LED通用照明若干先進技術(shù)簡介

飛利浦（中國）投資有限公司 鄭 棟

1 背景

LED發(fā)明于上世紀60年代，早期的LED只能用作指示燈。1993年中村修二發(fā)明的藍光LED，為LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論上的可能性。然而LED照明行業(yè)的真正發(fā)展，則是從2000年以后才開始的。

在LED照明行業(yè)發(fā)展的中前期，一大現(xiàn)實問題就是產(chǎn)品光效較低，盡管可以取代白熾燈，也解決了節(jié)能燈含有有害物質(zhì)如汞、含有有害光線如紫外線這兩大問題，但是由于性價比不高，與傳統(tǒng)光源相比并沒有實際的市場優(yōu)勢。當務(wù)之急，就是盡快提升其發(fā)光效率，降低其成本，以實現(xiàn)新技術(shù)的普及和節(jié)能環(huán)保的目標。

自本世紀以來，伴隨著LED技術(shù)的發(fā)展和性能的提高，其在通用照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能并得到了快速的發(fā)展。相較于傳統(tǒng)光源而言，其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢漸漸得以體現(xiàn)。同時由于價格的快速下降，市場份額也在快速的提升。關(guān)于LED照明將在未來5-10年左右的時間成為照明市場的主流，已經(jīng)得到了業(yè)界的公認。

國家對LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展寄予厚望并給予了充分的政策支持和導向。2012年4月起，國務(wù)院相關(guān)部委將LED設(shè)備列入了免征關(guān)稅和進口環(huán)節(jié)增值稅的清單。在“十二五”期間，中央財政計劃安排80億元人民幣預算外資金采購LED節(jié)能產(chǎn)品，同時帶動不低于30億元人民幣的地方配套資金。中央和地方政府還通過“十城萬盞”等活動，大力推動LED產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用推廣。

飛利浦照明LED產(chǎn)品研發(fā)部坐落于上海，是一支由本土技術(shù)人才構(gòu)成的高水平研發(fā)團隊。通過技術(shù)創(chuàng)新，推出了一批技術(shù)領(lǐng)先、性能出眾的LED照明新產(chǎn)品，帶動了整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 技術(shù)簡介

傳統(tǒng)的白光LED照明產(chǎn)品將熒光粉涂覆在LED發(fā)光材料的表面，這一技術(shù)有兩個缺點：首先熒光粉層發(fā)出的光線分為出射和反射兩類，此結(jié)構(gòu)下的反射光線將被LED吸收并降低整體發(fā)光效率；其次熒光粉層在發(fā)光的同時產(chǎn)生熱量，這些熱量直接加熱了LED，既降低發(fā)光效率又降低使用壽命。為了提高LED照明產(chǎn)品的光效，首先要提高光源的效率。為此提出了遠程熒光粉的新技術(shù)，在此基礎(chǔ)之上，又提出了復合型LED的應(yīng)用技術(shù)及其衍生技術(shù)。對于產(chǎn)品整體而言，同時需要對周邊的機械設(shè)計、光學設(shè)計、熱學設(shè)計和驅(qū)動設(shè)計進行聯(lián)合創(chuàng)新和系統(tǒng)集成。

LED照明產(chǎn)品還有另一個先天的特性，即LED是具有指向性的光源，對于射燈來將是個優(yōu)勢，對于球泡燈卻是個劣勢，難以設(shè)計出類似于白熾燈的全光角光源。為此需要對遠程熒光粉組件的形態(tài)、整燈機械結(jié)構(gòu)做出獨特設(shè)計。本文介紹了球形、弧形等遠程熒光粉組件設(shè)計；高臺結(jié)構(gòu)、垂直LED放置結(jié)構(gòu)等機械設(shè)計，實現(xiàn)了與白熾燈同樣的光角分布。

2.1 遠程熒光粉技術(shù)及其應(yīng)用

在藍光LED發(fā)明后，為了發(fā)出照明所需的白光，需要在LED發(fā)光層表面再涂覆一層熒光粉。其工作原理如下圖1，藍光LED 采用InGaN作為主要材料，上面涂覆熒光粉層，并配合鍍銀反射面，以實現(xiàn)高效的LED產(chǎn)品。這一熒光粉層通常采用YAG即釔榴石等材料，以產(chǎn)生黃色及紅色區(qū)域的光譜。這些光譜與藍光LED自身的光譜結(jié)合，即可產(chǎn)生白光。通過調(diào)節(jié)熒光粉的成分及工藝，即可產(chǎn)生不同色溫、顯色指數(shù)的白光產(chǎn)品。

