飛利浦（中國(guó)）投資有限公司 鄭 棟

1 背景

LED發(fā)明于上世紀(jì)60年代，早期的LED只能用作指示燈。1993年中村修二發(fā)明的藍(lán)光LED，為L(zhǎng)ED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論上的可能性。然而LED照明行業(yè)的真正發(fā)展，則是從2000年以后才開始的。

在LED照明行業(yè)發(fā)展的中前期，一大現(xiàn)實(shí)問題就是產(chǎn)品光效較低，盡管可以取代白熾燈，也解決了節(jié)能燈含有有害物質(zhì)如汞、含有有害光線如紫外線這兩大問題，但是由于性價(jià)比不高，與傳統(tǒng)光源相比并沒有實(shí)際的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)務(wù)之急，就是盡快提升其發(fā)光效率，降低其成本，以實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的普及和節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

自本世紀(jì)以來，伴隨著LED技術(shù)的發(fā)展和性能的提高，其在通用照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能并得到了快速的發(fā)展。相較于傳統(tǒng)光源而言，其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)漸漸得以體現(xiàn)。同時(shí)由于價(jià)格的快速下降，市場(chǎng)份額也在快速的提升。關(guān)于LED照明將在未來5-10年左右的時(shí)間成為照明市場(chǎng)的主流，已經(jīng)得到了業(yè)界的公認(rèn)。

國(guó)家對(duì)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展寄予厚望并給予了充分的政策支持和導(dǎo)向。2012年4月起，國(guó)務(wù)院相關(guān)部委將LED設(shè)備列入了免征關(guān)稅和進(jìn)口環(huán)節(jié)增值稅的清單。在“十二五”期間，中央財(cái)政計(jì)劃安排80億元人民幣預(yù)算外資金采購LED節(jié)能產(chǎn)品，同時(shí)帶動(dòng)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(dòng)，大力推動(dòng)LED產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用推廣。

飛利浦照明LED產(chǎn)品研發(fā)部坐落于上海，是一支由本土技術(shù)人才構(gòu)成的高水平研發(fā)團(tuán)隊(duì)。通過技術(shù)創(chuàng)新，推出了一批技術(shù)領(lǐng)先、性能出眾的LED照明新產(chǎn)品，帶動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 技術(shù)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的白光LED照明產(chǎn)品將熒光粉涂覆在LED發(fā)光材料的表面，這一技術(shù)有兩個(gè)缺點(diǎn)：首先熒光粉層發(fā)出的光線分為出射和反射兩類，此結(jié)構(gòu)下的反射光線將被LED吸收并降低整體發(fā)光效率；其次熒光粉層在發(fā)光的同時(shí)產(chǎn)生熱量，這些熱量直接加熱了LED，既降低發(fā)光效率又降低使用壽命。為了提高LED照明產(chǎn)品的光效，首先要提高光源的效率。為此提出了遠(yuǎn)程熒光粉的新技術(shù)，在此基礎(chǔ)之上，又提出了復(fù)合型LED的應(yīng)用技術(shù)及其衍生技術(shù)。對(duì)于產(chǎn)品整體而言，同時(shí)需要對(duì)周邊的機(jī)械設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)、熱學(xué)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行聯(lián)合創(chuàng)新和系統(tǒng)集成。

LED照明產(chǎn)品還有另一個(gè)先天的特性，即LED是具有指向性的光源，對(duì)于射燈來將是個(gè)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于球泡燈卻是個(gè)劣勢(shì)，難以設(shè)計(jì)出類似于白熾燈的全光角光源。為此需要對(duì)遠(yuǎn)程熒光粉組件的形態(tài)、整燈機(jī)械結(jié)構(gòu)做出獨(dú)特設(shè)計(jì)。本文介紹了球形、弧形等遠(yuǎn)程熒光粉組件設(shè)計(jì)；高臺(tái)結(jié)構(gòu)、垂直LED放置結(jié)構(gòu)等機(jī)械設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與白熾燈同樣的光角分布。

