《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高壓LED芯片的優(yōu)缺點(diǎn)比較分析
摘要: 最近很多網(wǎng)站都大肆報道一種“高壓LED”,認(rèn)為它是一種全新的LED品種,而且具有很多優(yōu)點(diǎn),甚至認(rèn)為它將使“今天的低壓LED將淡出未來的LED通用照明市場”而高壓LED將“主導(dǎo)未來的LED通用照明”,真的是這樣嗎?
關(guān)鍵詞: 高壓LED 散熱器 LED照明
Abstract:
Key words :

  最近很多網(wǎng)站都大肆報道一種“高壓LED”,認(rèn)為它是一種全新的LED品種,而且具有很多優(yōu)點(diǎn),甚至認(rèn)為它將使“今天的低壓LED將淡出未來的LED通用照明市場”而高壓LED將“主導(dǎo)未來的LED通用照明”,真的是這樣嗎?

  我們知道,LED的中文是“發(fā)光二極管”,它從根本上來講只是一種“二極管”。而且是工作在正向的二極管。過去只有高反壓二極管,那是指高的反向擊穿電壓。如果工作在正向的話,那么一定是電壓越高,電流越大??墒沁@種高壓LED的最大特點(diǎn)卻是高電壓、小電流。那又是怎么一回事呢?

  一。 什么是高壓LED

 

  再仔細(xì)了解一下,原來它只是很多20mA的小功率LED串聯(lián)起來,變成了所謂的高壓LED。把很多小功率LED串聯(lián)起來并不是什么新鮮事,其實(shí)在很多燈具里早就這樣用了。唯一不同的是過去燈具廠商都是把已經(jīng)封裝好了的小功率LED串聯(lián)起來。例如圖1就是上海龍興公司將80顆表面貼裝的0.1W小功率LED全部串聯(lián)起來以得到高電壓小電流的特性,用于LED球泡燈中。

 

  

  圖1. 80顆0.1W小功率LED的串聯(lián)

 

  現(xiàn)在則是由LED生產(chǎn)廠家提供一種串聯(lián)好了的小功率LED,并把它稱之為“高壓LED”而已。它只是集成LED中的一種。其實(shí)過去早就有各種集成的LED,以不同數(shù)量的LED串并聯(lián)起來,得到各種不同功率和電壓的LED。可以說最早是美國的普瑞(Bridgelux)公司就已經(jīng)推出了這種集成LED了。也就是把很多小功率LED在基板上就串并聯(lián)起來,以得到一顆大功率LED。他們稱之為LED陣列,例如他們在2009年推出的一顆30W的LED陣列BXRA-C2000實(shí)際上是把25個1W的LED在芯片上5并5串而得來,其尺寸為25.3x22.3mm發(fā)光面的直徑為17.5mm(圖2),正向電壓16.6V,正向電流1.75A,熱阻0.5°C/W。

 

  

  圖2. 美國普瑞公司的集成LED

 

  高壓LED和這種集成LED的主要差別在于高壓LED是全部串聯(lián),而集成LED則是串并聯(lián)。集成LED的特點(diǎn)是在一個大晶片上采用開槽的方法,將其切割成為很多小的LED,溝槽的深度約在4-8μm,溝槽不能太寬以免減小發(fā)光面積。在開出溝槽以后,為了敷設(shè)連接各個LED的導(dǎo)線,還要用絕緣層把這些溝槽填平,再按照串聯(lián)或并聯(lián)的要求而敷上相應(yīng)的鋁線。

 

  二.高壓LED的性能指標(biāo)

 

  目前只知道臺灣的晶元光電正在生產(chǎn)這種高壓LED,但是在晶元光電的網(wǎng)站上只查到幾種電壓并不太高的HV LED。其指標(biāo)如下表所示:

 

  晶元光電HVLED指標(biāo)

  

 

  其中并沒有他們宣傳的耐壓50V的高壓LED??磥碚嬲母邏篖ED也還沒有成熟。所以也無從進(jìn)行定量的比較。

 

  三. 高壓LED的優(yōu)缺點(diǎn)

 

