茅于海经典设计之一种极高光效的LED光引擎

现在LED光引擎已经是一个业内很多人都知道的一种新产品，也知道它主要是把LED驱动源和LED发光板集成在一起的模块，但是可能对于这种光引擎到底有哪些优点还不是非常清楚。

可以说推广光引擎的最大好处有以下几个方面。

1. 降低 LED照明灯具厂家研发费用，缩短产品生产周期

因为所有LED灯具的光学和电气指标都由光引擎生产厂家制定了。甚至还推荐了相应的散热器。灯具厂家只要把光引擎安装到散热器里面去就可以了。灯具厂商甚至不需要经验丰富的光学、电子工程师，也不需要购买昂贵的光学和电子仪器设备。换句话说，光引擎可以大大降低LED灯具厂的准入门限，但却不会因此降低LED灯具的产品质量。当然这要求光引擎的生产厂家本身就要有极高的水平才行。

2. 推广光引擎可以大大加速LED灯具的推广

最近几年随着白炽灯的禁产、禁销，LED灯具即将迎来爆炸式的增长。LED灯具厂如雨后春笋般的大量涌出。这虽然是一种必然趋势，但是也带来了很多问题，尤其是表现在LED灯具的质量上的良莠不齐和个别厂商之间的无序的价格战。LED光引擎的出现可以在很大程度上解决这类问题。因为质量是由几家生产光引擎的大厂决定，价格也不可能有太大的出入。这就大大地减少了由无序竞争而引起的内耗。有助于LED灯具产业的高速发展。

3. 提升了LED灯具的整体性能

例如提高了整体光效(lm/W)，这里是指包括电源效率在内的整体光效，当然对于整灯来说也还应当包括灯罩的透光率(不过这不是由生产光引擎的公司负责，而是由生产散热器的公司负责)。又如色温，显色指数，等也可以按需生产。而且在同样的光通量时还可能降低功耗，进一步节能。

4. 降低了成本

至少可以省去了恒流驱动源的印制板，及其生产成本。实际上，由于采用COB LED，不但省去封装。生产还可以高度自动化，这就会大大降低生产成本。

一. LED球泡灯的光引擎

所有的LED灯具都是是由三大部分构成：LED光源、恒流驱动电源、散热器和外壳(包括灯头和灯罩)。

就拿LED球泡灯来说，如果要做成光引擎就必须把它的电源板和LED铝基板合成为一块板，可以看出其难度是很大的。显然

1. 开关电源不适合做光引擎

开关电源虽然性能比较好，效率也比较高，但是最大的缺点就是元件数目非常多(通常需要三十几个)，要和LED灯板集成在一起有很大难度。整个开关电源几乎占据了70%以上的面积，而把LED的空间减到最小。它不但减小了LED的发光面积，也挡去一部分光线。而且最大的问题是减小了LED的散热面积。

2. 线性电源可以减少元件数但效率过低

为了减少元件数，最简单的方法是改用线性电源，通常线性电源只有5-6个元件，这样就可以大大减小所占用的面积。目前市面上的光引擎大多数都是采用无电解电容的线性恒流源，这种方案的缺点是和所有普通的线性电源一样，其效率只有84%-93%，市电电压越高效率越低。而且还只允许市电电压变化小于20%范围内，LED串的总正向电压也必须在设计值的10%范围内，否则效率会变得十分低下。此外LED的光效利用率也只有70-90%。另外还会有100Hz的闪烁。

3. 电源和灯板合并会引起散热问题

采用普通的线性恒流源虽然可以解决占用面积的问题，但是另外一个不能忽略的问题，那就是散热问题。因为当电源和灯板放在一起的时候，电源所消耗的功率也会变成热量而加到灯板上，虽然电源本身的热量也是要通过散热器散发出去的，但是把电源放到灯板以上就会增加灯板所需散去的热量，而且灯板到散热器必须经过铝基板本身的绝缘层和铝基板和散热器之间的绝缘层，这两层绝缘层的热阻加大了铝基板的散热难度，这部分热量就会增高LED的结温，降低其寿命。而且线性恒流源最大的缺点就是效率极其低下，本身功耗极大。所以这是一个极为严重的问题。

根据计算假如原来的LED结温是85度，其70%光衰的寿命是3.1万小时。对于1W的电源功耗会使其结温升高了18.5%，也就是升高到100度左右，它的寿命就从3.1万小时降低到1.5万小时，也就是降低了16,000小时。所以这种温升对寿命的影响是相当严重的，原来3万小时的寿命，现在降低一半变成1.5万小时 。更何况线性恒流源的效率根本无法达到90%，而且在市电电压高于额定的220V时，其效率急剧降低。也就是说，任何采用普通线性电源做成的的光引擎会使LED的寿命至少降低一半以上。