這一方法存在兩個缺點，其一是藍光在與熒光粉層相互作用后，新產(chǎn)生的光線將有一半被反射回LED自身。而這部分光線將被LED吸收，從而不能真正發(fā)出。其二是熒光粉層在進行光譜轉(zhuǎn)換的同時將產(chǎn)生大量的熱，這些熱量的產(chǎn)生將同時降低LED的發(fā)光效率和使用壽命。為了解決這一問題，本成果研發(fā)了新型熒光粉材料，并與透明介質(zhì)載體混合注塑，形成一個新的產(chǎn)品組件。

圖1 白光LED工作原理及光譜分布

在該結(jié)構(gòu)下，熒光粉層所反射的光線將被光學腔內(nèi)的反射面發(fā)射并再次與熒光粉層相互作用，形成了藍光的循環(huán)利用。這一方案可以很大的提高LED照明系統(tǒng)的光效，同時由于大大降低了LED的工作溫度，可以提高同等條件下LED的使用壽命。這一方案的原理見圖2。

在采用遠程熒光粉技術(shù)時，一般很難兼顧照明產(chǎn)品所追求的高光效與高顯色性這兩個關(guān)鍵參數(shù)。這其中的關(guān)鍵，在于白光光譜中紅色成分的實現(xiàn)。當紅色部分的光譜由藍光激發(fā)熒光粉中的紅色組分實現(xiàn)時，由于轉(zhuǎn)換損失的存在，系統(tǒng)的光效和顯色性都受到限制。為此提出了紅藍雙色LED且結(jié)合遠程熒光粉技術(shù)的光源方案。

在此技術(shù)方案下，2009年的產(chǎn)品光效即已達到90lm/W以上。這一光效在三年后的今天也依然領(lǐng)先于市場上絕大多數(shù)產(chǎn)品。該項技術(shù)已成為LED照明行業(yè)發(fā)展的一大方向。

圖2 遠程熒光粉技術(shù)及其衍生復合LED光源系統(tǒng)

2.2 全光角高流明照明產(chǎn)品設(shè)計

LED本身的光角只有120度左右。通過外加具有勻光效果的泡殼，普通LED燈泡的光角一般在180度左右。然而這一光角仍然不滿足多數(shù)應(yīng)用場合的需求。

本文介紹兩類LED球泡燈產(chǎn)品，一類為單光腔結(jié)構(gòu)，而另一類為多光腔結(jié)構(gòu)。前者采用燈的下半部作為對外散熱的界面，后者采用光學腔之間開放式熱通道及下半部殼體作為散熱界面。

單光腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)品采用混有熒光粉的塑料，通過注塑成型工藝，將熒光粉光源器件制成球形殼體，并安裝在升高的錐形金屬散熱平臺上，既保證LED的熱快速擴散，位于高臺的球形光源能形成260度左右的光分布（見圖3）。

多光腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計（見圖4）主要是圍繞美國能源之星的要求及美國能源環(huán)保署的“明日照明獎”而研究的一種新型技術(shù)。能源之星的光角要求為∶

1）在0°～135°區(qū)域的光強(cd)不能高于此區(qū)域平均光強的20%。

2）在135°～180°區(qū)域的光通量(lm)至少有總光通量的5%。

3）在45°和90°平面的測量值必須一致。

本設(shè)計采用了立式多光源腔設(shè)計，帶有熒光粉的皇冠形外罩在藍光LED的激發(fā)下成為白光的發(fā)光體。產(chǎn)品截面直徑上大下小，這有利于增強下射光線。

2.3 先進LED驅(qū)動技術(shù)

圖3 單光腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中全光角的實現(xiàn)方法

圖4 多光腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中光學分布及工

針對目前LED應(yīng)用的特點（多采用低壓大電流LED），在分析比較不同電源拓撲的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，提出了適合于LED照明特性的驅(qū)動電源方案。采用該方案可顯著提高系統(tǒng)效率，同時降低成本，更能體現(xiàn)出LED照明產(chǎn)品的優(yōu)勢。

