分析LED应用市场研发设计思路

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简介:电源的成熟需要时间,有些关于LED电源的宣传你敢相信吗?先恒压,再线性恒流,一定是LED照明驱动方式未来市场主流!相信未来LED会得到更广泛的应用。

引言

经过30多年的发展,中国LED产业已初步形成了较为完整的产业链。中国LED产业在经历了买器件、买芯片、买外延片之路后,目前已经实现了自主生产外延片和芯片。现阶段,从事该产业的人数达5万多人,研究机构20多家,企业4000多家,其中上游企业50余家,封装企业1000余家,下游应用企业 3000余家。特别是2003年中国半导体照明工作小组的成立标志着政府对于LED在照明领域的发展寄予厚望,LED作为光源进入通用照明市场成为日后产业发展的核心。在“国家半导体照明工程”的推动下,形成了上海、大连、南昌、厦门和深圳等国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。

近两年随着LED技术的迅速发展和能源的紧张,LED被广泛应用到信息显示、交通信号灯、背光源、汽车用灯、半导体照明、室外广告灯饰、景观照明等领域,被誉为21世纪的绿色照明产品。LED涉及的产业也蕴藏着巨大的发展潜力,专家预言在未来几年LED将作为主流照明光源,就像晶体管取代电子管一样,大势所趋、不可阻挡。目前,国内LED产业链发展比较成熟,LED产业上游包括原材料和衬底等环节,中游包括外延和芯片等环节,下游包括封装、应用等环节。目前我国LED产业集中在产业链下游,企业规模小,研发能力不强,企业众多,与国外技术水平差距较小,难以形成独特竞争力。我国上游产业企业与国际先进水平比较,整体上一般芯片的亮度、发光效率、抗静电能力、抗漏电能力以及品质控制水平与国际厂家仍有差距,同时能满足市场需要且规模化生产的企业少。面对火爆的LED市场我们究竟要做些什么?

一、LED照明应用中存在的优势及问题

LED的主要特性:

作为一种快速发展的新型光源,LED具有以下几方面的特征

1、环保:不含汞等有害气体、没有污染,光谱没有辐射,其废弃物可回收,是典型的绿 色光源;

2、节能:LED作为半导体发光灯,其电能消耗仅相当于传统霓虹灯的20%左右。

3、寿命长:理论使用寿命长达10万小时,可靠、维护成本低;

4、使用电压低:工作电压一般在几伏以下,便于应用在可靠性和安全性高的场合。

LED在照明中的优势:

1、采用低电压供电-无高压环节,成本低,可靠性高;

2、符件简单无启动器、镇流器或超高压变压器;

3、结构简单具有固体光源的最大优点,不充气,无玻璃外 壳,无气体密封问题,耐冲击;

4、可控性好响应时间快(微秒数量级),可反复频繁亮灭,基本无惰性,不会疲倦;

5、色彩纯厚由半导体PN结自身产生色彩,纯正、浓厚;

6、色彩丰富三基色加数码技术,可演变任意色彩,

7、轻质结构节材、对灯具强度和刚度要求较低;

8、体积小巧大的LED灯具由LED组成,最小的LED仅为平方毫米数量级或更小;

9、可塑性好LED光源的精巧,使LED能适应各种几何尺寸和不同空间大小的装饰和照明要求,诸如:点、线、面、球、异型式,乃至任意艺术造型的灯光雕塑。

存在的问题:

1、散热

2、缺乏标准,产品良莠不齐

3、存在价格与设计品质问题,最终消费者选择LED照明,缺乏信心

4、半导体照明在电气设计方面与传统照明有很大差别,传统灯具企业需要经验/技能积累过程

5、大家都看好该市场,但是还没有规模上量

特点:

1、通过调整高精度恒流芯片,保证LED亮度、色度的一致性,在模块一级为下游客户提供标准的、定制的、可靠的高品质产品;

2、新老灯具设计厂家,不要过于复杂的电气设计,只需在外部加上传统的恒压电源即可工作的简洁线路设计,是最快也是最可靠方式;

3、解决LED照明市场大规模上量的技术和品质问题。

二、散热设计

1、最短的热传到路径,减小热传导阻力;

2、增大相互传导面积,增加热传到速度;

3、合理的计算设计散热面积;

4、有效的利用热容量效应。

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输出驱动电压选择:

20W以内市电驱动时48V左右比较合适;

较大的功率市电驱动输出电压36V左右最合适;

离线式照明大部分是12V和24V电压。

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特点:

基于串并联安全考虑出负载合适的驱动电压值,尽量统一电压值减小电源设计规格成本;

基于安规规定,产品设计要符合认证要求,流峰值超过42.4Vac或直流超过60Vdc的电压 ;

