【专家思路】蓝光"LED白炽灯"的设计思考

　　白炽灯（incandescent lamp）自发明至今全世界使用了100多年。白炽灯是将交流市电直接加在钨丝电阻上，使其发热而发光，从而照亮黑暗，使全世界数亿人口在夜晚有了电灯带来的光明与快乐生活，以及劳作的方便。

　　白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年，美国的托马斯·爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高。但白炽灯的发光效率及其他光点参数比节能灯、卤钨灯等新光源差，正逐步被新光源取代。2012年10月1日起，中国将禁止进口和销售100瓦以上普通照明白炽灯。

　　图1  百年白炽灯

　　如何将LED灯设计制造得如同白炽灯一样应用方便？是摆在千百位LED照明灯具设计师面前的重大课题。

　　蓝光"LED白炽灯"也许可以。

　　蓝光"LED白炽灯"的设想

　　2011年春夏，在设计"蓝光LED光引擎" 时已经联想到设计蓝光"LED白炽灯"的方案。　　鉴于传统的白光LED是直接在蓝光LED上涂覆黄磷荧光粉的，由于白光LED点亮后热量很高，黄磷荧光粉在长期高温熏烤下容易变性，导致用久之后显色指数变差。在LED灯具内，如将黄磷荧光粉不直接涂覆在白光LED上，而是将黄磷染色在PVC灯罩上，在灯具内与蓝光LED保持一定的距离，两者叠加使用，同样可求得LED灯具的白光或暖白光效果。由于黄磷滤色灯罩远离LED热源，因此，不会因LED光源的长期高温烧烤而老化变性，CRI（演色性）基本不变；黄磷滤色灯罩的配方可调，灯光的颜色、色温可随客户的需要调制，可满足客制化的要求，生产差异化的产品。

　　蓝光"LED白炽灯"沿用白炽灯的结构设计是为了方便传承百年来白炽灯的使用习惯，创新其内涵是赋予LED节能、无公害、长寿命的新技术。以蓝光HV LEDs为光源，加上黄磷滤色灯罩。市电经AC/DC整流和恒流驱动电源变换，输出恒流直流电点亮蓝光LED光源，蓝光经黄磷滤色灯罩的过滤二次发光，使"LED白炽灯"发出冷白光或暖白光。工作原理如图2所示。

　　图2  "新LED白炽灯"的工作原理

　　蓝光"LED白炽灯"由于采用黄磷染色或喷涂黄磷的PVC灯罩，因此在未点亮时灯泡呈黄磷的黄色，当其上电点亮后发出冷白或暖白的白光。未点亮的蓝光"LED白炽灯"如图3所示。黄磷染色或喷涂黄磷的PVC灯罩是关键技术。

　　图3  未点亮的蓝光"LED白炽灯"

　　LED光源的选择

　　蓝光"LED白炽灯"的LED光源选择首选蓝光HV LEDs，这样可以用高压直流电直接点亮，可以简化电源和降低电源成本、减少电源占用的空间。　　HV LEDs是在芯片生产时在硅片上直接做成的片上系统（SOC）或称之为模组，这是LED芯片制造技术上的一个革命性的进步。一个2吋硅晶圆片上，一次可生产几千个LED管芯，但是用通用的技术和工艺来生产，各个LED参数的离散性很大，所以生产之后制造商需要逐个测参数分档，客户只能拿相邻的三档放在一单位（灯）里用，才能保证显示光色的一致性。HV LEDs在生产时使用新一代的工艺和高超加工技术，使同一硅晶圆片上的几千个LED管芯的参数完全一致，使之可以在芯片生产时很方便地就近组成SOC的HV LEDs，如VF50V的模组上有16个LED，它们所有的电参数完全一样（图4）。这样的蓝光HV LEDs使用方便，成本可控。另有一种COB的蓝光HV LED，就是用前述的通用技术生产的、参数离散型较大的蓝光LV LED管芯，经测试数据后将相同参数的配置在一起，重新组合成一个光源体。由于需要对LED管芯逐个测试、配对、筛选、组合，还有不少参数分散的无法配对组合使用，应当说生产成本会偏高。HV LEDs的工作电流20-60mA，与低压LED需要300-700mA电流相比，工作时发热相对要小一些。

　　图4  蓝光HVLEDs模组

　　Energy Star要求LED球泡灯出光角度必须大于270度，因此LED光源的立体发光设计，是扩大灯泡发光角度的唯一解决方案。在球泡灯灯头上设计一铜质通心立杆，在其周围和顶端安置LED灯珠或模块，这样可以设计尽可能大的角度的光输出，实现类似白炽灯的发光。铜质通心立杆可以帮助LED灯珠的散热，由于铜质通心立杆的面积有限，蓝光"LED白炽灯"如求较大的发光角度，目前只能适用于3W的小功率球泡灯，它相当于25W的白炽灯。如牺牲球泡灯接近灯头的发光区域，用来安装铝质散热器，则可以选用通用的低压蓝光LED串来设计5W、7W的蓝光"LED白炽灯"。铜质通心立杆LED光源分布设计，可以有多种方案，而且因设计师而异，各有专利申请，关键技术就不细述了。

