LED电源无法利用InGaN发光效率系统的转换效率

在n-GaN表面制作欧姆电极，LED驱动电源还有助于降低系统总成本、消除广泛采用LED的另一重大障碍。该巧妙方法显著提高了LED的可靠性和寿命，

　　将智慧功能加入发光二极体（LED）照明应用须要将固定功能LED驱动器改换成微控制器（MCU）或可程式架构（Programmable Architecture）。对于需要进阶功能的应用而言，使用MCU可达到许多智慧功能，例如塬生调光控制（Native Dimming Control）、专业混色（Specialized Color Mixing）、适应式照明控制（Adaptive Lighting Control）及远端连结（Remote Connectivity）。

　　对于照明应用而言，电力电子（Power Electronics）产品专用的MCU甚至能有效控制灯具电源供应，使其符合成本效益，并进行照明控制及通讯。如同许多现代电子产品的趋势，改用数位控制开启了更多弹性空间，且为照明产品带来新水準的智慧功能及差异性。

　　专用MCU满足LED应用市场

　　照明产业经过快速演进，现今LED技术展现许多效益。然而，不同类型的LED照明应用，因所支援的功能不同，亦有极大的差异。其中，住宅方面的应用包括灯泡更换、重点照明（Accent Lighting）与小範围室外照明，一般而言只须点亮一或两个LED灯串，但此一市场具有成本压力，因此进阶控制尚不普遍。至于商业应用方面，包括萤光灯安定器（Fluorescent Ballast）、灯泡更换及重点照明，亦只须点亮一至两个LED灯串，同样受限于成本考量，此一市场具有高度节能意识；而高阶应用则须要远端连结与智能控制器功能。

　　此外，娱乐应用方面，则包括高阶显示器及情境照明（Mood Lighting）。完整强度控制与一致的色彩品质相当重要，对于数位寻址照明介面（DALI）或DMX-512之类的业界标準通讯协定，远端连结与支援也相当重要。室外及基础建设则包括街道照明、工厂与办公大楼照明等应用，此一市场的设备一般有为数众多的LED，并须支援许多灯串，其中，高亮度LED也相当常见，而这些应用则相当须要远端连结与高度智慧控制器。

　　降低系统建置成本　MCU实现高弹性LED照明

　　最简单的LED照明系统使用LED驱动器。这些固定功能装置可直接控制LED，且成本相当低。一般而言，这些装置可达到良好的能源效率，且不须要软体程式设定。在最坏的情况下，开发人员须进行多次计算，选择所需的驱动器，或决定电路板元件的配置值。

　　虽然LED驱动器可直接使用，不过对于较进阶的系统而言则显得弹性不足。若要支援不同类型的LED（如高瓦数或不同色彩），或不同的LED灯串配置，则可能须使用不同的解决方案。事实上，系统的任何改变（如灯串的LED数和灯串数）都可能使驱动器也须随之变更。因此，塬始设备製造商（OEM）供应的大多数照明产品都可能需要独特的类比驱动器。对于大型系列产品而言，这会增加OEM或供应商的库存品项数，而可能造成经济规模降低或设备成本提高。

　　另一方面，智能控制器能让开发人员建立更具弹性的照明系统。在MCU系统中，可设定程式码支援各种LED、独特的功率级需求、不同的灯串长度以及不同数量的灯串，而不须大幅变更硬体。系统也可另做设计，以自动侦测须要驱动哪些LED。MCU系统的可编程特性也可达到进阶调光及定序功能，提供更进阶的照明场景控制和自动化照明亮度。

　　弹性的数字化控制可使OEM能设计可控制多种产品的单一控制器。由于控制器IP可重复使用，因此也可大幅减少设计投资；弹性的控制器亦可减少库存的装置数目，同时透过更大的规模经济降低整体系统成本。

　　实现智能LED照明　数字控制整合功不可没

　　智能LED照明系统的基本架构包含叁个主要阶段，即电源转换（Power Conversion）、LED控制及通讯（图1）。电源转换阶段会将正确的电压及电流传送到LED。首先进行交流对直流（AC-DC）整流，再进行功率因数修正（PFC）阶段，最后进行一次或多次平行直流对直流（DC-DC）转换阶段。若要提供有效的电源转换，则须要精準、灵活地控制这些转换阶段。

　　图1 智能LED照明系统包含电源转换、LED 控制及通讯叁个主要阶段

　　各个主要阶段皆需智能控制器维持效率及功能。使用固定功能的类比做法时，可能需要个别的PFC、DC-DC、LED及通讯控制器。然而，使用专用的电源电子产品MCU时，可透过高度整合降低灯具电源供应的元件成本。在效能、电源优化的周边及通讯连接埠充足的情况下，单一MCU可控制照明系统功率级、LED照明控制及通讯等叁大主要部分的潜力。透过MCU的数位整合功能，照明系统能减少许多不必要的元件，同时运用中央可程式平台协调控制智能照明系统的叁个主要阶段。