从解决LED照明市场大规模上量的技术和品质问题考虑。

三、最高效率后端驱动方式

当输出电压在48V左右时,低压差线性恒流器件恒流效率高达99%,恒流精度±3%以内,不受任何外围器件影响;当输出电压在36V左右时,低压差线性恒流器件恒流效率高达98.6%,恒流精度±3%以内,不受任何外围器件影响; 就算在离线式照明部分,较低的电压12V和24V,也分别有96%和98%的效率;功率大小效率是相等的。

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特点:

最高效的驱动恒流架构;最高精度的恒流方式,受外围器件影响最小 ;简洁、方便、实用。

四、恒流消耗的功耗已达到可以忽略的程度

在深圳CYT公司实验室,我们已经验证到后端恒流效率达到99.99375 %,到了可以完全忽略的地步;

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未来我们用1年时间完成这一设计成就,十多人的IC设计团队和强有力的电源厂家合作,会尽快完成这一目标。

五、AC-DC设计

开关电源发展到今天是多年积累的结果,短期内AC-DC直接恒流不可突破;恒压和恒流是矛和盾的关系,必须要分开考虑;恒流源负载调整率是1%(mA)/V,达不到恒流效果;想法越多成本越高,与风险成正比。

特点:

要合理的利用现有的开关电源资源,是最经济的;

恒压和恒流技术结合是必然的;

在稳定的产品技术上创意才是有效的。

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六、LED组合化封装是未来发展趋势

模组的组合设计能有效的降低一次性封装成本;分散的封装形式有利于减低散热设计成本;选择国产的铝基PCB板材;便于光学设计;电源设计简化;封装形式多样;有利增强国产LED竞争力。

七、封装结构‘绑架’了我们光学效果设计

这是Cree、Nichia、Lumileds、OSRAM具有代表性的几款封装。要设计产品,首先要确定用谁的LED封装结构;接下来考虑怎样适应这些封装形式; 由我们选择的机会不多,光学结构是建立在这些封装之上的;我们很多创意不能很好的发挥。

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八、模组化封装与恒流技术结合

在PCB板级设计LED封装,实现容易成本低廉;大家集思广益,都能开发出不同类型的封装形式;整合恒流技术与配光参数后的功率LED基础上设计产品;有效的应对日新月异、千变万化的LED灯具需要;电源部分,只采用现有传统开关恒压电源供电;提高产品投放速度,灯具设计简便实用,成本大幅度的降低;还可以避开前沿LED封装专利围堵。

九、按电压标称值封装

LED恒流驱动革新技术在深圳CYT诞生,我将它命名为《功率LED恒流集成封装》技术,简称《模组封装》;此技术是LED封装技术的基础上直接整合低压差线性高精度恒流技术;以后LED可以直接标称电压值规格出现。 以后,客户使用CYT技术的产品设计,不再需要考虑任何关于LED恒流问题,使用现有的标准恒压电源供电即可。此技术将宣告“LED恒流电源”一说终结!

十、按产品设计发光源

打破原来按光源设计产品,反过来按产品定制LED光源封装形式;最大限度配合产品创意展现;因产品设计光学封装结构;成本低;与产品结合设计散热结构,热阻降低;恒流精度高;保护功能具一体。深圳CYT公司LED实验室可以快速帮助你完成产品设计。

十一、模组化光源优点

①有效的降低成本

减少封装次数,节省封装费用;

同环境、条件生产提高一致性,提高良品率;

减少光学设计成本;

降低散热设计成本;

批次混合封装,降低分档成本;

产品设计简化,降低整体成本;

低廉的封装架构。这一技术,将指引LED照明行业沿着健康的方向发展。

②热阻降低

光源与外壳散热器直接结合;

避开PCB作为热媒介;

减少芯片到外壳散热路径;

采用新的热传到技术;最有效的降低散热热阻,解决散热设计难题。

③恒流精度高

模组内统一考虑Vf值;

恒流源受外界影响小;

线性技术成熟高,没有外围器件影响精度;

没有EMI干扰问题影响精度;

多路并联相互不独立影响精度;

不受电源波动影响负载恒流精度。 最高的恒流精度架构,对LED亮度一致性及寿命最优化的设计架构。

④保护一体化设计

内置温度保护;

内部电源及保护技术;

内置高灰阶接口;

短路和断路保护;

可设置联动保护功能;

ESD保护。

其它任何内置功能、保护需求均可以探讨。

⑤走传统电源道路

这是稳健的第一步;可选择性强;成本是最优惠的;开关电源都实现不了的指标,LED电源也实现也困难,少走弯路;就算有实力的公司设计,LED部分也需要时间验证;完全没有电磁兼容性问题。

结论

电源的成熟需要时间,有些关于LED电源的宣传你敢相信吗?先恒压,再线性恒流,一定是LED照明驱动方式未来市场主流!相信未来LED会得到更广泛的应用。

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