板上芯片 (COB) LED 能在照明设计中降低成本、节约能耗的原理和方法

板上芯片 (COB) LED 能在照明设计中降低成本、节约能耗的原理和方法

作者:Gina Roos

LED 在许多方面都胜过传统照明光源,包括更高的能效、更长的使用寿命和更小的体积。 然而,成本问题却一直令许多照明设计工程师感到头疼,这也是为什么 LED 制造商要继续创新,提升规模经济的关键原因。 板上芯片 (COB) 光源模块是有助于降低成本的最新封装方法之一。在这种模块中,LED 芯片采用半导体芯片形式,既无外壳,也不用连接,只需直接安装到 PCB 上或者更通俗地讲,安装到基材上。 而且,这种封装形式还带来了许多相关优势,如设计更灵活、配光更好、制造工艺更简单等。 

设计人员希望认真考虑是否在其新一代照明设计中使用 COB LED 还有其他的原因。 在市场研究公司 (Research and Markets) 最近提供的报告中分析人员指出,COB LED 属于广域光源发射器(因此,可用于高速公路和路灯照明)具有三大优势:更好的混色、更好的照明效果和低热阻要求。 该公司分析人员指出,这些 COB LED 还能实现更高的功率密度、更高效的散热性能且仅需更小的板空间,因此能很好地适合广泛的通用照明应用。 

现在,让我们来检验几种 COB LED 产品,包括 Bridgelux 的 Vero™、 Sharp 的 Zenigata 和 Cree 的 CXA 产品,看这些产品如何能在节约能耗、降低成本的同时简化照明设计。 

Bridgelux (Livermore, CA) 去年推出了高性能 Vero 系列 COB LED 阵列(图 1): 标称光通量 120 lm/W,最小平均光通量 110 lm/W。 据报道,这项改进使其比前代产品节能约 11%。 该系列采用四面发光 (LES) 配置,工作温度范围宽。 此外,Vero 阵列提供两个 SDCM(颜色匹配标准偏差)和三个 SDCM 颜色控制选项,用以实现高精度色彩控制和均匀光照。 

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图 1: Bridgelux Vero 系列提供 70、80、90 和 97 Décor CRI 选择。 (暖白光光谱为 3,000 K 80 CRI,自然白光为 4,000 K 80 CRI,冷白光为 5,000 K 70 CRI。 承蒙 Intellident 提供数据)。 

据 Bridgelux 介绍,高精度色彩控制“通过在临近光源之间实现更高的一致性和均匀性来提升光照质量” 。 另外,Vero 系列超过了美国加利福尼亚能源委员会关于照明灯具的 R9 要求。 

据 Bridgelux 介绍,基于 3,000 K、80 CRI 配置且采用标称电流驱动的所有外形系数器件,其平均输出性能为 120 lm/W。 但是,设计人员如采用低电流驱动可实现高达 140 lm/W 的输出性能。 

此外,Vero 平台还通过板载连接器端口实现了即插即用连接,能让照明制造商进行无焊电气连接、简易安装,因此有助于简化制造工艺。 具体优势包括低成本、快速面市、更低的库存要求。 

以下为主要技术规格:

  • 流明输出性能范围为 240 - 16,400 流明
  • CCT 在 2,700 - 5,000 K 之间可选
  • CRI 可选 70、80、90 和 97 CRI Decor 产品
  • 三个 SDCM 标准用于实现 2,700 K 至 4,000 K CCT,并提供两个 SDCM 选择
  • 可在高达 2 倍额定电流驱动下可靠地工作
  • 放射状芯片提升了流明密度和光束控制能力
  • 热隔离式焊盘
  • 无焊接连接器端口,具有即插即用连接和现场升级功能
  • 标志和 2D 条形码位于产品上侧

其它优势包括可兼容大量标准驱动器(350 mA 电流增量值)和光学元件,能使设计更灵活,选择范围更广,因此可缩短开发周期、降低成本、减少烦人的库存问题。 

来自 Sharp Electronics Corp. 的 Zenigata COB 技术也能简化设计。该系列模块包括三种变体: Mega、Mini 和 Petite Zenigata。 Sharp 的设计将金属基材换为陶瓷基材,据该公司介绍,这种材料的“散热性能最佳且无变色”。 这就是说,能一直保持恒定的流明输出,但无色彩变化。 均匀的 LES 简化了光学设计,同时又提升了各种不同应用中的光照质量。 

下面详细介绍 Sharp COB 模块。 

Mega Zenigata 50 - 80 W 模块节能性好,专用于高功率照明应用。 据报道,高亮 LED 可消除一个照明灯具中多个 LED 周围的光源不均匀问题。 这些模块仅允许一个灯具中使用一个 LED,既节省空间,又消除了光照不均匀问题。 Mega Zenigata 系列的封装尺寸为 20 × 24,包括高 CRI 和低 CRI 两种模块且最低 CRI 性能分别为 90 和 80。 这些 COB LED 可用于室内外照明,包括建筑照明、聚光灯、射灯、嵌入式筒灯、场地和物体照明。 

