LED通用照明若干先進技術簡介

飛利浦（中國）投資有限公司 鄭 棟

1 背景

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

在LED照明行業發展的中前期，一大現實問題就是產品光效較低，盡管可以取代白熾燈，也解決了節能燈含有有害物質如汞、含有有害光線如紫外線這兩大問題，但是由于性價比不高，與傳統光源相比并沒有實際的市場優勢。當務之急，就是盡快提升其發光效率，降低其成本，以實現新技術的普及和節能環保的目標。

自本世紀以來，伴隨著LED技術的發展和性能的提高，其在通用照明領域的應用成為可能并得到了快速的發展。相較于傳統光源而言，其節能環保的優勢漸漸得以體現。同時由于價格的快速下降，市場份額也在快速的提升。關于LED照明將在未來5-10年左右的時間成為照明市場的主流，已經得到了業界的公認。

國家對LED產業的發展寄予厚望并給予了充分的政策支持和導向。2012年4月起，國務院相關部委將LED設備列入了免征關稅和進口環節增值稅的清單。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節能產品，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產業的技術創新和應用推廣。

飛利浦照明LED產品研發部坐落于上海，是一支由本土技術人才構成的高水平研發團隊。通過技術創新，推出了一批技術領先、性能出眾的LED照明新產品，帶動了整個產業的發展。

2 技術簡介

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

LED照明產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勢，對于球泡燈卻是個劣勢，難以設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、整燈機械結構做出獨特設計。本文介紹了球形、弧形等遠程熒光粉組件設計；高臺結構、垂直LED放置結構等機械設計，實現了與白熾燈同樣的光角分布。

2.1 遠程熒光粉技術及其應用

在藍光LED發明后，為了發出照明所需的白光，需要在LED發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，以實現高效的LED產品。這一熒光粉層通常采用YAG即釔榴石等材料，以產生黃色及紅色區域的光譜。這些光譜與藍光LED自身的光譜結合，即可產生白光。通過調節熒光粉的成分及工藝，即可產生不同色溫、顯色指數的白光產品。

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，從而不能真正發出。其二是熒光粉層在進行光譜轉換的同時將產生大量的熱，這些熱量的產生將同時降低LED的發光效率和使用壽命。為了解決這一問題，本成果研發了新型熒光粉材料，并與透明介質載體混合注塑，形成一個新的產品組件。

圖1 白光LED工作原理及光譜分布

在該結構下，熒光粉層所反射的光線將被光學腔內的反射面發射并再次與熒光粉層相互作用，形成了藍光的循環利用。這一方案可以很大的提高LED照明系統的光效，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時，一般很難兼顧照明產品所追求的高光效與高顯色性這兩個關鍵參數。這其中的關鍵，在于白光光譜中紅色成分的實現。當紅色部分的光譜由藍光激發熒光粉中的紅色組分實現時，由于轉換損失的存在，系統的光效和顯色性都受到限制。為此提出了紅藍雙色LED且結合遠程熒光粉技術的光源方案。

在此技術方案下，2009年的產品光效即已達到90lm/W以上。這一光效在三年后的今天也依然領先于市場上絕大多數產品。該項技術已成為LED照明行業發展的一大方向。

圖2 遠程熒光粉技術及其衍生復合LED光源系統

2.2 全光角高流明照明產品設計

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應用場合的需求。

本文介紹兩類LED球泡燈產品，一類為單光腔結構，而另一類為多光腔結構。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。

單光腔結構產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）。

多光腔結構產品的設計（見圖4）主要是圍繞美國能源之星的要求及美國能源環保署的“明日照明獎”而研究的一種新型技術。能源之星的光角要求為∶

1）在0°～135°區域的光強(cd)不能高于此區域平均光強的20%。

2）在135°～180°區域的光通量(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。

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

2.3 先進LED驅動技術

圖3 單光腔結構產品中全光角的實現方法

圖4 多光腔結構產品中光學分布及工

針對目前LED應用的特點（多采用低壓大電流LED），在分析比較不同電源拓撲的優劣的基礎上，提出了適合于LED照明特性的驅動電源方案。采用該方案可顯著提高系統效率，同時降低成本，更能體現出LED照明產品的優勢。

設計出的LED驅動電源由一次側感應功能，搭配嚴格的LED電流調節機制，因此不需用到光隔離器以及其他次級側控制電路。透過這種設計技巧，可以最大程度地減少元件數量，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。該驅動電源亦具備其他一次側控制解決方案所欠缺的電路保護機制，內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）。

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

2.4 防盜設計

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

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

圖5 單通道LED驅動電路圖

圖6 防盜燈結構示意圖

2.5 可靠性設計

LED燈作為目前較為高端的照明產品，用戶對于其壽命和可靠性有較高的期望值。事實上，眾多不良產品的涌現，正在破壞用戶對于LED照明產品的印象。為此，需要對產品整體進行優化設計，對每個部件都進行性能監控，對各種應用條件做出有限防護。依據可靠性原則而設計出來的產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能燈均已不再被點亮。

3 結語

當下正是LED照明蓬勃發展的高峰期，先進的技術和新穎的設計紛紛涌現。飛利浦LED照明部門致力于新技術的推出并應用，以及新的設計方案的實現，同時確保產品的質量和高可靠性。在不久的將來，將會有更多技術先進、性能優異、價格合理的產品問世，并帶動LED照明行業的技術進步和普及發展。