解析LED通用照明面臨的四大挑戰(zhàn) -市場研究報告

1、解析LED通用照明面臨的四大挑戰(zhàn) 關 鍵 詞解析 LED通用照明 面臨 四大挑戰(zhàn) 信息整理慧典市場研究報告網 信息來源慧典市場研究報告網整理 發(fā)表時間2011年07月29日 慧典市場研究報告網訊 當前，LED最具潛力的市場無疑當屬平板液晶電視、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。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

2、年來照明領域最具破壞性的創(chuàng)新技術。有不少業(yè)內人士對此表示認同，並認為LED是顛覆性產品，是要革它原來產品命的。但事實上，LED 進入通用照明市場，依然面臨四大挑戰(zhàn)，它們分別是光品質、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)周學軍對此解釋道LED的光品質與傳統(tǒng)照明相比仍有差距；光效表現(xiàn)還有部分應用無法覆蓋；由于LED照明可靠性由芯片、電、光、熱、機械、互聯(lián)部分等多個因素決定，因此無法保持足夠的光輸出流明維持壽命；由于缺乏統(tǒng)一標準，現(xiàn)在市場上的LED照明產品五花八門，復雜性也阻礙了其短期內很難被更多受眾接受。那麼，目前市場上有哪些提升LED光品質和光效的方案？光品質通常我們談到的光品質主

3、要指光分布、光角度與陰影，以及演色性。這里，周學軍特別強調設計人員要注意不同LED顆粒間的光色是否一致？隨著時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的整個封裝工藝流程包括兩個重要步驟利用金線對芯片和管腳進行鍵合，以及進行熒光粉涂布。這兩個步驟都會對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，PhilipsLumileds最新推出的LUXEONRebelLED系列采用了最新TFFC（薄膜倒裝芯片技術）和獨有的Lumiramic熒光技術。據(jù)周學軍介紹，TFFC技術的電極在電路板

4、後面，表面無縱橫布線，因此物理結構更好。而Lumiramic熒光技術利用陶瓷熒光板代替熒光粉直接粘結到芯片上，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技術還可以將白光分bin（分檔）的範圍縮小至原來的1/4，周學軍補充道。目前，對于照明行業(yè)特別是照明設計來說，最頭疼的問題莫過于分bin。對于一些有經驗的LED制造商來說，通常的做法是在所有檔中使用白光LED的整個輸出範圍。然而，在特定CCT（相關顏色溫度）下，根本無法低成本生產出具有高一致性的白光LED,其主要原

5、因在于藍光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分bin的LED，但是這樣一來，產品的應用範圍受到限制，既增加了生產工藝的復雜性，又產生了更多存貨。Cree公司對此的解決方案是EasyWhitebin,該方案采用Cree的多芯片XLampMC-ELED,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）並封裝好，混合後的白光輸出能達到預期色溫，而且遠小于ANSI規(guī)定的標準範圍。光效表現(xiàn)就像半導體行業(yè)的摩爾定律一樣，LED行業(yè)也有一個Haitz定律，即LED亮度大約每18-24個月提升一倍，而在今後10年內，預計亮度可以再提升 20

6、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，美國能源部預計2020年這個數(shù)字將達到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。深圳市長光半導體照明科技有限公司技術副總監(jiān)朱嘯天則認為，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，長光半導體設計了扁平化的一次光學通道，形成了平面光源陣列式芯片，可以最小化光學損失。對此，朱嘯天解釋道“像SMD的3528或505光源，使用玻璃縴維或塑料做基板，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

7、成COB直接封裝技術，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權的LED面光源技術光效已達130lm/w,整燈光效已大于100lm/w.除了封裝，芯片結構、正向電壓等因素也十分關鍵。正向電壓如果能被控制在一個非常小的範圍內，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，但與此同時光效也會隨之下降。當前，芯片設計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

8、是靠提高die尺寸。當然，冷熱系數(shù)（LED 在100C結溫和25C結溫時的燈光輸出比值）的提升也有助于簡化散熱系統(tǒng)設計，從而降低最終應用中的每流明成本。如何解決散熱問題LED抗熱性的重要已成為業(yè)界共識，這個問題對于LED通用照明同樣存在。對此，周學軍曾生動地比喻道LED就像是一個雪人，冷的時候很漂亮，但是一熱了就會融化，變得很難看。LED系統(tǒng)設計中的熱管理很重要，因為相當部分的電能轉換成了熱能。安森美半導體電源及便攜產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，需要提升驅動電源的轉換能效和應用更高光效的LED,采用提供強固熱故障保護性能的LED驅動芯片和散熱性能更好的驅動芯片封裝，以