  那么我們來看一下到底這種高壓LED有何優(yōu)缺點(diǎn)。

  1. 功率耗散和散熱器大?。河械膱蟮佬Q1W的高壓LED的電壓為50V,電流為20mA;而普通低壓的1W LED電壓為3V,電流為350mA,所以“同樣輸出功率的高壓LED在工作時耗散的功率要遠(yuǎn)低于低壓LED,這意味著散熱鋁外殼的成本可大大降低。”,這個說法顯然是不成立的。耗散功率的大小主要由LED的發(fā)光效率決定,而不是由其標(biāo)稱功率決定。標(biāo)稱功率不等于輸入功率。如果要決定散熱器的大小,應(yīng)當(dāng)是在同樣的發(fā)光效率來計(jì)算。通常認(rèn)為對于目前100lm/W的發(fā)光效率來說,其真正的電光效率(就是由電能變成光能的效率)只有30%左右,就是只有30%的電能轉(zhuǎn)換為光能,其余的70%的電能都轉(zhuǎn)換為熱能而需要經(jīng)過散熱器散去。所以對于具有同樣發(fā)光效率的1W高壓LED和普通低壓LED來說,其變成熱能的部分都是0.7W,需要通過散熱器散去。所以這種高壓LED所需要的散熱器大小在同樣的輸入功率和同樣的驅(qū)動電源效率的情況下是不會有什么差別的。

  2. AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率:在同文中認(rèn)為“輸入和輸出壓差越低,AC到DC的轉(zhuǎn)換效率就越高”。該文還認(rèn)為因?yàn)?20V輸入時,高壓LED只要4個串聯(lián)就是200V,和220V只差20V。而用低壓LED,即使是10個串聯(lián)正向壓降也只有30V,和220V相差很大。所以“如采用高壓LED,變壓器的效率就可以得到大大提高,從而可大幅降低AC-DC轉(zhuǎn)換時的功率損失,這一熱耗減少又可進(jìn)一步降低散熱外殼的成本。”

  實(shí)際上做過AC/DC恒流驅(qū)動的人都知道,AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率幾乎是和最后的輸出電壓沒有什么關(guān)系??赡茏儔浩鞔渭壍碾娏鞔罅藭黾右恍┿~損,但是這是很小的,還不至于影響到散熱器的設(shè)計(jì)。真正影響AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率的因素還有很多,例如非隔離的轉(zhuǎn)換器效率就比隔離型轉(zhuǎn)換器的效率要高很多(因?yàn)橥ǔ7歉綦x轉(zhuǎn)換器根本就不用變壓器,只要采用了變壓器,不管變比是多少,都會大大降低效率);此外,隔離型反激式的輸出整流二極管的損耗也會影響效率,為了提高整流二極管的效率最好采用肖特基二極管,而如果輸出是200V高電壓,那么是很難買到這種高壓肖特基二極管,即使買到其價格也是很高的,如果采用同樣低效的普通整流二極管,那么其效率也不可能提高。。所以認(rèn)為輸出電壓高,可以大大降低轉(zhuǎn)換器的功率損失,甚至也能降低散熱器的成本的說法也是不確切的。

  3. “高壓LED減小了LED的面積”,的確如此。例如:對于一個36W的LED,如果采用36個1W的LED那么就會占據(jù)很大的面積,而如果做一個集成的36W高壓LED,那么就只要很小的面積(圖3)。這個看上去是優(yōu)點(diǎn),但如果從散熱的觀點(diǎn)來看就未必是優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榧偃缍叩陌l(fā)光效率相同的話,那么它們將要散發(fā)的熱量是相同的。而在一個很小的面積里要散發(fā)出大量的熱量,這在散熱器的設(shè)計(jì)中將是一個大難題。

 

  

  圖3. 集成LED和普通LED在面積上的差別

 

  實(shí)際上,集成LED的生產(chǎn)廠商已經(jīng)注意到這個問題,而且做了很多改進(jìn)。首先是減小其熱阻。一般的1WLED的熱阻大約在6-9°C/W,而集成LED的熱阻可以減小到2°C/W甚至更小。其次它的背板改用紫銅,以改進(jìn)其導(dǎo)熱。然而這些措施并不能從根本上改善小面積高熱量這個基本狀況。為了快速地將熱量導(dǎo)出,唯一的辦法是采用熱管。而這反而會增加散熱器的成本。同樣,由于高壓LED的底板采用了紫銅,那么和它直接接觸的散熱器部分也必須采用紫銅而不能采用鋁,因?yàn)槎叩呐蛎浵禂?shù)不同,直接接觸會產(chǎn)生縫隙而影響導(dǎo)熱。如果采用紫銅散熱器就會增加成本。所以這種高壓LED不僅不會降低散熱器的成本,反而會增加散熱器的成本。