　　数位电源控制也能够提升动态系统的转换效率。虽然LED的效率高于传统的照明设备，运作及能源成本相对降低，但并非所有LED系统都完全相同。以任何方式进行调光、变换色彩输出或调整亮度输出时，数位电源控制能使LED照明系统的功率级达到更高的效率。同样在固定照明的情况下，MCU也能够透过更进阶的功率级设计提升运作效能。这样的效率提升对于终端使用者相当具吸引力，对于在其他方面皆相同的两个LED系统而言，是值得突显的差异之处。

　　举例来说，假设某座城市计画更换两千盏路灯，在比较两种型号时，效率达到10%的差异（图2）。值得注意的是，高效率系统的系统输入电源为178瓦（W），而低效率系统需要200瓦才能达到相同的160瓦照明输出。相当于年度能源成本节省10%，光就电源供应的能源效率计算，等于节省33，726美元，这笔节省的成本远高于LED系统所节省的成本。

　　图2 电源的数位控制能够达到高于类比系统的转换效率，且节省的成本高于LED技术。在这个例子中，10%的效率差异，相当于年度能源成本节省10%，单就电源供应的能源效率计算，等于节省33，726美元。这样的效率对于终端使用者相当具吸引力，对于在其他部分皆相同的两个LED系统而言，是关键的差异。

　　灵活修正色彩与亮度　MCU提升LED照明品质

　　对于商用照明及娱乐照明等多项应用而言，照明品质相当重要。品质在此是指能够输出一致的亮度和色彩之能力。然而，製造变异（Manufacturing Variation）、温度和老化这叁个主要因素会影响LED效能。

　　此外，各批次的LED输出可能差异极大。使用同一批次的LED可维持单一装置的品质稳定。然而，如果同一产品线的装置使用不同批次的LED，可能由于製造变异而出现不同的照明品质。若将其中两个装置相邻安装，则可能产生显着差异，并令人无法接受的照明品质。透过智能MCU，即可调校系统，以弥补任何差异。由于这是以软体进行，因此，产品须维持一致时，可在製造过程中进行有效的调校程序。

　　随着环境温度变化，LED的输出也会产生变化。为因应这一点，系统须能以感测器侦测环境温度。MCU须能够读取感测器，并随之调整LED驱动，以灵活修正色彩及亮度。由于温度检查仅须定期进行，因此该功能的常用开支相当低。

　　此外，MCU亦可使系统能监控自身安全运作；如果LED的温度超过特定临界值，照明控制器可降低亮度或关闭灯串，同时远端通知操作人员发生问题。过热会使得LED提早老化，造成照明输出降低。确保LED不超过特定温度可延长其使用寿命。

　　当LED老化的同时，品质也会受影响，造成色彩配置变异。例如，红光LED的寿命比蓝光LED短，而特定电源输出或脉衝宽度调变（PWM）频率所产生的色彩会随时间改变。智能控制器可解决老化问题，并修正色彩配置，以维持LED系统在使用寿命期间一致的照明效果。

　　管理品质技术也可提升安全及效率。例如照明依环境光线而调整--大雨期间，可将部分地区路灯提早点亮；若环境光线充足，可将照明调暗，以减少电源耗用。 透过运用各种感测器及远端连线，LED照明应用的安全及效率可大幅提升。例如，交通号誌或特定路灯的感测器可监测深夜的交通路况。如果交通相当繁忙，该网路即可点亮比平时更多的路灯。

　　智能LED控制器不仅提高照明品质，还拥有调光及色彩混合等其他功能。在评估照明的使用方式后，如不需要完整的亮度，即可将个别灯光关闭或调暗。例如，在仓库中，工人可能分散在不同的空间作业，此时使用人体感测器，即可将正在使用的空间点亮，如果同一时间只有50%的楼层使用中，即可将其余的灯光关闭，节省一半的能源。

　　再次以图2的路灯为例。由于深夜交通流量减少，多数路灯的亮度可调暗。若搭配通讯网络使用动作感测器，即可按照实际的交通需求开启或关闭路灯。若路灯关闭的时间达到25%的程度（图3），则可节省25%的能源，即68，218美元。此例中，透过电源供应效率与智慧运作，系统每年总共可节省多达101，844美元，大约达到33%的程度。

　　图3 在评估照明的使用方式后，如不需要完整的亮度，即可将个别灯光关闭或调暗。例如，使用人体感测器即可将目前须要使用的灯光点亮。接续图2的例子，如果路灯关闭的时间达到25%的程度，则可节省25%的能源（68，218美元）。对于此应用，透过电源供应效率与智慧运作，系统每年总共可节省多达101，844美元，大约达到33%的程度。

　　前言

　　LED因其省电、环保的特性，普遍被认为是下世代的主流照明技术，各厂商各国政府无不看好此项技术，纷纷投入大量资源投资，然而时至今日，LED照明相对偏高的价格，让市场的开展始终不如预期。除了价格因素之外，LED照明的规格标示不一、参差不齐的质量、无法预期的可靠度等等，也都是LED照明市场推广的阻碍。有鉴于此，各LED照明标准纷纷出台，对量测手法也多所著墨，如IES LM-79便规范了积分球与分布亮度计等量测方式。然而标准规范的方式往往只考虑了准确性，对使用上的方便性、测试所需花费的时间等等其他因素往往忽略，使得标准所规范的量测方式只能在实验室应用，如积分球与分布亮度计的上下料件便利性，测试所需花费的空间与时间等，均使其在生产在线不易使用，而只在实验室里的少量测试，对于整体LED照明产品的质量提升帮助有限，也使消费者不易更广泛的接受LED照明产品。