9、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。美國國家半導體（NS）亞太區(qū)市場經理黎志遠認為受實際操作環(huán)境影響，LED的內部溫度確實可能會飆升至極高水平。一旦LED的溫度升越閾值，進入非安全區(qū)，那麼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品，可為照明系統(tǒng)的LED設置溫度及斜坡斷點，確保LED停留在安全區(qū)內操作。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

10、會使 LED的亮度也隨之下降，但仍然保持在工程師預設範圍內，直至操作溫度恢復到安全的操作範圍內。此外，NS還推出了一款大功率LED驅動器LM3464, 采用該芯片的過熱保護系統(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，過熱保護功能會調低輸出電流，避免LED在不正常情況下過熱受損，同時LED可保持一定的亮度。上海龍茂微電子有限公司總經理茅于海指出，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副總林常對此表示認同，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出，同時還需要解決封裝材料的耐熱

11、問題，材料不黃變，光衰減就沒有。而在應用端要做的，就是如何把熱導入到大自然環(huán)境中去，這里不燙就成了關鍵。三方面的設計人員都要做好自己應該做的事，這才是根本。針對不同的產品，解決方案一定不同。據(jù)悉，目前瑞豐光電在封裝環(huán)節(jié)，已經能夠做到5000H零衰減。LED驅動解決方案對于LED照明應用來說，驅動電源部分的作用至關重要，因為如果驅動電源部分無法給予支撐，那麼再高的LED光效也是浪費。可以這麼說高效的驅動電源是提高照明系統(tǒng)效率的有力保證。對此，茅于海特別指出LED設計中最大的問題是如何保證驅動電源的可靠性來匹配LED的長壽命。這方面必須深入理解可靠性的設計原理和具體方法，並懂得如何測試產品的可靠性

12、。LED驅動電源的可靠性很大程度上與熱相關，如果散熱效果不佳，電路中電解電容的壽命將大大降低，從而嚴重影響LED產品的壽命。相關內容我們已經在上文進行了討論，下面我們將主要介紹其他可能存在的問題以及幾款最新的解決方案。安森美另一款新的低電流LED驅動方案-NSI45系列雙端和三端線性恆流穩(wěn)流器（CCR），使用了正在申請專利的自偏置晶體管（SBT）技術。這種方案比線性穩(wěn)壓器更簡單，且成本更低，但性能相比電阻方案又大幅提升，填補了市場空隙。NSI45系列能夠在寬電壓範圍下保持亮度恆定，輸入電壓較高時保護LED免受過驅動影響，輸入電壓較低時仍使LED較亮，幫助減少或消除LED編碼庫存，以及幫助降低系

13、統(tǒng)總成本等，非常適合低電流LED電流應用。據(jù)英飛凌科技（中國）有限公司工業(yè)及多元化電子市場事業(yè)部銷售及業(yè)務開發(fā)高級總監(jiān)石敬巖介紹，英飛凌最近也推出了一款支持調光功能的離線型LED驅動 IC-ICL8001G,適用于住宅照明用高效LED燈泡。該產品采用彈性設計，能夠替代所有40W/60W/100W白熾燈泡以及所有典型的消費類照明應用。ICL8001G節(jié)能效果可達90%,支援多種已安裝的牆面調光器，同時也是唯一的整合功率因數(shù)校正（PFC）功能的主控式離線型LED驅動器解決方案。雖然LED驅動市場主要由TI、NS、安華高、Linear、NXP等歐美企業(yè)，以及聚積、立?、點晶、研晶等臺灣廠商佔領，但是

14、目前中國本土的幾家公司在該領域也表現(xiàn)的頗為活躍。例如上海龍茂微電子有限公司，就推出了各種功率LED所需的恆流驅動電源。我們的優(yōu)勢是掌握了核心芯片技術，此外我們還集中于路燈、日光燈、隧道燈等的調光技術，並擁有5項專利。茅于海表示。據(jù)悉，龍貿已經量產的降壓型大功率 LED恆流驅動模塊SLM2842J得到了業(yè)內不少好評，該模塊可以在輸入電壓為36V時驅動10串6並1W的LED,或者10串2並3W的LED,驅動功率高達60W,效率高達98%.只有1.2W的功率需要耗散，所以發(fā)熱很低，在60度以下。針對室內照明的新一代LED模組安森美的鄭兆雄認為LED照明設計過程中還有一項重要挑戰(zhàn)，那就是要保持照明系統(tǒng)