　　蓝光HV LEDs驱动电源设计

　　蓝光HV LEDs驱动电源目前有三种方式：

　　1）恒流二极管（CRD）

　　恒流二极管（CRD）是只能在一定的电压变化范围内向LED光源灯珠提供稳定电流的器件，相当于一个小恒流源或最大峰值电流的限制器。在电网小波动时可确保一定的电流稳定。应用电路简单、成本低廉、占用空间很小，性能只能说比阻容降压电路好一点，在小负载和电网电压波动不大时，能满足LED恒流的要求。电网电压有较大的波动时，就很难稳定输出电流。恒流二极管输出电流有限，一般在20-40mA，但能满足HV LED的高电压小电流的要求，HV LED需要的电流一般为20-60mA。CRD的应用电路十分简单，如图5所示，当LED需要电流较小如20mA、负载较轻时，可选用一个CRD；当需要电流较大时，如30-60mA时，可如图用多个CRD并联，扩大电流。

　　图5  CRD的简单恒流电路　　2）高压线性恒流源驱动芯片

　　线性驱动芯片可能是HV LEDs恒流驱动电源较好方案之一。EXC100是比较理想的芯片之一，应用线路十分简洁，周边零件很少（图6）。EXC100对于LED负载采用如图7所示分段导通技术。EXC100芯片内置高压MOS管，应用电路无变压器、无电解电容器，周边电路零件很少。符合设计蓝光"LED白炽灯"小空间的需要。但是EXC100在中国购买的价格太贵，用来生产普及型的LED照明灯具成本偏高，对产品的大批量销售不利。只有性价比好的产品才能通行天下。

　　图6  EXC100线性恒流驱动

　　这几年来，我国本土集成电路的设计水平节节提升，而且产品有很好的性价比和市场竞争力，向下游厂家提供可用于生产的技术方案和技术支持比较到位。

　　BP5118就是本土芯片设计公司专门为HV LEDs而设计生产的新的线性驱动电源芯片。BP5118 是一款高精度线性恒流LED 控制芯片，主要用于驱动由市电供电的高电压、低电流LED 灯串或模组。由于应用电路不需要电解电容器和磁性元件，LED 驱动电源可以实现小体积、长寿命，并符合EMI 规定。BP5118 采用专利的输入电压采样和LED 驱动机制，在输入电压变化时改变接入的LED 灯数，因此可以在整个交流周期内，增加LED 被点亮的时间，从而提高LED 的利用率和总输出流明数。为了适应不同的LED 灯串正向压降或者不同的市电电压（110V，220V），灯串切换电压可以通过外部分压电阻灵活设置。

　　图7  EXC100对于LED负载分段导通　　BP5118 可以通过外部电阻精确的设定LED 电流。在图8市电输入应用案例中，输入电压：200Vac ~ 260Vac； 47Hz ~ 63Hz；输出带载：LED1 134V, LED2 76V，LED3 76V；输出平均电流：22mA (设定最大电流30mA)。如果需要更高的输出电流，LED需要采用散热器或者并联外部功率MOS 管。BP5118 具有过温调节功能（Thermal Regulation）。当输入电压过高，或者LED 电流过大时，此功能将降低输出电流，从而限制温度上升，保护LED 驱动电源。

　　BP5118的功率输出高压MOS管外挂，没有封装在芯片内，对LED灯珠的负载应用自由度较大。这是与EXC100的最大不同。

　　图8   BP5108高压线性恒流驱动电源的电原理图

　　3）高压开关恒流源驱动芯片

　　高压开关恒流源驱动芯片品种还不是很多，BP2812是可用的一颗。BP2812适用于非隔离的降压型LED电源系统，适合全范围的交流电输入或12V-600V的直流电源输入。内置600V功率MOS管。临界模式工作，无需电感补偿。应用电路只需很少外围器件。芯片内带有高精度的电流取样电路，专利的恒流控制技术，可实现高精度的恒流输出，和优异的负载调整率。系统效率达95%。采用源极驱动技术，芯片工作电流低至200uA，无需辅助绕组供电。具备LED短路保护，CS采样电阻短路保护，芯片过温保护等多重保护功能。应用电路简洁，系统成本较低。

　　图9是为图右下的晶元的HV LED设计的高压恒流驱动电路。

　　图9  BP2812高压开关恒流源驱动电源的电原理图

　　由此可见，蓝光"LED白炽灯"选用高压线性恒流源芯片设计驱动电源是比较好的选择。

　　蓝光"LED白炽灯"将成为LED照明灯具产品中的一朵奇葩，竞相争艳。蓝光"LED白炽灯"需要的的蓝光HV LEDs光源和高压线性恒流源驱动芯片已经有了成熟产品；黄磷滤色灯罩、LED立体发光灯柱还有生产工艺和设计技术的创新空间，因此可以衍生很多差异化的新产品。LED照明市场是无限的。