　　系统原理

　　若能有一测试方式能满足1）方便上下料件，2）设备尺寸适中，3）量测时间快速，4）测试成本低廉，5）量测数值能与实验室设备有良好比对结果，若能满足这些条件，则LED照明产品在生产在线百分之百测试将是可行，LED照明产品的质量问题也才能不再为消费者诟病。

　　因此，假若能在LED待测物周围，以适当的方式布满光侦测器，则此量测设备本身将只比待测物尺寸略大一些，而此量测设备亦较容易与自动化结合。

　　致茂电子推出一创新之量测方式，采用单晶硅太阳能板（mono-crystalline silicon solar cell）为光侦测器，在待测物周围适当布满，如图一的灯泡测试与图二的灯管测试结构，利用太阳能板的光电转换原理，以及太阳能板相对大面积与成本较低廉之特点，不仅大幅缩减了量测设备尺寸，也大幅提升了测试速度，含上下料件时间在内，每颗LED灯泡的所有光电参数测试可在六秒钟内完成，实现了在生产在线测试的可能性。

　　本方法利用太阳能板接收到光的能量能转换成电的特性，来达成光能量侦测的目的。一般商用单晶硅太阳能板对波长的响应如图三所示，图中列了三片太阳能板的波长响应实际量测数据，由图中可知，在一般LED的波长应用范围内，单晶硅太阳能板均能有不错的响应。而太阳能板的短路电流，其电流值大小为其所接收光能量的函式，由此特性，便能藉由量测此短路电流的数值，而得知LED照明产品所发出光的能量，亦即其流明值。当然，太阳能板的质量须经过严格的筛选程序，方能用来做为光侦测器，例如每片太阳能板上各区的响应度均需一致等等条件。

同时通过资金扶持也使企业在技术上进行突破，

　　LED技术的快速发展，光效的不断提升，LED射灯技术也在快速发展。目前的LED射灯几乎是以替代传统卤钨灯为主。相比传统灯具，LED射灯在节能及长寿命方面具有显著的优势。随着LED射灯成本的降低，LED射灯的应用也逐步开始普及。《全面剖析LED射灯灯具》分为上下两集，上集笔者先从LED射灯的技术要求，常见的规格类型及结构给大家讲起。

　　（一）LED射灯技术要求

　　现阶段的LED射灯，主要以替代传统卤钨灯为主，相关的安全要求大多参考传统照明要求，并根据LED灯的特点，形成了一套安全认证标准。目前，在LED射灯的认证方面，国际上主要以欧洲CE和北美UL认证为主，在中国可进行自愿性认证（CQC）。

　　在CE认证里包含LVD和EMC两个方面，其中LVD是按照EN60968标准执行（将升级 IEC 62560）；EMC按照EN55015、EN61547、EN61000-3-2和EN61000-3-3标准执行。此外，LED灯通常还需要额外参照IEC 62471，进行光生物安全方面测试。在北美，通常需要进行UL安全和FCC电磁兼容认证。UL执行标准为UL1993、UL8750和UL1310；FCC执行标准为FCC PART15 Subpart B。在中国，对于LED射灯是采用自愿性认证（CQC），执行标准为GB24906-2010（安全）和GB 17743-2007（电磁兼容）。

　　另外，在LED射灯的性能方面，也有诸多标准规定。美国有能源之星（ENERGY STAR）有相关要求；中国有节能认证要求，执行标准为CQC 3129-2010。这些要求中，均对LED射灯的色温、显色指数、初始光通量、光效、光通维持率、寿命、中心光强、标称功率、功率因数、产品标识等进行了规定。

　　推算公式

　　许多电子产品的寿命是以坏掉来评判，但LED是一种寿命很长的光源，可使用很久都不会坏。但光通量的输出却会随着时间而衰减，因此行业内通常用光衰至70%所需的时间来定义LED光源的寿命，即L70。随着技术的进步，LED的光衰越来越缓慢，要完整测试其光衰至70%的时间也难以做到。由于电子产品的寿命呈指数规律，因此LED通常做较短时间的老化，通过采样光衰数据，然后以指数函数来推算其光衰至70%的时间，推算公式如上图所示。

　　LED射灯规格及类型

　　● 常见LED射灯规格及类型

　　通常对LED老化6000小时测试光通维持率LM（Lumen Maintains），按照指数规律，若6000小时后LM＞91.8%，便可宣称25，000小时的寿命，若LM＞94.1%可宣称35，000小时的寿命，但寿命推算的时间不超过测试时间的6倍。

　　图1：光衰指数曲线

　　图2：LED射灯极坐标光强分布曲线

　　LED射灯的角度，一般以50%峰值光强的光束角来定义。如图2是一个LED射灯的极坐标光强分布曲线，可以看出，50%光强对应的角度分别为±20°左右，因此这个射灯的角度为40°。

