AC 【LED净化灯】光源是未来发展的必然趋势

AC LED、无驱动光源、光引擎，去电源化等成为业界共同关心的热门话题。前不久在中昊光电组织的集成光电模块光引擎新产品发布会上中山大学理工学院王刚教授谈到“去电源”一词说：这个词听起来很"别扭"，因为所有的电子和电气产品都离不开电源供电，LED照明也不例外。北京大学上海微电子研究院兼职教授颜重光认为，“去电源化”其实是一个伪命题。更奇怪的是业内有很多人把AC LED称为“光引擎”不知何故？对上述纷纷攘攘技术术语，如何分类、定义，笔者认为当前有必要讨论这些技术术语，无疑对规范AC LED技术用语的定义、相关标准建立、以科学态度引领产业市场大有裨益。

　　LED净化灯照明产品的使用寿命远远低于理论值，其原因是驱动电源易于损坏导致系统寿命不长，业内流传：“100个LED净化灯灯具中，有99个是因为驱动电源出现问题”。 并且，驱动电源在整体灯具中成本占到20%~30%。驱动电源在AC/DC转换过程中，电力损耗高达20～30%。因此摒弃驱动电源，不仅可提高系统光效、降低成本，还可彻底避免因驱动电源的问题造成LED净化灯的损坏。

　　一、 定义

　　AC LED是相对于传统的DC LED净化灯来说，无须经过AC/DC转换，可直接插入220V（或110V）而发光的光源。

　　二、AC LED技术分类

　　AC LED可分为两类：一类是由单芯片封装，芯片上多有个LED单元串联，并利用部分LED单元组成整流路，实现交流发光。参见图一。

　　这类光源以韩国首尔公司为代表。

　　另一类是美国和德国发明的集成模组。它采用外加的AC整流和驱动器在C0B封装线路组成光电一体化的发光模组，是目前广为流行、称谓最多的“光引擎”。参看图二。

　　图 2

　　旱期的AC LED是多芯片高密度合成，其串并连相对DC封装所需固晶、打钱工艺复杂，多颗芯片组成串连电路一个芯片上，损坏一颗将影响系统正常工作。为改善这种状况，近年许多芯片厂相继推出了高压HV LED，可大大缩减后序封装工艺并減少了制造成本。

　　三、AC LED技术为何产品迟迟不易被用户接受

　　AC LED其实在国外很早就已经出现，早在2005年，韩国首尔半导体公司就已经用交流电直接驱动AC LED使其发光，其次是美国，德国，台湾等相继完成了可产业化生产、并有实际应用系统方案的AC LED产品，近年国内公司如卓耐普光电公司、中电金台光电、新力光电、红日光电、中昊光电等光源企业如雨后春笋破土而出。

　　单芯架构的AC LED净化灯的最大缺点是在很小的晶粒上连接多个发光器件，有限的芯片面积限制了更大功率输出，其工艺影响了光效、内置恒流不易控制，当电网电压升高时使耗散功功率骤增时会造成损坏。

　　目前广为流行的所谓“光引擎”采用以铝基板C0B封装，线性恒流技术为大功率输出提出了有效解决方案，成为AC LED主流。然而这种技术的致命缺点是它必需依赖帶有多层热阻的铝基板, 传统铝(或铜)基板是将FR4纤维板或BT板经过压合工艺成为一体铝基板，其导热系数最好的只有2 w /m-K左右，与没有绝缘层的纯铝导热系数为237 w/m-K相比相差一百多倍，如此大的封装热阻，必然使热耗比增大，加速了LED光衰、损坏，降低了LED使用寿命，虽然有人采用陶瓷基板，导热系数虽然有所改善，但它与灯体散热固定仍然有不少问题。

　　四、AC LED将是未来的趋势

　　AC LED刚刚步入成长期，在发光亮度、中大功率输出等方面还不够理想，更主要的是采用SMD与铝基板带来的散热不良而影响了稳定及寿命，相信不久将有新的解决方案，其应用简便、无需变压转换器，电解电容及过多外设元件，集成封装一体化技术将会抢占市场。AC LED技术目前已经过了萌芽期，正处于飞速发展期，从其发展趋势上看，ACLED技术必然会成为行业发展的一个必然方向。有人认为不久将来整个应用市场将有80%以上采用AC LED技术，或给驱动企业以致命性打击，并将改变LED产业格局。