設(shè)計出的LED驅(qū)動電源由一次側(cè)感應(yīng)功能，搭配嚴格的LED電流調(diào)節(jié)機制，因此不需用到光隔離器以及其他次級側(cè)控制電路。透過這種設(shè)計技巧，可以最大程度地減少元件數(shù)量，進而降低電路板空間、耗電以及整體零組件成本，勝過其他獨立型解決方案。該驅(qū)動電源亦具備其他一次側(cè)控制解決方案所欠缺的電路保護機制，內(nèi)建的保護功能包括過壓保護（OVP）、輸出短路保護（OSCP）、尖峰電流設(shè)限保護（PCLP）、電流感測電阻器短路保護（CSSP）以及過熱保護（OTP）。

在驅(qū)動電源設(shè)計的后期，驅(qū)動電源已不僅具備了高效率，還符合能源之星的省電規(guī)范。該驅(qū)動電路能夠自動偵測用戶使用的調(diào)光器（見圖5），因此能適用在大多數(shù)已安裝在墻壁插座內(nèi)的調(diào)光器，最暗亮度可調(diào)低至1%的，而且不會有閃爍現(xiàn)象。與其他市面上主流的大功率驅(qū)動電源相比，本驅(qū)動電源具有可控硅調(diào)光功能，并符合安規(guī)和電磁兼容的要求，有高效率、高可靠、抗浪涌、低能耗、低成本的優(yōu)勢，其應(yīng)用前景廣泛。

2.4 防盜設(shè)計

LED照明產(chǎn)品的價格較高，引起了很多專業(yè)用戶（尤其是公共場合、酒店賓館等）對于防盜的特殊要求。本文設(shè)計了新的產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)，包括燈體，燈頭，燈頭可以和外部環(huán)境中的燈座連接。其特征在于燈體內(nèi)部設(shè)置有彈簧組件和棘輪結(jié)構(gòu)，當順時針旋轉(zhuǎn)燈時，整個燈可以被擰緊到外部環(huán)境中的燈座上，而當逆時針旋轉(zhuǎn)燈時，燈體只能繞所述棘輪結(jié)構(gòu)作反復圓周運動，而不能被擰下來（見圖6）。

當真正的使用者需要卸下燈時，可以通過調(diào)節(jié)彈簧組件上的螺釘，使其阻擋彈簧組件上與棘輪結(jié)構(gòu)嚙合連接的長針，從而可以在不破環(huán)燈的前提下安全取出燈。

圖5 單通道LED驅(qū)動電路圖

圖6 防盜燈結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 可靠性設(shè)計

LED燈作為目前較為高端的照明產(chǎn)品，用戶對于其壽命和可靠性有較高的期望值。事實上，眾多不良產(chǎn)品的涌現(xiàn)，正在破壞用戶對于LED照明產(chǎn)品的印象。為此，需要對產(chǎn)品整體進行優(yōu)化設(shè)計，對每個部件都進行性能監(jiān)控，對各種應(yīng)用條件做出有限防護。依據(jù)可靠性原則而設(shè)計出來的產(chǎn)品在美國第三方實驗室的檢測表明：

○ 點亮1萬小時后光通量沒有衰減；

○色點漂移小于0.001。

產(chǎn)品通過FMVT測試，即：

○同時施加電氣沖擊、熱沖擊、機械沖擊和濕度沖擊后完好；

○同等沖擊條件下的節(jié)能燈均已不再被點亮。

3 結(jié)語

當下正是LED照明蓬勃發(fā)展的高峰期，先進的技術(shù)和新穎的設(shè)計紛紛涌現(xiàn)。飛利浦LED照明部門致力于新技術(shù)的推出并應(yīng)用，以及新的設(shè)計方案的實現(xiàn)，同時確保產(chǎn)品的質(zhì)量和高可靠性。在不久的將來，將會有更多技術(shù)先進、性能優(yōu)異、價格合理的產(chǎn)品問世，并帶動LED照明行業(yè)的技術(shù)進步和普及發(fā)展。