二. 一种具有极高效率的光引擎

为了要把驱动电源集成到LED铝基板上去，必须采用一种具有极高效率的恒流驱动源。也就是说，它作为驱动电源本身几乎不消耗什么能量。而且元件数也只有5-6个，体积很小完全可以集成到铝基板上去。此外，目前LED的发展趋势是去掉单个LED的封装，而采用COB(Chip-On-Board)的方法把很多个无封装的LED串并联起来满足电源对电流电压的要求。下面是一个采用COB LED的光引擎照片。

图1. COB LED光引擎

把这种光引擎加上散热器和外壳灯罩做成LED球泡灯以后，对它的具体技术指标进行了测试，其结果如下：

1.电源电压：220V 2.输入功率：7.698W 3.输出流明：1014.7lm

4.整体光效：131.81lm/W(包括电源功耗和光罩损耗在内)5.色温：6085K 7.显色指数：85.2

更为可贵的是和普通的线性恒流源不同，这么高的发光效率可以在200V到235V的市电电压变动的范围内保持130lm/W不变!如果去掉光罩的损耗(0.9)，那么光引擎本身的光效高达146.45 lm/W

这种新型的COB LED光引擎具有更多的优势：

这种光引擎具有以下优点：

1. 驱动恒流源集成到铝基板上以后减少了一块电源印制板，降低了成本，减少了工序，节约了生产成本。

2. 因为电源效率提高，就相当于提高了整灯的光效(lm/W)。这是因为整灯光效必须考虑恒流源的功耗。在采用相同光效的LED情况下，整灯光效可以提高10%左右。

3. 因为电源效率极高，这样还可以降低对散热器的要求。这种对散热器要求的降低是非常关键的。因为过去业内一直有这样的说法，就是LED球泡灯的最大可能功率是9W。因为散热器的外形必须和白炽灯的梨形相似，其所能散发的热量就有一定的限制，9W的球泡灯已经是其极限了。而采用这种光引擎以后就可以很轻松地实现9W球泡灯了。而且还能得到1,000流明以上的光通量。

4. 采用COB LED，省去了封装，而且生产可以全部自动化，降低了生产成本。

5. 如果铝基板采用镀银或抛光而具有更高的反射率，其光效也可以比封装后的LED更高。

6. 采用了环形COB LED，所有的LED尽可能分散排列而不是集中在一小块面积之上，而且更加靠近散热器，由于LED芯片直接固定于铝基板上，所以热阻更低，散热效果好，寿命更长。

7. 采用光引擎的结构以后，机械上只要固定到散热器，电气上只有两根市电电源线须要连接到灯头，接口十分简单。

8. 由于整个光引擎出厂时已经通过全部测试，所以对下游厂家要求十分简单，只要安装上散热器并焊两根线到灯头就可以了，不需要有任何复杂的电气测试。所以很容易大量销售至普通的生产厂家。

三. 用这种光引擎做成的球泡灯的国家测试结果

为了得到正式的测试结果，我们把这种光引擎做成球泡灯以后拿到中国“国家电光源质量监督检验中心(上海)”进行了检测。其检测结果如下：

由检测报告可知，1#样品的总流明在输入功率为7.9瓦时可达1000流明以上，其光效高达126.3 lm/W。必须注意的是它包括了灯罩的光衰，假如灯罩透光率是90%的话，那么光引擎本身的光效超过了140lm/W(126.3/0.9=140.3lm/W)。而且显色指数也高达84.5。据该中心有关人员说这是他们成立以来所测得的最高光效。

四. 和日本品牌LED球泡灯的比较

下面我们可以列出和日本品牌LED球泡灯的性能比较表：

从表中可见，我们埃菲莱的球泡灯总流明数和东芝的LDA9N-G相当都是830流明以上，可以取代60W白炽灯。但是由于我们的光效高，所需的输入功率比东芝的还要低2.3W，也就是说，我们比东芝的类似球泡灯还要节省26%的电能！价钱低一半多！

五. LED吸顶灯光引擎

那么是不是光引擎只能用在球泡灯呢？不是这样，可以说它几乎能够用于所有类型的LED灯具。下面我们就先来看一下用于LED吸顶灯的光引擎。

我们知道LED吸顶灯和其他LED灯具一样，需要由LED灯板和其恒流驱动源两部分组成，同样，我们也可以采用COB LED来做吸顶灯的光引擎。这时我们采用长条形的COB LED。其照片如图2所示。

图2. 采用COB LED的吸顶灯照片

其技术指标如下：

1.额定电压：220V， 2.输入功率：16W 3.总光通量：1622lm 4.整体光效：101lm/W 5.色温：3289K 6.显色指数：80。 其整体光效(含恒流驱动源)在200V到230V都大于100lm/W。

