平价LED球泡灯的设计思考 [1]

　　0 前言

　　LED作为新一代节能、环保、长寿命的照明光源已成全人类的共识。LED照明灯具至今不能被大量推广应用，不能进入千家万户，其主要原因是LED照明灯具价格居高不下，一个5W的LED球泡灯，它的亮度相当于25-30W的白炽灯，目前市场的零售价在RMB50-100元，与荧光节能灯相比贵了很多。现在老百姓买荧光节能灯政府还有补贴，买LED灯还没有啊!因此，建议开发老百姓用得起的平价LED球泡灯、LED日光灯是LED产业界迫切需要做的实事。

　　今天，LED光源正在不断地降价，LED驱动电源新一代的芯片价格也在下降，配套的五金塑料件的价格也在下降。因此设计、生产平价LED照明灯具的时机已经成熟。

　　市场遵循金字塔法则，价高的产品永远只能占据塔尖的一小部分，价格每向下降一点，市场的扩容是成平方的倍增(图1)。平价LED照明灯具将是平民百姓能够享用的大众产品，也是老百姓用得起的新一代照明灯具。

　　图1 市场的金字塔法则

　　随着LED光源的大幅度降价，和LED驱动电源专用芯片功能的高度集成，用其生产的电源成本也步步下降，今天如果能将5W-10W(相当于25W-60W白炽灯的亮度)的平价LED照明灯具的生产成本控制在RMB 8—25元以内，市场零售价控制在15-35元以内，使平价LED球泡灯的零售价接近同功率的荧光节能灯的零售价，那么LED作为第四代光源替代白炽灯、荧光灯的步伐就会大幅度加快，平价LED照明灯具进入数以万亿计的寻常百姓家将成为现实。如果政府对平价LED照明灯具能辅以财政补贴，将使老百姓更早受益、更早享用，使社会更多的节能。

　　1 平价LED照明灯具的设计思路

　　平价LED照明灯具的设计思路遵循性能够用、质量第一、成本低廉的原则，将相当于25W-60W白炽灯的亮度的5W-10W平价LED照明灯具的生产成本控制在RMB 8—25元以内，市场零售价控制在15-35元以内。 以平价LED球泡灯为例，由LED光源模组、恒流驱动电源和灯头、外壳、散热器、灯罩组成(图2)。LED日光灯的整体构成也基本如此。如何选择好其中的每一个零部件是设计此平价LED照明灯具成败的关键。LED光源选用以光效高、发热低、散热好、性价比好为准则;恒流驱动电源选用以采用原边控制(PSR)隔离电路、周边零件少、功率因数较高、效率较高、性价比好的为准则。

　　图2 平价LED球泡灯主要零件

　　2 LED光源模组的选择

　　如今生产LED光源模组技术已相当成熟，价格也在一直平民化之中，每瓦(W)RMB1.00的价格是目前设计平价LED灯具能接受的设计成本。如何在众多的COB、MCOB、COF、LEDs中选择适用而性价比好的LED光源模组是此平价LED球泡灯设计成败的关键之一。LEDs是高压LED的模组(HV LEDs)暂不在本案例中讨论。

　　LED光源模组或称之LED光源模块，常见的是COB封装，最近发展的有COF、LEDs，这些都是为了下游LED应用工厂设计LED照明最终产品方便、快捷而由LED上游公司利用其大规模生产LED芯片的优势而设计、生产的。其关键技术是将电参数性能完全相同的单颗LED芯片在LED晶圆(Wafer)生产时或生产后配对集成在一个单元上。

　　COB(Chip On Board)封装是常见的LED模组封装，将电参数相同的LED芯片颗粒配对，按功率设计好组合光源的矩阵排列，通过COB封装工艺流程将N个颗粒的LED绑定在铝基板或陶瓷基板上，成为一个新的LED光源模组。铝基板选用导热好的材料，如美国的贝格斯、莱尔德等，铝基板上受贴LED芯片面的绝缘层通常在75-100um左右。铝基板上覆的铜箔通常为35um。而LED芯片的厚度一般是 80-100um。利用覆铜在铝基板上预制了各颗LED灯珠间的连线，通常一个COB光源成品只有二个与驱动电源的连接点(图3)。COB在一个平面上有N个LED光珠，一个LED光珠有4个出光面，N个LED光珠就有4乘N个出光面，出光面比单颗LED光珠出光面大，出光密度高，COB封装可以比同功率的单颗灯珠提高15%的出光效率。如果在铝基板或支架的LED芯片安装点预置光学锥形聚光杯坑，在锥形环镀银更可增加光线的反射，提高出光率。这种把LED芯片直接放在光学的聚光杯坑里面又称为MCOB封装。COB封装还可以减少原本单颗LED封装的支架成本、节省原本需要的N个二次光学透镜为一个，多颗芯片共用一个基板，使得多瓦数的灯珠节约了成本，也节省组装人力成本。LED芯片通过铝基板直接散热，更有利于热量的传导扩散。

