解析LED通用照明面临的四大挑战

当前，LED最具潜力的市场无疑当属平板液晶电视、笔记本电脑和笔记本显示器中的大尺寸LCD背光，但毫无疑问，通用照明才是LED的最终发展目标。目前，在LED通用照明 市场还未真正启动之前，LED球泡替换灯将成为照明市场最主要的增长领域。然而，市场上大量出现的LED球泡灯，等同于真正意义上的固态照明（SSL）吗？LED是否真的为通用照明做好了准备？

LED通用照明首先面临四大挑战

　　美国能源部曾表示：固态照明是50年来照明领域最具破坏性的创新技术。有不少业内人士对此表示认同，并认为LED是颠覆性产品，是要革它原来产品命的。但事实上，LED进入通用照明市场，依然面临四大挑战，它们分别是：光品质、光效表现、可靠性以及简单化。

　　飞利浦亚洲地区营销总监周学军对此解释道：LED的光品质与传统照明相比仍有差距；光效表现还有部分应用无法覆盖；由于LED照明可靠性由芯片、电、光、热、机械、互联部分等多个因素决定，因此无法保持足够的光输出流明维持寿命；由于缺乏统一标准，现在市场上的LED照明产品五花八门，复杂性也阻碍了其短期内很难被更多受众接受。''那么，目前市场上有哪些提升LED光品质和光效的方案？

光品质

通常我们谈到的光品质主要指光分布、光角度与阴影，以及演色性。这里，周学军特别强调设计人员要注意：不同LED 颗粒间的光色是否一致？随着时间推移不同颗粒的变化是否一致？一颗LED在不同角度是否存在色差？显色指数表现如何？

　　LED的整个封装工艺流程包括两个重要步骤：利用金线对芯片和管脚进行键合，以及进行荧光粉涂布。这两个步骤都会对LED造成色差，特别是金线会挡住光路，如果操作不当可能会对芯片造成隐性裂痕，从而形成芯片断裂隐患。为了解决这些问题，Philips Lumileds最新推出的LUXEON Rebel LED系列采用了最新TFFC（薄膜倒装芯片技术）和独有的Lumiramic荧光技术。

　　据周学军介绍，TFFC技术的电极在电路板后面，表面无纵横布线，因此物理结构更好。而Lumiramic荧光技术利用陶瓷荧光板代替荧光粉直接粘结到芯片上，使得表面完全平整，不会有凹凸和不均匀，因此从根本上避免了传统封装法因不均匀的荧光粉涂布而导致的大多数LED在偏离中心视轴的角度显示出颜色的不一致。此外，采用Lumiramic技术还可以将白光分bin（分档）的范围缩小至原来的1/4，周学军补充道。

　　目前，对于照明行业特别是照明设计来说，最头疼的问题莫过于分bin。对于一些有经验的LED制造商来说，通常的做法是在所有档中使用白光LED的整个输出范围。然而，在特定CCT（相关颜色温度）下，根本无法低成本生产出具有高一致性的白光LED,其主要原因在于蓝光LED芯片的波长和荧光粉的涂布工艺。因此，制造商可能会混合使用多个分bin的LED，但是这样一来，产品的应用范围受到限制，既增加了生产工艺的复杂性，又产生了更多存货。Cree公司对此的解决方案是EasyWhite bin,该方案采用Cree的多芯片XLamp MC-E LED,MC-E芯片采用四芯封装发，由Cree挑选四颗不同特性的白光LED芯片（上覆有荧光粉）并封装好，混合后的白光输出能达到预期色温，而且远小于ANSI规定的标准范围。

　　光效表现

就像半导体行业的摩尔定律一样，LED行业也有一个Haitz定律，即LED亮度大约每18-24个月提升一倍，而在今后10年内，预计亮度可以再提升20倍，成本则将降至现有的1/10.今天，市场上1美金大约可以买到100-150流明，美国能源部预计2020年这个数字将达到1000流明。

