LED通用照明若干先进技术简介

2012-12-25飞利浦中国投资有限公司

上海节能 2012年6期

飞利浦（中国）投资有限公司郑栋

1 背景

LED发明于上世纪60年代，早期的LED只能用作指示灯。1993年中村修二发明的蓝光LED，为LED在照明领域的应用提供了理论上的可能性。然而LED照明行业的真正发展，则是从2000年以后才开始的。

在LED照明行业发展的中前期，一大现实问题就是产品光效较低，尽管可以取代白炽灯，也解决了节能灯含有有害物质如汞、含有有害光线如紫外线这两大问题，但是由于性价比不高，与传统光源相比并没有实际的市场优势。当务之急，就是尽快提升其发光效率，降低其成本，以实现新技术的普及和节能环保的目标。

自本世纪以来，伴随着LED技术的发展和性能的提高，其在通用照明领域的应用成为可能并得到了快速的发展。相较于传统光源而言，其节能环保的优势渐渐得以体现。同时由于价格的快速下降，市场份额也在快速的提升。关于LED照明将在未来5-10年左右的时间成为照明市场的主流，已经得到了业界的公认。

国家对LED产业的发展寄予厚望并给予了充分的政策支持和导向。2012年4月起，国务院相关部委将LED设备列入了免征关税和进口环节增值税的清单。在“十二五”期间，中央财政计划安排80亿元人民币预算外资金采购LED节能产品，同时带动不低于30亿元人民币的地方配套资金。中央和地方政府还通过“十城万盏”等活动，大力推动LED产业的技术创新和应用推广。

飞利浦照明LED产品研发部坐落于上海，是一支由本土技术人才构成的高水平研发团队。通过技术创新，推出了一批技术领先、性能出众的LED照明新产品，带动了整个产业的发展。

2 技术简介

传统的白光LED照明产品将荧光粉涂覆在LED发光材料的表面，这一技术有两个缺点：首先荧光粉层发出的光线分为出射和反射两类，此结构下的反射光线将被LED吸收并降低整体发光效率；其次荧光粉层在发光的同时产生热量，这些热量直接加热了LED，既降低发光效率又降低使用寿命。为了提高LED照明产品的光效，首先要提高光源的效率。为此提出了远程荧光粉的新技术，在此基础之上，又提出了复合型LED的应用技术及其衍生技术。对于产品整体而言，同时需要对周边的机械设计、光学设计、热学设计和驱动设计进行联合创新和系统集成。

LED照明产品还有另一个先天的特性，即LED是具有指向性的光源，对于射灯来将是个优势，对于球泡灯却是个劣势，难以设计出类似于白炽灯的全光角光源。为此需要对远程荧光粉组件的形态、整灯机械结构做出独特设计。本文介绍了球形、弧形等远程荧光粉组件设计；高台结构、垂直LED放置结构等机械设计，实现了与白炽灯同样的光角分布。

2.1 远程荧光粉技术及其应用

在蓝光LED发明后，为了发出照明所需的白光，需要在LED发光层表面再涂覆一层荧光粉。其工作原理如下图1，蓝光LED 采用InGaN作为主要材料，上面涂覆荧光粉层，并配合镀银反射面，以实现高效的LED产品。这一荧光粉层通常采用YAG即钇榴石等材料，以产生黄色及红色区域的光谱。这些光谱与蓝光LED自身的光谱结合，即可产生白光。通过调节荧光粉的成分及工艺，即可产生不同色温、显色指数的白光产品。

这一方法存在两个缺点，其一是蓝光在与荧光粉层相互作用后，新产生的光线将有一半被反射回LED自身。而这部分光线将被LED吸收，从而不能真正发出。其二是荧光粉层在进行光谱转换的同时将产生大量的热，这些热量的产生将同时降低LED的发光效率和使用寿命。为了解决这一问题，本成果研发了新型荧光粉材料，并与透明介质载体混合注塑，形成一个新的产品组件。

图1 白光LED工作原理及光谱分布

在该结构下，荧光粉层所反射的光线将被光学腔内的反射面发射并再次与荧光粉层相互作用，形成了蓝光的循环利用。这一方案可以很大的提高LED照明系统的光效，同时由于大大降低了LED的工作温度，可以提高同等条件下LED的使用寿命。这一方案的原理见图2。

