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LED照明产品知识

人气:55发表时间:2020/3/26 4:03:55
    一个LED照明产品最关键的几个部分不能不知,就是散热、驱动电源、光源。下面对散热、驱动电源、光源进行解析说明。
 
       一 散热

  LED照明灯具散热的问题解答

  对目前常见的白炽灯泡或是荧光灯来说,即便产品本身运行可能产生热能,但组件的高热仍可以被有效隔离,使光源与电源接座不会因热而产生意外的问题。但固态照明就不同,一来LED组件集中单点的运行高温,必须采取更多积极手段进行散热处理,同时搭配主动有效的热处理机制,才能避免灯具发生问题。LED固态光源热处理问题较传统灯具复杂得多。

  传统光源或灯具多有运行过程产生高热的问题,例如卤素灯泡或白炽灯泡,若是白炽灯形式,即在特殊处理的灯球内加热钨丝产生光亮。

  实际上,高温产生在灯丝上而非灯座,即便灯座会因灯球玻璃或是金属受钨丝发光的辐射热、热传导间接产生高温,但产生的温度都在可接受的安全范围,再加上非直接接触传导,安全性也相对较高。

  但换成LED固态光源形式的灯具,其热处理便可能成为新的应用安全问题。多数人会认为LED具高能源转换效率、低驱动能源优势,自然使用安全性较高,但实际上LED固态光源为了达到日常照明的应用目的,必须透过加大单组组件的功率去强化单元件的输出流明,例如灯具厂会采取多LED组件整合形式加强输出效果,且多组件同时运行也能改善LED固态光源光型偏向点光源的问题,让LED固态光源技术的灯具可产生如灯泡般的面光源效果。

  如果要强化单元件的输出流明,必须更高的电流,以使LED芯片的PN接面产生更多流明,但更高电流也会让单点LED组件的温度升高、更难处理,甚至为了提高灯具的光型表现、发光效率而采取多组件并用形式,也会使LED灯具的高温问题加剧,让散热问题更难处理。

  综观目前LED灯具市场的发展趋势,多数LED光源的厂商大多会先以市场为主导,因为高单价、高利润,也可以借由技术差异迅速打入发展技术较前卫的 
LED光源市场,例如,针对室内装潢、情境灯具应用的嵌灯、壁灯、吸顶灯就成为LED光源灯具较常见的设计形式,其替换传统灯具后的省电效益亦最受相关业者关注。

  LED光源灯具必须重点处理的热管理设计,在可能于密闭或半密死循使用的嵌灯、壁灯、吸顶灯产品,形成更严苛的挑战,灯具开发商必须从材料、产品构型、主/被动散热机制、驱动芯片设计等方面投入更多资源,以避免产品的问题肇生。特别是LED嵌入式灯具体积小,且常采多组件整合,模块的散热设计难度较高。嵌入式灯具外壳采铝挤型或散热片设计,可发挥自体散热作用。但这还远远不够。

  LED热管理:NTC持续运行温度维持LED灯使用安全

  若LED灯具没有搭配足够的热管理设计,在使用过程中可能会导致灯具因为经常性高热运行造成寿命锐减,产生必须频繁更换故障LED灯具的困扰,严重者甚至可能酿成意外,因运行高温造成线或是周边装潢着火燃烧!

  在产品开发阶段,可运用智能型LED灯光控制技术,透过主动式的监看LED灯具与整体光源模块的温度表现,简化装置的热管理工作,同时当灯具与周遭温度上升至区段时,灯具必须降低电功率、减少LED亮度输出,以此提升LED固态光源灯具的使用安全性。

  像LED吸顶灯外壳考虑较简单的设计形式,若灯具本身所使用的驱动器功能较聚焦于电源转换与LED组件驱动,并未内嵌温控微处理器与散热处理模块,为避免增加产品原料件的成本,LED灯具可整合NTC(Negative Temperature Coeffient)负温度系数
Thermistor Sensors电,是成本效益相对较高的安全设计方案。

  所谓NTC电,其设置目的是藉由透过电子回去监看LED的模块灯具温度,透过默认温度警示或是对应自动处理驱动状况,采关闭LED固态光源模块方式,来提升LED灯具的使用安全,同时NTC电也能降低设计的复杂度。