2.1 遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)及其應(yīng)用

在藍(lán)光LED發(fā)明后，為了發(fā)出照明所需的白光，需要在LED發(fā)光層表面再涂覆一層熒光粉。其工作原理如下圖1，藍(lán)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(shí)現(xiàn)高效的LED產(chǎn)品。這一熒光粉層通常采用YAG即釔榴石等材料，以產(chǎn)生黃色及紅色區(qū)域的光譜。這些光譜與藍(lán)光LED自身的光譜結(jié)合，即可產(chǎn)生白光。通過調(diào)節(jié)熒光粉的成分及工藝，即可產(chǎn)生不同色溫、顯色指數(shù)的白光產(chǎn)品。

這一方法存在兩個(gè)缺點(diǎn)，其一是藍(lán)光在與熒光粉層相互作用后，新產(chǎn)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(fā)出。其二是熒光粉層在進(jìn)行光譜轉(zhuǎn)換的同時(shí)將產(chǎn)生大量的熱，這些熱量的產(chǎn)生將同時(shí)降低LED的發(fā)光效率和使用壽命。為了解決這一問題，本成果研發(fā)了新型熒光粉材料，并與透明介質(zhì)載體混合注塑，形成一個(gè)新的產(chǎn)品組件。

圖1 白光LED工作原理及光譜分布

在該結(jié)構(gòu)下，熒光粉層所反射的光線將被光學(xué)腔內(nèi)的反射面發(fā)射并再次與熒光粉層相互作用，形成了藍(lán)光的循環(huán)利用。這一方案可以很大的提高LED照明系統(tǒng)的光效，同時(shí)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(yuǎn)程熒光粉技術(shù)時(shí)，一般很難兼顧照明產(chǎn)品所追求的高光效與高顯色性這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。這其中的關(guān)鍵，在于白光光譜中紅色成分的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)紅色部分的光譜由藍(lán)光激發(fā)熒光粉中的紅色組分實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)換損失的存在，系統(tǒng)的光效和顯色性都受到限制。為此提出了紅藍(lán)雙色LED且結(jié)合遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)的光源方案。

在此技術(shù)方案下，2009年的產(chǎn)品光效即已達(dá)到90lm/W以上。這一光效在三年后的今天也依然領(lǐng)先于市場(chǎng)上絕大多數(shù)產(chǎn)品。該項(xiàng)技術(shù)已成為L(zhǎng)ED照明行業(yè)發(fā)展的一大方向。

圖2 遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)及其衍生復(fù)合LED光源系統(tǒng)

2.2 全光角高流明照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)

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(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

本文介紹兩類LED球泡燈產(chǎn)品，一類為單光腔結(jié)構(gòu)，而另一類為多光腔結(jié)構(gòu)。前者采用燈的下半部作為對(duì)外散熱的界面，后者采用光學(xué)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(jié)構(gòu)產(chǎn)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(tái)上，既保證LED的熱快速擴(kuò)散，位于高臺(tái)的球形光源能形成260度左右的光分布（見圖3）。

多光腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)（見圖4）主要是圍繞美國(guó)能源之星的要求及美國(guó)能源環(huán)保署的“明日照明獎(jiǎng)”而研究的一種新型技術(shù)。能源之星的光角要求為∶

1）在0°～135°區(qū)域的光強(qiáng)(cd)不能高于此區(qū)域平均光強(qiáng)的20%。

2）在135°～180°區(qū)域的光通量(lm)至少有總光通量的5%。

3）在45°和90°平面的測(cè)量值必須一致。

本設(shè)計(jì)采用了立式多光源腔設(shè)計(jì)，帶有熒光粉的皇冠形外罩在藍(lán)光LED的激發(fā)下成為白光的發(fā)光體。產(chǎn)品截面直徑上大下小，這有利于增強(qiáng)下射光線。

2.3 先進(jìn)LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)

圖3 單光腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中全光角的實(shí)現(xiàn)方法

圖4 多光腔結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中光學(xué)分布及工

針對(duì)目前LED應(yīng)用的特點(diǎn)（多采用低壓大電流LED），在分析比較不同電源拓?fù)涞膬?yōu)劣的基礎(chǔ)上，提出了適合于LED照明特性的驅(qū)動(dòng)電源方案。采用該方案可顯著提高系統(tǒng)效率，同時(shí)降低成本，更能體現(xiàn)出LED照明產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。