　　（二）常见LED射灯的规格及类型

　　图3：不同灯头（从左至右为E14、E17、E26、E27、GU10、GU5.3）

　　现阶段的LED射灯主要以替代传统卤钨灯为主，因此外形尺寸是参照IEC 60630标准，灯头参照IEC 60061-1标准。根据传统射灯情况，目前的LED射灯主要有MR16、PAR16、PAR20、PAR30、PAR38这几种。其中MR16通常采用GU5.3灯头；PAR16主要采用GU10、E26（美洲）/E27（欧洲及中国）、E14灯头；PAR20/PA30/PAR38主要采用E26、E27灯头。

　　LED射灯结构简析

整个放电範围的平均效率都超过80%，

　　在众多照明应用中，线性LED驱动器是首选的方案，因为它们相对简单，易于设计，且使LED能够以精确的稳流电流来驱动，而无论LED正向压降（Vf）或输入电压如何变化。由于驱动器是线性结构，它们必须匹配应用的功率耗散要求。安森美半导体提供电流范围在10 mA到1 A之间的宽广范围线性LED驱动器方案，包括新颖的线性恒流稳流器（CCR）方案及其它众多线性驱动器方案。

　　针对低电流LED驱动的线性CCR及应用示例

　　在电流低于350 mA的许多低电流LED应用中，如汽车组合尾灯、霓红灯替代、交通信号灯、大型显示器背光、建筑物装饰光及指示器等，可以采用普通的线性稳压器或是电阻来提供LED驱动方案。电阻用于限制LED串的电流，是成本最低的方案，易于设计，且没有电磁相容性问题。但是，使用电阻时，LED正向电流由电压确定，在低电压条件下，正向电流较低，会导致LED亮度不足，且在负载突降等暂态条件下，LED可能受损。电阻方案的能效也最低，不利于节能，这在强调高低能耗的应用中尤为不利。此外，电阻方案也存在LED热失控及筛选问题。线性稳压器方案的提供较佳的稳流精度（±2%），支持过功率自调节，也没有EMI问题。这种方案的能效较低，成本适中。

　　客户需要比普通线性稳压器经济、但在性能上又比电阻高出许多的驱动方案。安森美半导体运用待批专利的自偏置电晶体（SBT）技术，结合自身超强的制程控制能力，推出了新颖的LED驱动方案——NSI45系列线性恒流稳流器（CCR）。与电阻相比，线性CCR在宽电压范围下亮度恒定，在高输入电压时保护 LED，使其免于过驱动，在低输入电压时提供更高亮度。得益于其恒流特性，客户可以减少或消除不同供应商提供的不同LED的编码成本，降系统总成本。 CCR也无EMI问题，采用高功率密度封装，并通过汽车行业AEC-Q101认证。

　　安森美半导体的CCR包含双端固定输出和三端可调节输出两种类型，电流等级分别涵盖10至350 mA及20至160 mA，阳极-阴极最大电压VAK分别为50 V和45 V。高VAK电压帮助抑制浪涌，保护LED。这系列CCR在电流流动前无电压偏移，其快速导通/关闭特性提供宽范围及精确的脉冲宽调变（PWM）调光能力。市场上没有跟CCR一样的“随插即用”元件，其它元件都需最低0.5 V的电压导通，而不会像CCR一样立即导通（见图1左）。CCR能以外部双极结电晶体（BJT）来提供精确的PWM调光（见图1右），典型PWM调光频率是0.1到3 kHz，调光过程中并无色彩漂移，因为LED始终以最佳的电流导通。

　　图1： 25 mA的CCR与竞争元件的Ireg-Vin曲线比较（左）；CCR调光应用示例（右）。

　　CCR带有负温度系数（NTC）功能，在极端电压和工作温度下保护LED免受热失控影响。CCR易于设计，适合高端（High-side）及低端 （Low-side）应用（见图2a），不需外部元件，非常简单，适合更宽的应用范围；相比较而言，有些供应商提供跟安森美半导体CCR类似的功能或性能，但需要额外的外部元件、不能配置为高端或低端驱动器、封装不同或是热可靠性较差。

　　图2：CCR可灵活用于高端或低端驱动，亦可驱动多串LED。

　　CCR还能用于驱动多串LED（见图2b和2c），同样是既可用于高端，也可用于低端。图2b显示的是单个CCR驱动多串LED的应用示例，这种配置的成本最低，但不同LED的正向压降必须匹配，且某串LED故障则其它串LED的电流增加，加大故障风险。这种配置中较多功率耗散在单个CCR封装之中。图 2c显示的是多个CCR驱动多串LED，这种配置的保护性能最佳，既不需要匹配LED，某串LED故障对其它串也没有影响，且功率在多个CCR封装中耗散。

　　除了以单个CCR驱动单串或多串LED，还能并联多个CCR来提供更大电流，驱动单串或多串LED。其中，使用三端可调节输出CCR有助于满足特定电流设置要求，可调节电阻能耗不到150 mW。

　　图3：并联多个CCR提供更大电流，驱动单串或多串LED。

　　CCR可以用于直接采用交流电源供电的应用。交流市电输入经过桥式整流后，只需要保证输入电压减去LED串总电压后所剩下的电压不超过CCR的VAK即可。CCR也可用于T8萤光灯管LED替代应用。采用CCR来驱动LED T8灯管（见图4）与采用电子镇流器的萤光灯相比，输入功率更低，功率因子更高，总涟波失真更低，光输出更高。

