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LED驱动选择:HV LED VS DC LED

2015/11/16 0:00:00 1 次浏览
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LED驱动选择:HV LED VS DC LED



    目前主流LED照明应用,仍以直流(DC)驱动LED为大宗,实际上对终端使用者的应用环境观察,照明灯具超过9成是以连接市电(AC)交流电驱动发光为主,灯具使用DC LED势必需经由AC/DC转换能源后驱动灯具照明,这对灯具不仅增加了应用成本,也增加了产品的复杂度,能源转换效?#23460;?#24433;响整体节能效益,HV LED需求与效益逐渐受到重视…


    目前使用最广泛的LED照明应用,多数仍是以DC LED为主,然而LED想在发光输出强化,即必须增加驱动电能功率、增加偏压,而DC LED在驱动电压、电流有一定程度上限,因此导致市电需先透过AC-DC电路转换成DC LED所需驱动电压后,才能驱动LED光源应用于照明用途。也因为DC-LED的驱动电压小,市电转换后会有一定程?#20154;?#32791;,能源转换效?#23460;?#20250;因此偏?#20572;?#36827;而导致灯具的整体使用效益受影响。尤其是DC-LED所必需的AC-DC转换电路或整流器,会让灯具或是替换用之LED球泡灯、板灯等照明产品增加额外物料成本,同时为?#25628;?#20302;灯具成本也只能用低成本AC-DC转换电路,这也使得用于照明光源的AC-DC转换电路的转换效?#21183;?#20302;的问题关键。

    为改善DC LED的使用限制,业界也针?#28304;?#21457;展了高电压的LED产品,这类产品甚至可在元件端直接以市电(AC)进行直接驱动,照明光源少了AC-DC转换电路,等于省下驱动电路的物料成本,也由于AC直接驱动,能源转换效?#23460;?#21487;大幅提高,发光效率部分则?#30001;?#35745;差异,一般均有较同功率产品更佳的发光效率。

    先检视传统照明光源的使用情?#24120;?#22312;传统照明设计中,发光效?#23460;杂?#20809;灯灯管的能源-光效?#39318;?#25442;最高,萤光灯管至少都有60~70 lm/W表现水平,但萤光灯管的驱动电路如电?#24433;?#23450;器、驱动电压转换电路等会产生约15~20%的能源转换损耗,而灯管为周光散射型光?#20572;?#28783;管上缘的光输出仍需经灯具反光板折射,光效率损耗也会有约40%耗损,检视整体光源使用情境观察,萤光灯管灯具的发光效?#35797;?#20165;达到30~35 lm/W水平。‖

    再检视DC LED直流驱动LED的光效率表现,一般LED光源的光效率可达到130~150 lm/W水平,前文提到DC LED必备的AC-DC能源转换电路会产生约30%能源转换耗损,而与萤光灯管的发光光型不同的是,贴片型的LED元件发光光型为扇?#38382;?#20986;,若是吸顶型灯具?#27492;?#26681;本不需要利用反光灯照改善光型限制,对常规照明应用?#27492;?#20809;输出几乎没有浪费,DC LED照明光源的能源转换效率明?#26434;?#20110;萤光灯管照明,但期间驱动能源转换耗损部分若能?#34892;?#25913;善,将可让整体产生的节能效益发挥更高。

    若以现有的HV LED高压LED技术产品观察,目前在以市电110V或是220V直接驱动操作已不成问题,相关技术逐渐成熟,功?#23460;?#32032;(PF)可达90%以上,能源利用?#23460;?#33021;高达95%,单颗元件可以抵上数颗DC LED集成灯具产品,不仅优于传统光源灯具甚多,也较目前主流DC LED具更多技术导入综效,为未来照明光源主流趋势。

    另HV LED环境照明用光源产品,目前在照明应用市场中主要有有机发光二极管(OLED)、被动式有机发光二极管(PLED)、DC LED和AC LED等竞争技术环伺,OLED与PLED具备可利用低直流电压偏压驱动、发光面均匀、光效率达80 lm/W、60 lm/W,一般市场以用于显示器与背光源应用较多,但发光效率仍无法与LED相抗衡,DC LED为以直流电源驱动的发光元件,元件特性具备体积小、效率高等优点,目前已广泛使用于显示器、车用电子、生活照明等应用领域。