設(shè)計(jì)出的LED驅(qū)動(dòng)電源由一次側(cè)感應(yīng)功能，搭配嚴(yán)格的LED電流調(diào)節(jié)機(jī)制，因此不需用到光隔離器以及其他次級(jí)側(cè)控制電路。透過這種設(shè)計(jì)技巧，可以最大程度地減少元件數(shù)量，進(jìn)而降低電路板空間、耗電以及整體零組件成本，勝過其他獨(dú)立型解決方案。該驅(qū)動(dòng)電源亦具備其他一次側(cè)控制解決方案所欠缺的電路保護(hù)機(jī)制，內(nèi)建的保護(hù)功能包括過壓保護(hù)（OVP）、輸出短路保護(hù)（OSCP）、尖峰電流設(shè)限保護(hù)（PCLP）、電流感測(cè)電阻器短路保護(hù)（CSSP）以及過熱保護(hù)（OTP）。

在驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的后期，驅(qū)動(dòng)電源已不僅具備了高效率，還符合能源之星的省電規(guī)范。該驅(qū)動(dòng)電路能夠自動(dòng)偵測(cè)用戶使用的調(diào)光器（見圖5），因此能適用在大多數(shù)已安裝在墻壁插座內(nèi)的調(diào)光器，最暗亮度可調(diào)低至1%的，而且不會(huì)有閃爍現(xiàn)象。與其他市面上主流的大功率驅(qū)動(dòng)電源相比，本驅(qū)動(dòng)電源具有可控硅調(diào)光功能，并符合安規(guī)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(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用前景廣泛。

2.4 防盜設(shè)計(jì)

LED照明產(chǎn)品的價(jià)格較高，引起了很多專業(yè)用戶（尤其是公共場(chǎng)合、酒店賓館等）對(duì)于防盜的特殊要求。本文設(shè)計(jì)了新的產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括燈體，燈頭，燈頭可以和外部環(huán)境中的燈座連接。其特征在于燈體內(nèi)部設(shè)置有彈簧組件和棘輪結(jié)構(gòu)，當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)燈時(shí)，整個(gè)燈可以被擰緊到外部環(huán)境中的燈座上，而當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)燈時(shí)，燈體只能繞所述棘輪結(jié)構(gòu)作反復(fù)圓周運(yùn)動(dòng)，而不能被擰下來（見圖6）。

當(dāng)真正的使用者需要卸下燈時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)彈簧組件上的螺釘，使其阻擋彈簧組件上與棘輪結(jié)構(gòu)嚙合連接的長(zhǎng)針，從而可以在不破環(huán)燈的前提下安全取出燈。

圖5 單通道LED驅(qū)動(dòng)電路圖

圖6 防盜燈結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 可靠性設(shè)計(jì)

LED燈作為目前較為高端的照明產(chǎn)品，用戶對(duì)于其壽命和可靠性有較高的期望值。事實(shí)上，眾多不良產(chǎn)品的涌現(xiàn)，正在破壞用戶對(duì)于LED照明產(chǎn)品的印象。為此，需要對(duì)產(chǎn)品整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)每個(gè)部件都進(jìn)行性能監(jiān)控，對(duì)各種應(yīng)用條件做出有限防護(hù)。依據(jù)可靠性原則而設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品在美國(guó)第三方實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)表明：

○ 點(diǎn)亮1萬小時(shí)后光通量沒有衰減；

○色點(diǎn)漂移小于0.001。

產(chǎn)品通過FMVT測(cè)試，即：

○同時(shí)施加電氣沖擊、熱沖擊、機(jī)械沖擊和濕度沖擊后完好；

○同等沖擊條件下的節(jié)能燈均已不再被點(diǎn)亮。

3 結(jié)語

當(dāng)下正是LED照明蓬勃發(fā)展的高峰期，先進(jìn)的技術(shù)和新穎的設(shè)計(jì)紛紛涌現(xiàn)。飛利浦LED照明部門致力于新技術(shù)的推出并應(yīng)用，以及新的設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)確保產(chǎn)品的質(zhì)量和高可靠性。在不久的將來，將會(huì)有更多技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)異、價(jià)格合理的產(chǎn)品問世，并帶動(dòng)LED照明行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和普及發(fā)展。