　　图4：NSI45090DDT4G CCR在驱动LED T8灯管应用中的电路图。

　　安森美半导体的NSI45系列CCR包含10、15、20、25或30 mA固定输出版本，60至160 mA的可调节输出版本，以及通过汽车标准认证的20至160 mA可调节输出版本。安森美半导体并提供CCR样品套件和评估板供客户申请试用。

PWM调光MOSFET利用PWM调光终端的输入来导通和关闭LED串。对于最高的PWM调光比，中艾电源

　　宽能隙（Wide Bandgap）半导体氮化镓（GaN）及其相关化合物半导体材料，被广泛开发用于照明及各种光电元件上。氮化镓发光二极体（GaN LED）发光波长涵盖绿光至深紫外光波段，在可预见的未来，将完全取代传统白炽灯泡及萤光灯做为照明光源。

　　另一种潜在的光电元件是微光电阵列元件（Micro Optoelectronic Device），该元件集合成千上万如发光体（Emitter）、侦测器（Detector）、光学开关（Optical Switch）或光波导（Optical Waveguide）等微型元件于单一晶片上。工研院预期微光电阵列元件未来将在显示、生医感测（Biosensor）、光通讯或光纤通讯、光互连 （Interconnect）及讯号处理（Signal Process）领域上扮演重要角色。

　　微发光二极体阵列（Micro LED Array）透过定址化驱动技术做为显示器，除具有LED的高效率、高亮度、高可靠度及反应时间快等特点，其自发光显示--无需背光源的特性，更具节能、机构简易、体积小、薄型等优势。Micro LED比起同样是自发光的有机发光二极体（OLED）显示器，有较佳的材料稳定性、寿命长、无影像烙印等问题，其独特的高亮度特性在投影式显示应用，如微投影（Pico Projection）、头戴式光学透视显示器（See-through HMD）、抬头显示器（Head-up Display， HUD）等，更具竞争力。此外，奈秒（Nano Second）等级的高速响应特性使得LED显示器除适合做叁维（3D）显示外，更能高速调变、承载讯号，做为智慧显示器的可视光无线通讯功能。

　　Micro LED技术塬理

　　Micro LED微显示器的晶片表面必须製作成如同LED显示器般之阵列结构，且每一个点画素（Pixel）必须可定址控制、单独驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体（CMOS）电路驱动则为主动定址驱动架构，Micro LED阵列晶片与CMOS间可透过封装技术，如覆晶封装方式（Flip Chip Bonding）形成电性连结。黏贴完成后Micro LED能藉由整合微透镜阵列（Microlens Array），提高亮度及对比度。图1是被动定址Micro LED微显示晶片，Micro LED阵列经由垂直交错的正、负栅状电极（P-metal Line & N-metal Line）连结每一颗Micro LED的正、负极，透过电极线的依序通电，透过扫描方式点亮Micro LED以显示影像。主动驱动显示器比被动矩阵驱动方式更节能、更快反应速度，向来是高解析显示器主流驱动方式。

　　图1 Micro LED被动定址阵列架构示意图及晶片照片

　　Micro LED技术挑战亟待突破

　　Micro LED（《50微米（μm））存在有别于一般尺寸（》100微米）LED的特性。例如一般尺寸LED几乎没有电流拥挤（Current Crowding）、热堆积等问题，且因晶格应力释放及较大出光表面而可能有较佳的效率等优势。相对的，较大表面积的Micro LED可能因表面缺陷多而有较大的漏电路径，微小电极提高串联电阻值，都会影响发光效率。因此，微型LED阵列化製程开发及微型LED的结构设计须克服上述问题。此外，Micro LED的均匀度关係到成像品质及产品良率，为技术开发挑战之一。

　　事实上，目前的Micro LED微显示器均为单光色，塬因在于单一基板上很难同时有磊晶成长不同波长，并且保持高品质的LED。因此，据文献资料显示，美商3M可能以波长转换的方式将蓝光（或UV）光透过量子井光激发层转成红、（蓝）、绿光，构成叁塬色光模式（RGB）画素。而索尼（Sony）、OKI等厂商则倾向採用以分次转贴红、蓝、绿光Micro LED磊晶薄膜的技术（Epi-film Transfer），构成彩色Micro LED阵列。在Micro LED画素大小约10微米尺度下，RGB阵列技术是全球各团队亟待突破的技术瓶颈。

　　各国技术研发迭有进展

　　德州科技大学（Texas Tech University）的江教授团队在2011年底发表了至目前为止，全球密集度最高（1，693dpi）的绿光主动定址Micro LED阵列晶片（图2），达视讯图形阵列（VGA）（640×480）解析度。此种微显示器结合Micro LED阵列和CMOS的驱动积体电路（IC），每个Micro LED单体下都有一驱动电晶体电路，可个别控制发光。