    需注意的是,DC LED的最长使用寿命虽在理论可高达30,000小时,但实?#35797;贏C-DC电源转换电路的平均使用寿命仅5,000小时上下,DC LED光源产品多半会在LED为失效前先因为转换电路故障而使产品失效。至于AC-DC变压与驱动电路,也会增加LED光源模块设计困扰,例如产品体积需塞入变压电路,产品也不适合制作中/高功率LED光源产品。AC LED为针对DC LED问题改善的进阶设计,为利用晶粒排列与串接,制作不需AC-DC转换电路可直接市电驱动的光源产品,产品功?#23460;?#25968;可以高达80%以上,电源使用效?#23460;?#36229;过90%以上。HV LED为由AC LED技术?#30001;?#25193;展的应用设计技术,利用LED晶粒单向的串接连接制程搭配对应的桥式整流元件(AC-DC),就能让HV LED可直接在市电(交流电)使用情境下运行,有功?#23460;?#25968;高、电源效率高与驱动电路极为简单等优点,同时还具备LED高发光效率与更高的产品使用寿命优点。

    与一般常见的DC LED 驱动方式不同的是,HV LED在特?#26434;?#35774;?#21697;?#38754;针?#28304;?#30005;力直接驱动方面进行相关改进设计,而HV LED高压LED的制程为利用半导体制程把多颗晶粒同时设置在单?#25442;?#26495;上制作,其余制程技术与一般照明光源用LED也相当近似,并无过大差异,只是因为HV LED为因应高压直接驱动需求,在设计上会利用串接因应大电力直驱目的,而也是因为交/直流电源驱动差异,HV LED之设?#21697;?#26696;与产品特性才会与DC LED出现差异。在元件结构上,HV LED利用多颗晶粒制作在同一组基板上,晶粒与晶粒间利用金属导线串联连接,元件外部连接市电用的导电垫片,利用金属打线连接至串接的LED晶粒上构成电子偏压回路,而HV LED本身在制程也一样采用DC LED相同的表面粗糙化等可增进发光效能的制程技术加以集成。

    仔细观察HV LED与DC LED之间的差异,主要是制程中多晶粒间的绝缘设计差异,DC LED为单晶粒或是部分多晶粒方式集成,但集成难度均远低于HV LED要求,而HV LED为利用多晶粒串接整体内部电子回路运行关键在于,LED晶粒间的绝缘电性表现稳定,才能使HV LED在使用时的元件表?#32456;?#24120;,这部分绝缘的设计要求,多数HV LED制程会利用具较佳绝缘电性的蓝宝石基板搭配蚀刻制程制作。即便绝缘特性为HV LED制程关键,但实际上蚀刻沟槽也会相对使单位晶粒可发光面积减少,为了增加绝缘电性势必需将沟槽设计得较宽,但单一元件能置放的晶粒就会受限,若利用较细窄的蚀刻沟槽改善LED的发光面积,但过窄细的蚀刻槽也会影响晶粒间的绝缘电性,制作难度高。

    另外HV LED的介电材料?#21697;?#20063;是制程关键处,因为较窄细的绝缘沟槽,会让金属蒸镀?#21697;?#30340;材料不容易进入沟槽之中,形成元件内部的金属导电薄膜产生的厚度或是连续性造成影响,直接影响制程产品良率。此外,提升介电材料制程的良率表现,目前也有相当多种制程手法选择,例如将绝缘槽的蚀刻方式改变,蚀刻?#23665;?#26131;让蒸镀气体或是气相沉积制程更容易进入沟槽的形状改善,如使用沟槽开口较大梯形槽体就是相当常见的制程改善手段,而使用梯形槽体的绝缘槽设计,其实也有利于LED晶粒的光输出效益。同时,也是为了改善整体光输出效率,用于连接晶粒的金属线体,在线体设计也需要针对更低的光遮蔽?#26434;?#20302;阻抗问题,也能改用透明之金属氧化物制作导线材料,改善LED的发光效率表现。
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