  由于NTC电的温度系数非常大,因此可以侦测得知微小的温度变化表现,被广泛应用于需量测、控制与补偿温度的相关电设计中,而NTC电在LED光源模块设计中,基本上为量测LED固态光源灯具的产品周边温度变化,至于量测状况会随着NTC改变的电压现况,直接测得电压和NTC电的温度对应关系。

  当NTC和周边电或整个模块温度提升时,NTC电的电阻随即降低,产品可依此相依关系进行相关安全控制机制反馈,例如减少LED发光组件的驱动电流或是直接强制关闭灯具照明,在灯具温度问题改善后自动回复照明状态,藉此获得灯具使用的安全性。

  二 驱动电源
  LED驱动电源也是一个配套产品,目前市场上的电源品质参差不齐,下面提供一些LED驱动电源的相关知识。
  1、什么是LED驱动电源
  LED驱动电源把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器,通常情况下:LED驱动电源的输入包括高压工频交流(即市电)、低压直流、高压直流、低压高频交流(如电子变压器的输出)等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。LED电源核心元件包括开关控制器、电感器、开关元器件(MOSfet)、反馈电阻、输入滤波器件、输出滤波器件等等。根据不同场合要求、还要有输入过压保护电路、输入欠压保护电路,LED开路保护、过流保护等电路。
  2、LED驱动电源的特点
  (1)高可靠性
  特别像LED路灯的驱动电源,装在高空,维修不方便,维修的花费也大。
  (2) 高效率
  LED是节能产品,驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结散热非常重要。电源的效率高,它的耗损功率小,在灯具内发热量就小,也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。
  (3)高功率因素
  功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器,没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大,但晚上使用照明量大,同类负载太集中,会对电网产生较严重的污染。对于30瓦~40瓦的LED驱动电源,据说不久的将来,也许会对功率因素方面有一定的指标要求。
  (4)驱动方式
  现在通行的有两种:其一是一个恒压源供多个恒流源,每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电也就是“中科慧宝“改采用的驱动方式,LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点,但灵活性差,还要解决某个 LED故障,不影响其他LED运行的问题。这两种形式,在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式,在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。
  (5)浪涌保护
  LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外,如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏。因此分析“中科慧宝“的驱动电源在浪涌保护方面应该有一定的欠缺,而至于电源及灯具频繁更换,LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力。
  (6)保护功能
  电源除了常规的保护功能外,{zh0}在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高;要符合安规和电磁兼容的要求。
  3、按驱动方式分类
  (1)恒流式
  恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化,负载阻值小,输出电压就低,负载阻值越大,输出电压也就越高;
  恒流电路不怕负载短路,但严禁负载完全开路;
  恒流驱动电路驱动LED是较为理想的,但相对而言价格较高;
  应注意所使用{zd0}承受电流及电压值,它限制了LED的使用数量。
  (2)稳压式
  当稳压电路中的各项参数确定以后,输出的电压是固定的,而输出的电流却随着负载的增减而变化;
  稳压电路不怕负载开路,但严禁负载完全短路;
  以稳压驱动电路驱动LED,每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均;
  亮度会受整流而来的电压变化影响。
  4、整体恒流和逐路恒流工作方式优缺点
  与整体恒流相较,逐路恒流虽然缺点比较多,成本也比较高。但是它能真正的起到保护LED和延长LED的寿命,所以逐路恒流才是未来的趋势。
  5、LED电源的不足
  LED驱动电源目前存在不足的原因:
  生产LED照明及相关产品的公司的技术人员对开关电源的了解不够,做出的电源是可以正常工作,但一些关键性的评估及电磁兼容的考虑不够,还是有一定得隐患;
  大部分LED电源生产企业都是从普通的开关电源转型过来做LED电源,对LED的特点及使用认识还不够;
  目前关于LED的标准几乎没有,大部分都是参考开关电源和电子整流器的标准;
  现在大部分LED电源没有统一,所以量大部分都比较小。采购量小,价格就偏高,而且元器件供应商也不太配合;
  LED电源的稳定性:宽电压输入,高温和低温工作,过温、过压保护等问题都没有一一解决;
  首先是驱动电路整体寿命,尤其是关键器件如:电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命;
  是LED驱动器应挑战更高的转换效率,尤其是在驱动大功率LED时更是如此,因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散,电源转换效率的过低,影响了LED节能效果的发挥;
  目前在功率较小(1-5W)的应用场合,恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3,已经接近了光源的成本,一定程度上影响了市场推广。