  4. “高壓LED可以根本不需要變壓器”。在不少的報道中都把高壓LED和AC-LED相提并論。所以認(rèn)為高壓LED可以根本不需要恒流電源(圖4)。

 

  

  圖4. 通常把高壓LED 和AC-LED相提并論

 

  我們知道首先并不是只有高壓LED和AC-LED可以不用恒流源,而所有LED也都可以不采用恒流源,只是不用恒流源以后都會使LED的使用壽命大大降低。這是因?yàn)橛捎贚ED伏安特性的負(fù)溫度系數(shù),使得LED的正向電流隨著LED的溫升而增高,從而使得LED的結(jié)溫升高,而降低了LED的壽命,高壓LED也不例外。

  所以這個優(yōu)點(diǎn)是不成立的。用犧牲壽命的方法來降低成本,好像并不是一種好方法。因?yàn)榧俣ū緛砜梢怨ぷ魑迦f小時,現(xiàn)在變成只有2.5萬小時,那對于用戶來說,豈不是使用成本提高了2倍。遠(yuǎn)比省下一個恒流源要貴很多。

  5. 發(fā)光效率的高低:

  據(jù)稱,臺灣晶元光電將于今年推出發(fā)光效率高達(dá)160lm/W的冷白光LED。而暖白光的LED發(fā)光效率將高達(dá)150lm/W,而且顯色系數(shù)(CRI)高達(dá)90%。圖5

 

  

  圖5. 晶元光電的150lm/W的暖白LED采用藍(lán)光和紅光LED的組合

 

  這個數(shù)據(jù)在當(dāng)前來說的確是相當(dāng)高的,但是提高發(fā)光效率的手段有很多,它并不是高壓LED的特點(diǎn)。只是應(yīng)用到這種高壓LED而已。如果應(yīng)用到普通LED也是可以提高發(fā)光效率的。當(dāng)然,如果這個高壓LED真的有這么高的發(fā)光效率,那的確是一個很好的LED,比起那些100lm/W的LED,當(dāng)然可以減小散熱器的大小。不過Cree公司也在今年1月宣布了其低壓LED(XLamp XM-L,2.9V,350mA)的發(fā)光效率也可以高達(dá)160lm/W(圖6),也可以減小散熱器的大小,因?yàn)樯崞鞯拇笮≈皇呛桶l(fā)光效率有關(guān),和低壓LED還是高壓LED并沒有什么關(guān)系。

 

  

  圖6. Cree公司的XLamp XM-L,發(fā)光效率可達(dá)160lm/W

 

  6. 成本低,一個50V,20mA的高壓LED的售價是不是能夠低于1個3.3V,350mA的1W LED或者10個3.3V,30mA的小功率LED,并不清楚。假如能夠低于,那么當(dāng)然是一個優(yōu)點(diǎn)。至少10個已經(jīng)封裝好了的30mA的小功率LED的價錢的確是比一個1W大功率LED為便宜。所以這也是為什么很多燈具廠商選用很多小功率LED串聯(lián)來取代一個大功率LED的原因之一。

 

  四.高壓LED和分立小功率LED的比較

 

  目前可以和高壓LED相比較的就是分立小功率LED了。如前所述,高壓LED是集成LED的一種,而小功率分立LED也可以串聯(lián)起來得到和高壓LED完全一樣的外特性。二者比較的結(jié)果如下:

  1. 分立LED的優(yōu)點(diǎn)是靈活性比較強(qiáng),用戶可以根據(jù)需要串聯(lián)任意個數(shù)的LED以得到所需的伏安特性。也可以進(jìn)行串并聯(lián)得到更為靈活的特性。

  2. 分立LED的發(fā)光面可以在一定范圍里調(diào)節(jié)(增大),以使發(fā)光均勻,減小眩光。

  3. 分立LED的散熱面積比較大,容易分散熱量,簡化散熱器的設(shè)計(jì)。

  4. 集成高壓LED減小了封裝成本。

  5. 集成高壓LED減少了元件數(shù)和焊點(diǎn)數(shù),提高了可靠性。

  總之,高壓LED不失為一種具有特點(diǎn)的LED,它可以增加使用者的選擇。但并不如某些媒體的宣傳那樣,會取代所有的低壓LED,更何況,由太陽能供電的燈具系統(tǒng)里,本來就是低壓直流的電源,當(dāng)然也就會直接采用低壓直流的LED了。所以各種LED都會存在,只是供給不同的場合罷了。

 

  本文作者:茅于海

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