　　五、关于安规

　　与DC光源采用非隔离电源一样，因为输入端直接插入高压电源，如果无保护措施会对人体造成触电危险，不能通过安规，这个至今设计师最感头痛的技术难题, 估计近期得不到彻底解决。目前大多釆用物理隔离防电击办法，如灯泡外壳使用塑包铝或光源底层另加绝缘膜片等被动结构措施，但这都增加了系统热阻及制造成本。

　　六、关于频闪

　　频闪问题被业界很多人认为是LED产品不应有问题。其实这是认识誤区，毫不夸张地说这是个伪命题。因为：首先LED频闪国内外都没有法律规定；其次它对人体会造成不良影响还没有权威报告；第三：LED只要用AC/DC转换就会有纹波，只不过大小程度不一而已。最后，目前家用电器大多带有电磁幅射或频闪，如荧光灯，电视机等，为何这么多人传来传去非要对LED说N0？

　　七、未来AC LED发展趋势

　　无论是单芯片集成AC LED，还是HVLED+SMD构架，最基本的技术要求是恒流控制，否则当电网波动电压过高时会造成损坏。恒流控制有多种方案选择，其将来必然要走简约化、高可靠性、低成本是最基本旳技术思路，笔者釆用HVLED+恒流二极管+镜面铝COB封装得到了很好效果。

　　下面是笔者采用HVLED+恒流二极管+镜面铝COB封装试制的一款球泡灯。图3是HVLED+恒流二极管+镜面铝COB封装的光源，图4是用该光源组装的球泡灯。图5是该光源的光电测试参数。
　　恒流特性：Vin=198-242 V时   Io≦额定电流±1.5mA

　　笔者利用上述光源设计了一种AC LED 灯泡，图4

　　该产品的设计基本思路是：

　　以简驭繁，性价为王。

　　它彻底消除了：

　　（1）20-30% AC/DC能源损耗。

　　（2）20-30% 灯具驱动成本。

　　（3）因驱动器引发的90%以上的故障损坏。

　　该产品具有极高的性价比：

　　（1）摒弃了铝基板多层热阻障碍，大大降低了封装热阻、延长了光源使用寿命约3-5倍，约20-30万小时。

　　（2）高光效100-130lm/w。

　　（3）低光源成本价0.5-0.8RMB  /100lm/W/。

　　（4）长寿命：30年迢常寿命，价值成本0.3-0.5RMB/100lm/W/。

　　AC LED发展趋势

　　今后单芯片+SMD封装，可能要让位于高压HVLED+C0B封装，高压HVLED是基础元件，会有如下发展趋势：

　　（1）改用倒装芯片；

　　（2）采用Si衬底材料；

　　（3）发展白光CSP技术, 实现高光效、高稳定、大功率一体化工艺制程。

　　前有部分LED净化灯芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是Laterial-contact ,（水平接触）和Vertical-contact，（V接触垂直接触），以通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。

　　因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善件的寿命。

　　CSP技早在几年前被国内外众多公司投巨资进行实验研究，我国几年前也将其列入“863”科研计划，不少单位均有研究成果，这一技不仅要随着倒装芯片同步解决，还要从材料，工艺及设备同时开发研究，当CSP技术全面得到解决一旦投入市场将很快取代目前的SMD光源，一大批SMD封装厂将要改变生产格局。据介绍，台湾行家光电公司的薄膜CSP自主开发的半导体级荧光粉真空涂覆设备和工艺，可以同时在上万颗倒装芯片的五个发光面形成均匀、致密、厚度只有30微米的荧光粉薄膜。致密而薄的荧光粉层使薄膜CSP比用喷涂或灌封工艺制作的CSP光效高20%以上，同时更容易提升显色指数，显色指数高达95以上。

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