LED照明的部落格

最近很多網站都大肆報導一種“高壓LED”，認為它是一種全新的LED品種，而且具有很多優點，甚至認為它將使“今天的低壓LED將淡出未來的LED通用照明市場”而高壓LED將“主導未來的LED通用照明”，真的是這樣嗎?

我們知道，LED的中文是“發光二極管”，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，那麼一定是電壓越高，電流越大。可是這種高壓LED的最大特點卻是高電壓、小電流。那又是怎麼一回事呢?

　　一. 什麼是高壓LED

再仔細了解一下，原來它只是很多20mA的小功率LED串聯起來，變成了所謂的高壓LED。把很多小功率LED串聯起來並不是什麼新鮮事，其實在很多燈具裡早就這樣用了。唯一不同的是過去燈具廠商都是把已經封裝好了的小功率LED串聯起來。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全部串聯起來以得到高電壓小電流的特性，用於LED球泡燈中。

現在則是由LED生產廠家提供一種串聯好了的小功率LED，並把它稱之為“高壓LED”而已。它只是集成LED中的一種。其實過去早就有各種集成的LED，以不同數量的LED串並聯起來，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在基板上就串並聯起來，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實際上是把25個1W的LED在芯片上5並5串而得來，其尺寸為25.3x22.3mm發光面的直徑為17.5mm(圖2)，正向電壓16.6V，正向電流1.75A，熱阻0.5°C/W。

高壓LED和這種集成LED的主要差別在於高壓LED是全部串聯，而集成LED則是串並聯。集成LED的特點是在一個大晶片上採用開槽的方法，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光面積。在開出溝槽以後，為了敷設連接各個LED的導線，還要用絕緣層把這些溝槽填平，再按照串聯或併聯的要求而敷上相應的鋁線。

　　二.高壓LED的性能指標

只查到幾種電壓並不太高的HV LED。其指標如下表所示：其中並沒有他們宣傳的耐壓50V的高壓LED。看來真正的高壓LED也還沒有成熟。所以也無從進行定量的比較。

三. 高壓LED的優缺點

那麼我們來看一下到底這種高壓LED有何優缺點。

1. 功率耗散和散熱器大小：有的報導宣稱1W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低於低壓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的發光效率決定，而不是由其標稱功率決定。標稱功率不等於輸入功率。如果要決定散熱器的大小，應當是在同樣的發光效率來計算。通常認為對於目前100lm/W的發光效率來說，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%的電能轉換為光能，其餘的70%的電能都轉換為熱能而需要經過散熱器散去。所以對於具有同樣發光效率的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動電源效率的情況下是不會有什麼差別的。

2. AC/DC轉換器的效率：在同文中認為“輸入和輸出壓差越低，AC到DC的轉換效率就越高”。該文還認為因為220V輸入時，高壓LED只要4個串聯就是200V，和220V只差20V。而用低壓LED，即使是10個串聯正向壓降也只有30V，和220V相差很大。所以“如採用高壓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轉換時的功率損失，這一熱耗減少又可進一步降低散熱外殼的成本。” 實際上做過AC/ DC恆流驅動的人都知道，AC/DC轉換器的效率幾乎是和最後的輸出電壓沒有什麼關係。可能變壓器次級的電流大了會增加一些銅損，但是這是很小的，還不至於影響到散熱器的設計。真正影響AC/DC轉換器的效率的因素還有很多，例如非隔離的轉換器效率就比隔離型轉換器的效率要高很多(因為通常非隔離轉換器根本就不用變壓器，只要採用了變壓器，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採用肖特基二極管，而如果輸出是200V高電壓，那麼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，如果採用同樣低效的普通整流二極管，那麼其效率也不可能提高。 。所以認為輸出電壓高，可以大大降低轉換器的功率損失，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：對於一個36W的LED，如果採用36個1W的LED那麼就會佔據很大的面積，而如果做一個集成的36W高壓LED，那麼就只要很小的面積(圖3)。這個看上去是優點，但如果從散熱的觀點來看就未必是優點。因為假如二者的發光效率相同的話，那麼它們將要散發的熱量是相同的。而在一個很小的面積裡要散發出大量的熱量，這在散熱器的設計中將是一個大難題。

實際上，集成LED的生產廠商已經註意到這個問題，而且做了很多改進。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，以改進其導熱。然而這些措施並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出，唯一的辦法是採用熱管。而這反而會增加散熱器的成本。同樣，由於高壓LED的底板採用了紫銅，那麼和它直接接觸的散熱器部分也必須採用紫銅而不能採用鋁，因為二者的膨脹係數不同，直接接觸會產生縫隙而影響導熱。如果採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”。在不少的報導中都把高壓LED和AC-LED相提並論。所以認為高壓LED可以根本不需要恆流電源(圖4)。

我們知道首先並不是只有高壓LED和AC-LED可以不用恆流源，而所有LED也都可以不採用恆流源，只是不用恆流源以後都會使LED的使用壽命大大降低。這是因為由於LED伏安特性的負溫度係數，使得LED的正向電流隨著LED的溫升而增高，從而使得LED的結溫升高，而降低了LED的壽命，高壓LED也不例外。

　　所以這個優點是不成立的。用犧牲壽命的方法來降低成本，好像並不是一種好方法。因為假定本來可以工作五萬小時，現在變成只有2.5萬小時，那對於用戶來說，豈不是使用成本提高了2倍。遠比省下一個恆流源要貴很多。

5. 發光效率的高低：據稱，台灣晶元光電將於今年推出發光效率高達160lm/W

這個數據在當前來說的確是相當高的，但是提高發光效率的手段有很多，它並不是高壓LED的特點。只是應用到這種高壓LED而已。如果應用到普通LED也是可以提高發光效率的。當然，如果這個高壓LED真的有這麼高的發光效率，那的確是一個很好的LED，比起那些100lm/W的LED，當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)的發光效率也可以高達160lm/W(圖6)，也可以減小散熱器的大小，因為散熱器的大小只是和發光效率有關，和低壓LED還是高壓LED並沒有什麼關係。

6、成本低，一個50V，20mA的高壓LED的售價是不是能夠低於1個3.3V，350mA的1W LED或者10個3.3V，30mA的小功率LED，並不清楚。假如能夠低於，那麼當然是一個優點。至少10個已經封裝好了的30mA的小功率LED的價錢的確是比一個1W大功率LED為便宜。所以這也是為什麼很多燈具廠商選用很多小功率LED串聯來取代一個大功率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也可以串聯起來得到和高壓LED完全一樣的外特性。二者比較的結果如下：

1、分立LED的優點是靈活性比較強，用戶可以根據需要串聯任意個數的LED以得到所需的伏安特性。也可以進行串並聯得到更為靈活的特性。

2、分立LED的發光面可以在一定範圍裡調節(增大)，以使發光均勻，減小眩光。

3、分立LED的散熱面積比較大，容易分散熱量，簡化散熱器的設計。

　　4、集成高壓LED減小了封裝成本。

5、集成高壓LED減少了元件數和焊點數，提高了可靠性。

總之，高壓LED不失為一種具有特點的LED，它可以增加使用者的選擇。但並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裡，本來就是低壓直流的電源，當然也就會直接採用低壓直流的LED了。所以各種LED都會存在，只是供給不同的場合罷了。

via 电子工程世界