　　LED发光效率如何提高？

首先来看封装。目前，市面上LED光源最为常见的是直插式和贴片式。深圳市长光半导体照明科技有限公司技术副总监朱啸天则认为，这两种封装方式的散热出口截面积较小，而且一次出光口通道狭窄，利用率相对不高。根据LED的出光特点，长光半导体设计了扁平化的一次光学通道，形成了平面光源阵列式芯片，可以最小化光学损失。对此，朱啸天解释道：“像SMD的3528或505光源，使用玻璃纤维或塑料做基板，底部没有跟任何金属连接。平面光源阵列式芯片则采用了基于多芯片集成COB直接封装技术，光源使用的铝基板可以将更多热量通过直连散热散发出去。”据悉，目前该公司拥有完全自主知识产权的LED面光源技术光效已达130lm/w,整灯光效已大于100lm/w.

　　除了封装，芯片结构、正向电压等因素也十分关键。正向电压如果能被控制在一个非常小的范围内，就可以获得很好的光效。在这部分，还要特别注意如何解决droop现象。众所周知，电流密度的增加会使LED（主要指蓝色、绿色等将InGaN作为发光层的LED）发出更多的光，但与此同时光效也会随之下降。当前，芯片设计公司正在努力寻求解决方法，尽可能使光效与电流增加呈正比。也就是说，在一平方毫米面积上，以光效无损为前提得到更多光，而不是靠提高die尺寸。当然，冷热系数（LED在100°C结温和25°C结温时的灯光输出比值）的提升也有助于简化散热系统设计，从而降低最终应用中的每流明成本。

　　如何解决散热问题

　　LED抗热性的重要已成为业界共识，这个问题对于LED通用照明同样存在。对此，周学军曾生动地比喻道：LED就像是一个雪人，冷的时候很漂亮，但是一热了就会融化，变得很难看。

　　LED系统设计中的热管理很重要，因为相当部分的电能转换成了热能。''安森美半导体电源及便携产品全球销售及营销高级总监郑兆雄表示，''要解决好散热问题，需要提升驱动电源的转换能效和应用更高光效的LED,采用提供强固热故障保护性能的LED驱动芯片和散热性能更好的驱动芯片封装，以及散热性能更好的LED基板等。此外，为了提高系统可靠性，还需结合其它手段，如采用额定工作温度更高的更好外部元器件，以及采用环境光传感器以减少电能消耗和发热量等。''

　　美国国家半导体（NS）亚太区市场经理黎志远认为：受实际操作环境影响，LED的内部温度确实可能会飙升至极高水平。一旦LED的温度升越阈值，进入非安全区，那么LED的寿命及照明效果便会受到影响。而采用热能回折电路则可以监控系统热能，以免温度失控。

NS的LM3424芯片正是一款这样的产品，可为照明 系统的LED 设置温度及斜坡断点，确保LED停留在安全区内操作。如果出现过热情况，LM3424的热能回折电路便会减少流入LED的稳压电流。减少的镇压电流会使LED的亮度也随之下降，但仍然保持在工程师预设范围内，直至操作温度恢复到安全的操作范围内。此外，NS还推出了一款大功率LED驱动器LM3464,采用该芯片的过热保护系统解决方案可以监控LED散热器/铜箔层的温度：若LED温度突然大幅飙升，过热保护功能会调低输出电流，避免LED在不正常情况下过热受损，同时LED可保持一定的亮度。

　　上海龙茂微电子有限公司总经理茅于海指出，彻底解决''热''问题还有待LED发光效率的提高。深圳瑞丰光电子有限公司常务副总林常对此表示认同，他表示：''要解决热管理的问题，首先从芯片方面就要提高光效，光效提高自然热就小了。到了封装，要考虑如何把热量导出，同时还需要解决封装材料的耐热问题，材料不黄变，光衰减就没有。而在应用端要做的，就是如何把热导入到大自然环境中去，这里不烫就成了关键。三方面的设计人员都要做好自己应该做的事，这才是根本。针对不同的产品，解决方案一定不同。''据悉，目前瑞丰光电在封装环节，已经能够做