)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(fā)，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(dá)到預(yù)期色溫，而且遠(yuǎn)小于ANSI規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍。

　　光效表現(xiàn)

就像半導(dǎo)體行業(yè)的摩爾定律一樣，LED行業(yè)也有一個(gè)Haitz定律，即LED亮度大約每18-24個(gè)月提升一倍，而在今后10年內(nèi)，預(yù)計(jì)亮度可以再提升20倍，成本則將降至現(xiàn)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(yù)計(jì)2020年這個(gè)數(shù)字將達(dá)到1000流明。

　　LED發(fā)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(dǎo)體照明科技有限公司技術(shù)副總監(jiān)朱嘯天則認(rèn)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(jù)LED的出光特點(diǎn)，長光半導(dǎo)體設(shè)計(jì)了扁平化的一次光學(xué)通道，形成了平面光源陣列式芯片，可以最小化光學(xué)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(shù)，光源使用的鋁基板可以將更多熱量通過直連散熱散發(fā)出去。”據(jù)悉，目前該公司擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的LED面光源技術(shù)光效已達(dá)130lm/w,整燈光效已大于100lm/w.

　　除了封裝，芯片結(jié)構(gòu)、正向電壓等因素也十分關(guān)鍵。正向電壓如果能被控制在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)，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(xiàn)象。眾所周知，電流密度的增加會使LED（主要指藍(lán)色、綠色等將InGaN作為發(fā)光層的LED）發(fā)出更多的光，但與此同時(shí)光效也會隨之下降。當(dāng)前，芯片設(shè)計(jì)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(dāng)然，冷熱系數(shù)（LED在100°C結(jié)溫和25°C結(jié)溫時(shí)的燈光輸出比值）的提升也有助于簡化散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而降低最終應(yīng)用中的每流明成本。

　　如何解決散熱問題

　　LED抗熱性的重要已成為業(yè)界共識，這個(gè)問題對于LED通用照明同樣存在。對此，周學(xué)軍曾生動地比喻道：LED就像是一個(gè)雪人，冷的時(shí)候很漂亮，但是一熱了就會融化，變得很難看。

　　LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的熱管理很重要，因?yàn)橄喈?dāng)部分的電能轉(zhuǎn)換成了熱能。''安森美半導(dǎo)體電源及便攜產(chǎn)品全球銷售及營銷高級總監(jiān)鄭兆雄表示，''要解決好散熱問題，需要提升驅(qū)動電源的轉(zhuǎn)換能效和應(yīng)用更高光效的LED,采用提供強(qiáng)固熱故障保護(hù)性能的LED驅(qū)動芯片和散熱性能更好的驅(qū)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(tǒng)可靠性，還需結(jié)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(huán)境光傳感器以減少電能消耗和發(fā)熱量等。''

　　美國國家半導(dǎo)體（NS）亞太區(qū)市場經(jīng)理黎志遠(yuǎn)認(rèn)為：受實(shí)際操作環(huán)境影響，LED的內(nèi)部溫度確實(shí)可能會飆升至極高水平。一旦LED的溫度升越閾值，進(jìn)入非安全區(qū)，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(jiān)控系統(tǒng)熱能，以免溫度失控。

NS的LM3424芯片正是一款這樣的產(chǎn)品，可為照明 系統(tǒng)的LED 設(shè)置溫度及斜坡斷點(diǎn)，確保LED停留在安全區(qū)內(nèi)操作。如果出現(xiàn)過熱情況，LM3424的熱能回折電路便會減少流入LED的穩(wěn)壓電流。減少的鎮(zhèn)壓電流會使LED的亮度也隨之下降，但仍然保持在工程師預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，直至操作溫度恢復(fù)到安全的操作范圍內(nèi)。此外，NS還推出了一款大功率LED驅(qū)動器LM3464,采用該芯片的過熱保護(hù)系統(tǒng)解決方案可以監(jiān)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(hù)功能會調(diào)低輸出電流，避免LED在不正常情況下過熱受損，同時(shí)LED可保持一定的亮度。

　　上海龍茂微電子有限公司總經(jīng)理茅于海指出，徹底解決''熱''問題還有待LED發(fā)光效率的提高。深圳瑞豐光電子有限公司常務(wù)副總林常對此表示認(rèn)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(dǎo)出，同時(shí)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(yīng)用端要做的，就是如何把熱導(dǎo)入到大自然環(huán)境中去，這里不燙就成了關(guān)鍵。三方面的設(shè)計(jì)人員都要做好自己應(yīng)該做的事，這才是根本。針對不同的產(chǎn)品，解決方案一定不同。''據(jù)悉，目前瑞豐光電在封裝環(huán)節(jié)，已經(jīng)能夠做