  三 LED光源
  LED光源要进入照明领域,性能的优劣只是前提,成本的高低才是真正的决定因素。在半导体照明发展的初期,着力于追求性能是必须的;在半导体照明发展到一定阶段,我们应将注意力转移到如何在保证性能的前提下大幅度降低成本。因为我们要做的不只是小资们欣赏的艺术品,而是普通大众都能接受的大宗商品。成品的高低决定着LED作为光源对照明领域渗透率的高低。
  商品成本的降低,一般有以下途径:
  材料降成本——在原有产品方案上压供应商的材料价、降低材料等级或选用替代材料,最直接有效,但幅度有限,且存在一定的品质风险;
  技术降成本——采用新的技术路线,改变原有产品方案,减少用料和制造环节,幅度客观;
  效率降成本——有赖于技术、设备和管理的进步。
  要降低LED光源的成本,以上途径都要考虑,但首要考虑的是如何因应半导体照明的特点,打破传统封装观念的约束,以新的技术方案来降低LED的封装成本。
  对传统照明而言,一般都是采用“光源+灯具”的模式,光源的制造相对独立于灯具。由于LED光源具有体积小、发强光和易于控制等的特点,故在应用中一般可根据照明效果的要求做出灵活的变化和选择。对于半导体照明而言,LED光源与灯具的制造没有明显的界限,LED光源成本的降低应与照明系统的要求整体考虑。因此,LED光源的封装方案应根据照明系统的驱动电路、热量管理、光学设计和结构设计等要求而做出,目的就是发展新型的LED光源封装形式,在保证整体性能的前提下大幅度降低封装和应用成本。
  1、芯片集成COB光源模块个性化封装可能成为半导体照明未来主流封装形式
  LED有分立和集成两种封装形式。LED分立器件属于传统封装,广泛应用于各个相关的领域,经过四十多年的发展,已形成了一系列的主流产品形式。芯片集成COB模块目前属于个性化封装,主要为一些个案性的应用产品而设计和生产,尚未形成主流产品形式。
  传统的LED灯具做法是:LED分源分立器件→MCPCB光源模组→LED灯具,主要是由于没有现成合适的核心光源组件而采取的做法,不但耗工费时,而且成本较高。实际上,我们可以将“LED光源分立器件→MCPCB光源模组”合二为一,直接将LED芯片集成在MCPCB(或其它基板)上做成COB光源模块,走“COB光源模块→LED灯具”的路线,不但省工省时,而且可以节省器件封装的成本。
  与分立LED器件相比,COB光源模块在照明应用中可以节省LED的一次封装成本、光引擎模组制作成本和二次配光成本。在相同功能的照明灯具系统中,实际测算可以降低30%左右的光源成本,这对于半导体照明的应用推广有着十分重大的意义。在性能上,通过合理的设计和微透镜模造,COB光源模块可以有效地避免分立光源器件组合存在的点光、眩光等弊端;还可以通过加入适当的红色芯片组合,在不明显降低光源效率和寿命的前提下,有效地提高光源的显色性(目前已经可以做到90以上)。在应用上,COB光源模块可以使照明灯具厂的安装生产更简单和方便,有效地降低了应用成本。在生产上,现有的工艺技术和设备完全可以支持高良品率的
  COB光源模块的大规模制造。随着LED照明市场的拓展,灯具需求量在快速增长,我们完全可以根据不同灯具应用的需求,逐步形成系列COB光源模块主流产品,以便大规模生产。
  2、小型化贴片式LED也将是LED光源的另外一大主流产品
  除了芯片集成的COB光源模块有可能成为未来的半导体照明的主流封装形式外,高性能、低成本、方便于大规模生产制造和安装应用的小型化贴片式LED也将是LED光源的另外一大主流产品。个人认为,未来半导体照明的主要表现形式为:
  平面照明——办公场所或背光照明;
  带状照明——装饰照明;
  灯具照明——替代传统照明。
  在平面照明产品中,芯片集成的COB光源模块和贴片式LED的应用将并存;在带状照明产品中,贴片式LED将独领风骚;在灯具照明产品中,芯片集成的COB光源模块的应用将成为主流。
  总之,走向照明的LED光源将形成两大主流形态——功能化的芯片集成COB光源模块额小型化 LED器件,低成本将是永恒的主题。
此文关键字: LED照明产品知识
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