Sharp 针对中等尺寸产品应用提供 15 W Mini Zenigata COB 系列,该系列采用圆形 8 mm LES,可以简化镜头和反射片设计。 据 Sharp 介绍,Mini Zenigata LED 的封装为 15 x 12 x 1.6 mm,表面积约为 Mega 产品的三分之一并能减小发光区域。 应用包括室内、室外照明、建筑照明、阅读灯、移动照明、信号和标志灯以及场地和物体照明。

在低功耗产品方面,4 - 6 W 的 Petite Zenigata COB LED(图 2)专门用于要求更小镜头的应用,如小型聚光灯或者轨道灯。 这些 LED 采用 8 x 12 mm 小型封装、4 mm LES。 使用 9.6 V 产品时,可在 MR16 灯(通常需要 12 V)中采用降压型 DC/DC 转换器,而更高电压 (40 V) 的部件可简化线路电压 GU10 灯泡的驱动器设计。 这些 LED 可用于需要镜头极其紧凑的设计中,包括 MR16 替换灯、GU10 替换灯、小型轨道灯、小型投射灯、吊灯、小型阅读灯和小型强光灯。 高 CRI 系列(最低 CRI 90)可产生 300 - 395 流明亮度。 

图 2: Sharp Petite Zenigata COB LED 采用 8 x 12 mm 小型封装、4 mm LES。 使用 9.6 V 产品时,可在 MR16 灯(通常需要 12 V)中采用降压型 DC/DC 转换器,而更高电压 (40 V) 的部件可简化线电压供电型 GU10 灯泡的驱动器设计(承蒙 Sharp 提供数据)。

图 2: Sharp Petite Zenigata COB LED 采用 8 x 12 mm 小型封装、4 mm LES。 使用 9.6 V产品时,可在MR16 灯(通常需要 12 V)中采用降压型 DC/DC 转换器,而更高电压 (40 V)的部件可简化线电压供电型 GU10 灯泡的驱动器设计(承蒙 Sharp 提供数据)。 

Cree Inc. (Durham, NC) 最近在推出 85°C 时超过 11,000 流明的 CXA3070 LED 阵列,进一步扩大了其 CXA 系列阵容。 该高光输出 LED 阵列旨在简化设计、降低系统总成本,在 85°C 时输出达到 134 lm/W 并提供 70 - 95 之间的 CRI 选择。 该系列 LED 在 85°C 下经过特征化和分档,支持 ANSI 白光和 EasyWhite 色温 (2,700 K - 5,000 K)。 

CXA3070 LED 阵列具有高流明输出和高能效,可达到 8000 至超过 10,000 流明的系统性能。 也就是说,该产品可用于如高棚灯和陶瓷金属卤化物替换灯等高流明输出应用中。 

该供应商提供的 CXA 3070 阵列(下文图 3)相对光通量值指的是:CXA3070 在给定条件下稳定工作时的测量值与分档期间光通量测量值的比值(TJ = 85°C、1,925 mA 条件下的脉冲测量值)。 

例如,在 TC = 25°C、IF = 1,300 mA 稳定状态下,相对光通量比值为 80%(如图表所示)。 如过 CXA3070 LED 在分档期间的测量值为 8,500 lm,则能在 TC = 25°C、IF = 1,300 mA 的稳定工作状态下输出 6,800 lm (8,500 * 0.8)。 

图 3:相对光通量值的确定依据为:CXA3070 在给定条件下稳定工作时的测量值与分档期间的光通量测量值之比(TJ = 85°C、1,925 mA 条件下测得的脉冲测量值)(承蒙 Cree 提供数据)。

图 3:相对光通量值的确定依据为:CXA3070 在给定条件下稳定工作时的测量值与分档期间的光通量测量值之比(TJ = 85°C、1,925 mA 条件下测得的脉冲测量值)(承蒙 Cree 提供数据)。

Cree CXA3070 阵列的关键规格:

  • 支持在 2,700 K、3,000 K、3,500 K、4,000 K 和 5,000 K CCT 条件下进行四阶、二阶 EasyWhite 分档。
  • 支持在 4,000 K 和 5,000 K CCT 条件下进行 ANSI 白光分档
  • 最小 CRI 可选 70 或者 80
  • 正向电压: 38.5 V
  • 85°C 分档和特征化
  • 最大驱动电流:2,800 mA
  • 115° 视角、均匀色度分布
  • 顶部焊接连接

总而言之,成本将是照明工程师始终要面对的大问题, 但随着 LED 的平均售价降低,COB LED 将会越来越被设计人员接受,因为他们发现这些器件极具潜力,拥有更好的节能效果、更强的灵活性以及更好的光分布,最终让照明系统制造商和最终用户受益。