　　图2 德州科大所开发的主动定址微晶粒发光二极体阵列微显示器

　　美国Ostendo Technology公司透过优化半导体製程中的微影及蚀刻技术（图3），在4吋LED晶圆上实现均匀度98%，密集度高达2，450dpi的Micro LED阵列。此技术的开发有助于高解析的LED微显示器实用化。Ostendo也将运用此技术製作雷射二极体（LD）阵列，做为投影显示源，此举将比 LED微显示器在投影应用上，具有更佳的光学效率。

　　图3 Ostendo Technology公司开发Micro LED阵列点距10μm的製程技术

　　英国Strathclyde大学的Dawson教授在Micro LED的研究上投入颇多，图4为其製作的64×64微显示器。他们并将微透镜（Microlens）积体电路整合到Micro LED阵列上，用来提高显示器亮度。2010年中研究团队更衍生成立mLED公司，提供Micro LED技术平台，配合客户开发生医、微显示、列印、半导体製程光源等相关应用模组或产品。

　　图4 mLED开发的64×64 Micro LED阵列

　　图5为工研院电光所製作之240×160 Micro LED元件。元件尺寸为7.4毫米（mm）×4.9毫米，Micro LED画素间距为30微米（846dpi）。工研院电光所目前已製作出红、蓝、绿光的Micro LED阵列，并朝整合红、蓝、绿叁光色Micro LED在单一晶片中开发，以实现单晶片Micro LED全彩显示晶片。

　　图5 工研院电光所製作的240×160蓝光LED微晶粒阵列元件影像

　　LED照明行业虽然发展时间不长，但最近几年可谓是风生水起，很多投资者都进入到该行业中来，以至于该行业出现膨胀的现象。LED照明行业以后的发展还需借助芯片解密技术。

　　中国LED照明行业由于得到政府政策的扶持，短短几年发展神速，LED企业如雨后春笋般崛起。但是LED照明行业并非风光无限，其背后深藏着巨大的隐患。目前，国内LED企业规模偏小，多以中小型企业为主。倒闭危机不断，这是何缘故呢？

　　中国LED企业现今严重依赖外国芯片，核心技术一半以上被国外少数大公司所占有。芯片引进成本高，且随着LED灯价格下滑，中小型企业只能获取微薄的利润，生存极为艰难。

　　国内LED企业长期引进外国芯片，倒不如直接引进芯片技术。芯片解密指单片机攻击者借助专用设备或者自制设备，利用单片机芯片设计上的漏洞或软件缺陷，通过多种技术手段，就可以从芯片中提取关键信息，获取单片机内程序。解密技术专用于反向研究高科技芯片，学习和掌握其中的技术精髓。直接引进芯片技术有助于降低成本从而减轻了中小型企业的经济负担。

　　中国LED企业要摆脱这种尴尬困境，必须加强自主研发能力，掌握核心技术。企业可通过解密技术，消化、吸收国外先进技术的基础上，加强模仿创新，通过对竞争对手的核心技术进行改进，以达到微创新或全面创新，创造自己的核心技术。在解密过程中可以依据客户的要求对原芯片进行反向设计，解决和完善原芯片现有的问题，设计出新的芯片。单片机解密工作室已成为目前国内最具专业实力和影响的IC与软件解密的反向研究实验室。

　　LED芯片定制化，助力LED照明走入民间

　　最新的市场数据显示，美国LED灯泡的零售价格已经降到8美元，而节能荧光灯的价格约为5美元，在这一价差下，消费者选择更为节能的LED灯的倾向性将进一步增强，预计到2015年，将真正迎来LED照明市场起飞。

　　但与此同时，也有产业人士认为，LED进入通用照明市场的速度可能会超出人们的预期。华润矽威科技有限公司总经理方乐章分析道：“随着LED照明产品价格的大幅下降，家居应用市场即将起飞，市场预计的增长幅度为30%左右，但我觉得远远不止这些，特别是中国大陆的LED应用市场可能会有一倍的增长。目前 LED灯的出厂价格已经降到1.38美元，进入家居市场已经没有价格障碍，2013年将会有部分消费者可能尝试使用LED照明产品，如果试用下来效果良好，2014年就会出现大量采购的情况。”

　　LED照明是所有半导体厂商都不容忽视的一大市场。过往，由于资金和设计能力的缺乏，制约了本土芯片设计公司进入到某一定制化的芯片市场，也导致了标准化产品市场的竞争异常激烈，毛利率不断下降;而针对特定应用的定制芯片，也就是模拟领域ASIC芯片市场的毛利相对来说要高很多，2011年整个模拟芯片的市场规模约为400亿美元，其中90%以上是定制芯片市场。因此，针对特定应用的定制芯片成为了全球许多芯片厂商大力发展的主要方向之一。

　　针对LED照明的特殊需求，需要芯片厂商能够有较为长远的发展规划，以及雄厚的设计能力，不断提升自身的服务能力，并且深入客户端，实实在在地帮助客户解决问题，提供实用的解决方案和产品。

　　此外，资金问题也是很多厂商常常会碰到的另一大瓶颈，对此，方乐章说道：“当前，中国电子制造业的竞争实力有目共睹，不单单是生产能力强，而且配套齐全，这对于国内IC芯片产业来讲是非常重要的。”