　　图3 LED的COB封装

　　COF(Chip On Frame)是COB封装技术的创新发展，COF是将LED管芯(Die)如集成电路管芯那样直接绑定在铜支架上，铜支架厚度大约0.4mm，按预先设计好的光源矩阵排列，冲制放置LED灯珠的聚光杯坑，聚光杯坑的深度大约0.4mm，覆铜箔预制各颗LED灯珠间连接的走线，一个COF模组只有二个接点与驱动电源连接。铜支架冲压成型，加工简便而快速，制造成本不高。图4是5W的COF模组，图左是COF铜支架几何尺寸图，图右是COF模组的实物照片。

　　图4 LED的COF封装

　　COF模组是COB模组封装技术的创新发展。如5图所示COB和COF二种封装基板骨架结构的剖面示意图，假设LED芯片(Die)均不放入基板骨架的聚光杯坑中，其中COF的骨架是铜支架，COB的骨架是铝基板，铜箔是用来做连接电路走线的。COB上LED芯片绑定在铝基板上，COF上LED芯片绑定在铜支架上，铜的导热系数远高于铝，因此，COF的热阻可比COB降低50%;COF是N颗LED灯珠固定在矩阵聚光杯坑中的，聚光杯坑采用镀银增加光的反射，加上LED灯珠的多面出光，可使COF的光效提升15%;COF因没有铝基板和减少几道生产工序而节省部分人工及材料;因而同样功率的COF与COB相比，COF整体成本可比COB降低30%，所以COF模组有很好的性价比。

　　COB和COF的模组光源有适用于球泡灯、吸顶灯、筒灯、日光灯、平面灯灯等的各种系列，应用十分方便。COF系瑞丰光电子首创。

　　图5 COB和COF二种基板骨架结构的剖面示意图

　　3 恒流驱动电源芯片的选择

　　LED发光二极管芯片作为照明光源工作的主要电气参数是正向电压(VF)和正向电流(IF)，其它相关的是颜色/波长/亮度/发光角度/效率/功耗等。VF正向电压是为LED发光建立一个正常的工作状态。IF正向电流是促使LED发光，发光亮度与流过的电流成正比例。白光LED VF标称电压：3.2V± 0.2V (WLED)。LED IF工作电流按应用需要选用，过大易引起LED的早期光衰，过小则不能点亮。LED发光二极管的特性决定它必须工作在恒流状态。因此，选择功能合适、性能稳定可靠、成本适中的恒流驱动电源是此平价LED球泡灯设计成败的关键之二。

　　选择功能够用，周边零件少，内置MOS管的原边控制隔离电路驱动电源芯片，是比较理智的选择。本土LED照明驱动芯片设计商的技术水平与国际制造商的差距并不大，而在性价比上占明显的优势。如晶丰明源、美芯晟等本土LED专用恒流源芯片设计公司产品BP3102、BP3112、MT7953等，它们既专业、管用，又具有很好的性价比。

　　BP3102 是一款高精度原边反馈的LED 恒流控制开关。芯片工作在电感电流断续模式，适用于全输入电压范围功率5W 以下的反激式隔离LED 恒流电源。BP3102 芯片内部集成600V 功率MOS开关，采用原边反馈模式，无需次级反馈电路，也无需补偿电路，只需要极少的外围元件即可实现恒流，节约了系统的成本和体积。BP3102 芯片内带有高精度的电流取样电路，使得LED 输出电流精度达到±3%以内。芯片采用了专利的恒流控制方式，可以达到优良的线性调整率和负载调整率。BP3102 具有多重保护功能，包括LED 开路保护、LED短路保护、芯片过温保护、过压保护、欠压保护和FB 短路保护等。BP3102内部结构框图如图6所示。BP3102 采用SOP-8 封装，管脚功能描述如表1。

　　表1 BP3102管脚描述

　　图6 BP3102内部结构框图

　　用BP3102设计5W的平价LED球泡灯的恒流电源电原理图如图7所示，这是一个隔离的恒流电源方案。由于BP3102已经集成了LED恒流驱动电路所需要的恒流、LED 开路保护、LED短路保护、芯片过温保护、过压保护、欠压保护和FB 短路保护等功能，所以整个应用电路就十分简洁。除了必须的AC/DC整流桥、电阻、电容外，驱动芯片和变压器就是二个主要的器件。

　　图7 5W平价LED球泡灯的恒流电源电原理图