15、或光源的不同組件有盡可能高的能效。應該把光源看作是完整系統(tǒng)，將 LED、用于散熱的散熱片、光學組件，以及電子驅動電路看成一個整體，確保每個組件的設計都提供最大能效。他表示。在實際操作中，瑞豐光電將上述觀念模組化，推出了室內照明模組化解決方案。模組化就是將光源、散熱部件、驅動電源組成模塊批量生產，通過模具制造出標準化的LED照明產品。瑞豐光電研發(fā)中心大功率LED模組開發(fā)部主管劉鑫表示，“盡管目前本土企業(yè)在LED外延片和芯片方面無法繞過國外企業(yè)的專利壁壘，但模組的批量生產具有價格優(yōu)勢，特別對下游LED照明應用企業(yè)來說是一個不錯的選擇。”現(xiàn)在很多企業(yè)在球泡燈中加入3520、5050等小功率 LED光

16、源用于室內照明，但產品往往存在眩光過強、熱處理不夠、壽命短、成本高、顏色差異大等問題?！拔覀冋J為，將傳統(tǒng)燈泡裝上LED光源，完全不等同于半導體照明?！眲Ⅵ伪硎荆癓ED要想真正走入千家萬戶，就要發(fā)揮其優(yōu)勢，而這應該是一個系統(tǒng)化工程，包括電源系統(tǒng)、LED光源、驅動系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、外觀結構設計、散熱系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等多個方面?！闭缜懊嫣岬降?，光品質包括演色性、空間均勻性、色彩一致性、無眩光等。瑞豐光電的模組光源解決方案，通過植入色光LED芯片來提升整體光源的演色性，或單一演色性。因為在LED光譜中，紅色和綠色這兩段較低，如果把綠光芯片和紅光芯片串在白光模組中，可以對演色性有非常本質的提升。劉鑫

17、解釋道。由于整體光效靠白光來提升，演色性靠其他芯片的光去來提升，這樣做還有助于將光效與演色性分立?！翱臻g均勻性和色彩一致性，首先通過對物料進行選擇與優(yōu)化得以改善?！眲Ⅵ伪硎尽＿@里的物料選擇包括熒光粉和芯片。封裝時，可以利用設備去檢驗芯片以及熒光粉進料激發(fā)出的波長有多寬，從而檢驗來料是否符合要求。其次是模組電源內電路的設計，要考慮到整個模組的串、並情況。第三是要進行嚴格的制程控制，包括最直接的，就是熒光粉涂布的方式以及多少，這對色彩一致性有很大影響。最後，還要進行物料可靠性控制。隨著LED光效的提升，劉鑫認為眩光問題在今後的LED照明設計中將會更加凸顯。模組電源通過結構的優(yōu)化設計，例如使用反射杯

18、來降低眩光。而這也正是瑞豐光電在結構上的創(chuàng)新設計之一，加入反射杯，可以很大程度地減少每顆LED芯片發(fā)出光的損失，與此類似的還有加一次透鏡、表面粗化處理等，與模組結合都可以提高出光效率。光的壽命包括兩個部分，一個是亮度壽命，一個是顏色壽命。亮度壽命直接影響到光源的運行成本，在壽命控制中，首先要考慮的是散熱設計。模組光源通過結構設計來解決這個問題。壽命和散熱有直接關系，包括芯片、原料，其最直接的壽命影響就來自于熱。藍光的出光效率和熒光粉，都跟結溫有很大關系。一般情況下，LED的結溫每升高10度，其壽命就會降低一半。劉鑫補充道，模組在解決熱阻方面有其優(yōu)勢。目前LED應用燈具的熱阻主要包括LED芯片、

19、封裝材料、支架、貼到電路板上的熱阻、二次應用系統(tǒng)熱阻，如果能夠省去中間某個環(huán)節(jié)，其實就把整個應用過程的熱阻省了很大一部分。而使用模組解決方案，可以直接省去了支架熱阻和客戶買回去以後的再貼片熱阻。目前，由于LED燈具類標準的滯後，市場上 LED驅動電源主要采取客戶定制的運作模式，因此LED燈具普遍存在電壓、電流、功率等級不規(guī)範，以及空間有限、散熱條件差、電源能耗影響燈具環(huán)境溫度等問題。飛兆半導體深圳分公司技術市場部經理錢家法表示，不同功率等級的LED應用可能遭遇不同的問題。例如，小功率應用可能由于空間太小導致驅動板無法安置，而安規(guī)距離不夠、恆流精度不夠、溫度太高等也是可能出現(xiàn)的問題；中功率應用通常采用PFCPWM兩級架構，從而導致整體成本過高