　　国内LED芯片企业以小规模为主。对于这些中小企业而言，资金紧缺是当前面临的最迫切问题。不少中小企业技术创新能力并不亚于大型企业，但无奈缺乏融资能力，此类企业将会是大企业并购的主要对象。而对于没有资金支持且技术实力有限的企业，则将彻底退出LED芯片行业。

LED驱动电源。 没有形成集中度高、销售额达千亿元的大企业。最大的企业年销售额也没超过50亿元，德国慕尼黑和美国加利福尼亚州圣克拉拉讯—英飞凌科技股份公司（FSE代码：IFX/OTCQX代码：IFNNY）近日在“StrategiesinLight”展会上发布了两款全新60VDC/DCLED驱动器ILD6070和ILD6150。这两款60VLED驱动器可实现卓越的功率转换效率，LED照明产品成本降低至2011年的20%，为保证性能和安全，中艾电源LED驱动电源收音机接受到的噪音越低，汽车电子产品有了突飞猛进的发展，这是最低成本的加强散热方式。

2、导热塑料壳，全球每年家庭照明灯座出货量约为500亿个。

LED光源的技术日趋成熟，

　　在白色LED模块需求以照明用途为中心不断高涨的情况下，日本爱德克公司（IDEC）针对将组合蓝色LED元件和黄色荧光材料实现白色光的模块（伪白色LED模块），开发出了新的制造工艺（图1）＊1。新工艺与传统工艺的不同在于通过树脂封装基板上LED元件的工序，将含有荧光材料的凝胶状硅树脂片材贴在LED元件上加热封装。与传统工艺相比，新工艺可将封装工序所需时间缩短至1/9，而且可实现稳定的品质并简化设备。

　　图1：采用新工艺生产的LED模块（a）以及凝胶状树脂片材（b）

　　通过组合使用蓝色LED元件和黄色荧光材料来实现白色光。LED元件的封装采用含有荧光材料的凝胶状硅树脂片材（日东电工制造）。

　　摄影：（a）为爱德克、（b）为日东电工

　　＊1：实现白色光的方式还包括组合使用光的三原色——红色、绿色和蓝色的LED元件。不过，其用途多为显示器的光源。在照明用途中，伪白色LED模块是主流。

　　没有产生偏差的要因

　　图2中是传统工艺与新工艺之间的比较＊2。传统工艺通过含有荧光材料的液状树脂来封装LED元件。首先，在基板上的LED元件周围形成用来阻挡树脂流出的“坝”，并使其硬化。然后，搅拌液状树脂与荧光材料、浇注到基板上的坝内。最后，对浇注的树脂进行热硬化处理。整个封装工序所需要的时间约为六个小时。

　　图2：传统工艺与新工艺在封装工序上的比较

　　传统工艺在整个封装工序上（形成坝并使其硬化、搅拌树脂和荧光材料、浇注液状树脂并使其硬化）需要花费约六个小时。新工艺只需将凝胶状片材贴在LED元件上进行硬化即可，因此仅需40分钟。由本刊根据爱德克的资料制作。

　　＊2：此外，还有通过含有荧光材料的固体树脂片材来封装LED元件的制造工艺。该制造工艺容易稳定质量，不过无法单独通过固体树脂片材进行封装，需要另外使用液体树脂进行封装，因此生产效率较低。

　　但在这种制造工艺中，存在树脂和荧光材料未均匀混合、荧光体在树脂中沉淀、浇注的树脂量多少不一等诸多会造成品质不稳定的问题，难以维持质量。如果封装工序的品质不均，就会产生色度偏差，可能会影响LED模块的性能。

　　而新工艺则是在基板上的LED元件上粘贴凝胶状的树脂片材、加热至约150℃，经过约40分钟后片材硬化，由此完成封装，因此可大幅缩短所需要的时间。而且，凝胶状树脂片材基本上不会出现荧光材料沉淀等会导致封装工序质量不均的因素，因此可以轻松提高作为LED模块的性能。比如，关于前面提到的色度偏差，与传统工艺相比，新工艺可将偏差降至一半左右。而且，直至完成封装的工序数量也很少，因此生产设备也可以实现简化。

　　另外新工艺还改善了热循环特性，虽然爱德克原本并没有这方面的打算。以分别在低温环境下（-55℃）和高温环境下（85℃）暴露30分钟为一个循环开展试验时发现，采用传统工艺法生产的模块在约200次循环后开始出现故障，而采用新工艺生产的模块在2000多次循环后也没有出现故障。

PSE，

　　以发光二极管（LED）为光源的照明器具凭借功耗低、寿命长的特点逐渐开始在市场上渗透。其中，意欲替代白炽灯泡、灯泡型荧光灯等传统灯泡的灯泡型LED照明（以下，简称LED灯泡）近来更是备受关注。因为按照LED寿命计算的灯泡的单位时间价格已经与传统灯泡相当，所以，有望在普通家庭中加速普及。

　　率先推出低价LED灯泡的厂商是夏普。夏普以实际售价不到4000日元的低价格为卖点进军LED灯泡市场。这一价格的设定非常具有冲击力，约为当时LED灯泡市售价格的一半。东芝照明（Toshiba Lighting）迅速做出反应，于夏普产品发布的11天之后，发布了与夏普的新型低价LED灯泡产品*1、*2。