在采用远程荧光粉技术时，一般很难兼顾照明产品所追求的高光效与高显色性这两个关键参数。这其中的关键，在于白光光谱中红色成分的实现。当红色部分的光谱由蓝光激发荧光粉中的红色组分实现时，由于转换损失的存在，系统的光效和显色性都受到限制。为此提出了红蓝双色LED且结合远程荧光粉技术的光源方案。

在此技术方案下，2009年的产品光效即已达到90lm/W以上。这一光效在三年后的今天也依然领先于市场上绝大多数产品。该项技术已成为LED照明行业发展的一大方向。

图2 远程荧光粉技术及其衍生复合LED光源系统

2.2 全光角高流明照明产品设计

LED本身的光角只有120度左右。通过外加具有匀光效果的泡壳，普通LED灯泡的光角一般在180度左右。然而这一光角仍然不满足多数应用场合的需求。

本文介绍两类LED球泡灯产品，一类为单光腔结构，而另一类为多光腔结构。前者采用灯的下半部作为对外散热的界面，后者采用光学腔之间开放式热通道及下半部壳体作为散热界面。

单光腔结构产品采用混有荧光粉的塑料，通过注塑成型工艺，将荧光粉光源器件制成球形壳体，并安装在升高的锥形金属散热平台上，既保证LED的热快速扩散，位于高台的球形光源能形成260度左右的光分布（见图3）。

多光腔结构产品的设计（见图4）主要是围绕美国能源之星的要求及美国能源环保署的“明日照明奖”而研究的一种新型技术。能源之星的光角要求为∶

1）在0°～135°区域的光强(cd)不能高于此区域平均光强的20%。

2）在135°～180°区域的光通量(lm)至少有总光通量的5%。

3）在45°和90°平面的测量值必须一致。

本设计采用了立式多光源腔设计，带有荧光粉的皇冠形外罩在蓝光LED的激发下成为白光的发光体。产品截面直径上大下小，这有利于增强下射光线。

2.3 先进LED驱动技术

图3 单光腔结构产品中全光角的实现方法

图4 多光腔结构产品中光学分布及工

针对目前LED应用的特点（多采用低压大电流LED），在分析比较不同电源拓扑的优劣的基础上，提出了适合于LED照明特性的驱动电源方案。采用该方案可显著提高系统效率，同时降低成本，更能体现出LED照明产品的优势。

设计出的LED驱动电源由一次侧感应功能，搭配严格的LED电流调节机制，因此不需用到光隔离器以及其他次级侧控制电路。透过这种设计技巧，可以最大程度地减少元件数量，进而降低电路板空间、耗电以及整体零组件成本，胜过其他独立型解决方案。该驱动电源亦具备其他一次侧控制解决方案所欠缺的电路保护机制，内建的保护功能包括过压保护（OVP）、输出短路保护（OSCP）、尖峰电流设限保护（PCLP）、电流感测电阻器短路保护（CSSP）以及过热保护（OTP）。

在驱动电源设计的后期，驱动电源已不仅具备了高效率，还符合能源之星的省电规范。该驱动电路能够自动侦测用户使用的调光器（见图5），因此能适用在大多数已安装在墙壁插座内的调光器，最暗亮度可调低至1%的，而且不会有闪烁现象。与其他市面上主流的大功率驱动电源相比，本驱动电源具有可控硅调光功能，并符合安规和电磁兼容的要求，有高效率、高可靠、抗浪涌、低能耗、低成本的优势，其应用前景广泛。

2.4 防盗设计

LED照明产品的价格较高，引起了很多专业用户（尤其是公共场合、酒店宾馆等）对于防盗的特殊要求。本文设计了新的产品机械结构，包括灯体，灯头，灯头可以和外部环境中的灯座连接。其特征在于灯体内部设置有弹簧组件和棘轮结构，当顺时针旋转灯时，整个灯可以被拧紧到外部环境中的灯座上，而当逆时针旋转灯时，灯体只能绕所述棘轮结构作反复圆周运动，而不能被拧下来（见图6）。

当真正的使用者需要卸下灯时，可以通过调节弹簧组件上的螺钉，使其阻挡弹簧组件上与棘轮结构啮合连接的长针，从而可以在不破环灯的前提下安全取出灯。