六. T5灯管光引擎

对于T8灯管来说，市面上已经有很多内置电源的LED灯管了。因为它的内部空间很大，所以把电源放进去也不是一件难事。可是对于T5灯管就不然了，因为T5灯管很细，内部空间很小，很难把LED恒流电源也放进去。所以市面上几乎完全没有内置电源的T5型LED灯管，都是把电源和灯管做成一体化的带灯座的异形灯管，这种灯管不能直接替换原来的荧光灯的T5灯管。而且本来T5型的LED灯管它的散热就是一个问题，即使能够把电源放进去，更会增加其散热的困难程度。

然而有了这种超高效率的小体积的LED恒流源，情况就完全改观了。这种T5的光引擎的照片如下图所示：

图3. 用于T5灯管的COB LED光引擎

它有两种光引擎，一种是带电源的有源光引擎，还有一种是只是COB LED的无源光引擎，它们的长度都是200mm左右。对一个1.2m的T5的灯管，一共需要1根有源光引擎和5根无源光引擎。由于它们都很窄，所以很容易安装进T5的灯管里。

这种样品的实测结果如下：

1.额定电压：220V 2.功率：12.2W 3.光通量：1340 lm 4.光效：109.8 lm/W 5.色温：7467K 6.显色指数：83

七. LED PAR灯的光引擎

同样，这种LED光引擎也可以用的大功率的PAR灯里，图4就是它的照片。

图4. LED PAR灯的光引擎

它的性能指标如下：

1.功率：26.88W 2. 光通量：2629.7 lm 3.光效：97.84 lm/W

4. 显色指数：80.4

由此可见这么小的体积可以产生这么大的流明数，而且具有这么高的发光效率是极其罕见的。

八.高效光引擎的十大优点

这种高效光引擎的优点可以归结如下十点：

1.把恒流源放到铝基板上，去掉了电源印制板，减小了空间，降低了成本。

2.恒流源的高效率，可将整灯光效(lm/W)提高10%左右

3.提高电源效率，也减小了10%能耗，进一步节能

4.电源芯片不需要带散热片的封装，甚至也可以不用封装，从而降低了成本

5.减少了整灯的热量，如果采用同样的散热器，可以降低LED结温，延长LED寿命

6.恒流源一共只有5个元件，提高了电源的可靠性

7.采用环形COB LED，也进一步改进了散热，提高了光效

8.整灯不存在电磁干扰EMI的问题

9.对外机械接口只有铝基板尺寸和三颗螺钉位置，电气接口只有两根220V电源线，很容易标准化

10.简化了生产过程，降低了生产成本，连同BOM成本的总成本降低50%左右

很多机构都希望光引擎能够促进标准化，但是迄今为止并没有出台过任何具体的指标。对于球泡灯和吸顶灯甚至包括射灯，PAR灯等很多灯具来说，其实真正需要标准化的只是其直径尺寸和定位螺钉的位置。只要这两个标准化了，各种光引擎就可以实现互换。

九. 光引擎的未来

光引擎能够成为现实的关键技术必须有极高效率的恒流驱动源，有了这种极高效率的恒流驱动源才能够把电源放到LED铝基板上去!现在这已经成为现实了!而且开发出了特高光效的光引擎!特别需要指出的是，前面所有的高光效光引擎产品都没有采用Cree、OSRAM或日亚等大公司的超高光效也超贵的LED芯片，而是采用了台湾生产的最普通的LED芯片而实现的!

LED灯具是一种新型的电光源，作为电光源如何能够把电能最有效地转化为光能。人们世世代代所追求的就是如何提高其光效，也就是发光效率。当今全球变暖的严峻形势迫使节能减排成为擺在我们面前的最重要的课题。而照明占用了13%的能源消耗。LED替代所有现有的电光源已经提到了最迫切的议事日程上来。同样是LED，如何千方百计地提高其发光效率也是非常重要的课题。

本文所介绍的光引擎，能够在采用普通的LED芯片的基础上提高光效达40%以上，可以说是一种革命性的突破!如果能够推广到所有LED灯具上，就可以进一步节能40%之多!这将对于我国以致全世界的节能减排是极其重要的贡献!

此外，可以说光引擎的未来非常光辉灿烂！因为它将成为各种不同灯具的共同选择，采用光引擎以后，不但降低了成本，提高了性能，而且统一了规格，保证了质量。彻底结束了LED灯具市场的乱打价格战无序竞争局面，也彻底消除了广大用户对于LED灯具质量参差，品质恶劣的坏印象。可以说，这种高性价比的光引擎的出现必将开创LED灯具的新时代！