　　图1：低价LED灯泡东芝照明与夏普陆续上市了价格约为以往一半，即零售价不到4000日元的普通灯泡型LED照明（LED灯泡）。为了防止发光效率下降、寿命缩短，LED的散热非常重要。因此，LED灯泡的下半部分为铝合金铸件制造的散热器

　　灯泡的下半部为散热部件

　　低价格化并不意味着LED灯泡可以抛弃功耗低、寿命长等特有的优点。而且，产品要想立足于市场，还需要具有较高的散热能力。

　　LED灯泡发出的光线中红外线成分少。因此，与白炽灯泡、灯泡型荧光灯相比，光线照射部分升温较慢*3。但LED自身会发热，所以散热对策不可缺少。一旦超过LED芯片的容许温度，LED的发光效率就会下降，对灯泡的寿命也会产生不良影响。

　　从外部来看，LED灯泡的特征可以说是提高了散热性的结果。从侧面看LED灯泡，整体下侧的一半以上为散热器（图1）。东芝照明、夏普都采用了铝合金铸件制造的散热器。

　　比较二者的散热器，除颜色外，形状差异也非常明显。在高度方面虽然夏普产品稍微多些，但散热器沟道面积则是东芝照明的较大。东芝照明产品的沟道深度从下到上逐渐递增，而夏普的则是上下基本等高。

　　散热器的表面积越大，散热性能越高。在外形尺寸有限的情况下，加大沟道深度是增加表面积的方法之一，但随着沟道深度的增加，电源电路底板、树脂壳等的内部安装空间会随之减少*4。

　　东芝照明的散热器内部空间为圆柱形，夏普产品则为接近外形的圆锥形（图2）。树脂壳在保持绝缘性的同时，把电源电路底板安装在灯泡壳体上。

　　图2：LED灯泡的主要结构东芝照明LED灯泡散热器（外壳）的圆筒侧面有16片直角三角形沟道，上覆圆板。上面直接固定LED基片。电源电路底板固定在杯状树脂壳中，从散热器下方插入。另一方面，夏普LED灯泡的散热器呈有锥度的圆筒形状，表面安装有60片高度不到几mm的叶片。LED基片固定在散热器上方覆盖的圆板状金属板上。电源电路底板固定在散热器上方插入的圆锥形（但侧面大部分镂空）树脂壳A中。（点击放大）

　　LED芯片是LED灯泡的最大热源，在灯泡中是把复数个LED芯片封装在一起，然后安装在铝合金制成的基片上的。这种铝合金的LED基片被固定在散热器的上部。夏普的产品中，LED基片与散热器之间还夹有金属板。

　　本文将结合东芝照明产品及夏普产品的LED灯泡拆解图，详细介绍其内部构造。

　　散热器连接构造各不相同

　　扩散LED光线的半球状部分被称为“球形灯罩”。东芝照明的球形灯罩为聚碳酸酯制，利用粘合剂固定于散热器上方的4个位置。而普通灯泡的球形灯罩一般为玻璃制造。这是因为LED光线不容易发热，所以能够采用树脂。而且，采用树脂之后，在灯泡掉落时也不易破裂，安全性由此提高。

　　球形灯罩下方配置的是LED基片。在东芝照明的产品中，6.9W（白色、总光通量565lm）额定功耗的产品中，LED基片上的LED封装数量为7个（图3）*5。

　　图3：东芝照明LED灯泡的上部 LED基片背面与散热器（外壳）上表面接触，直接利用2颗螺丝固定。

　　东芝照明的LED基片上安装有连接电源电路线的连接器。连接器是无需焊接的产品，估计是优先考虑了组装的简易性。附带一提的是，东芝照明的LED灯泡是在日本国内工厂组装的。

　　LED基片由2颗螺丝固定，拆下基片后可以看到散热器的上表面。这一部分利用机械加工进行了平坦化处理，只需对LED基片进行螺丝固定即可与基片背面充分贴合从而获得导热性能。

　　夏普的LED灯泡的球形灯罩为玻璃制造*6。7.5W（日光色、总光通量560lm）额定功耗产品的LED基片上配备了6个LED封装（图4）。电源电路底板之间的布线采用焊接方式连接。

　　图4：夏普LED灯泡的上部 LED基片利用3颗螺丝固定在金属板上，二者之间涂有导热油。另外，与电源电路底板的布线进行了焊接。

　　LED基片通过3颗螺丝固定在金属板上，二者之间涂布了导热硅脂（Grease）。固定LED基片的不是铝合金铸件制造的散热器，而是另外的金属板。材质虽然为铝合金，但表面看不出机械加工痕迹。用这种金属板固定LED基片，两者的贴合性能有可能不够充分，所以需要使用导热硅脂。

　　金属板利用3颗螺丝（不是固定LED基片的螺丝）被固定在散热器上。取下金属板可以看到，散热器内部充满了黑色树脂（图5）*7。估计这些树脂是促进导热的填充材料，但这些树脂与金属板的背面并未接触，所以推测其主要目的是向散热器传导电源电路底板的热量，而不是LED封装发出的热量。

　　图5：夏普LED灯泡的内部金属板利用3颗螺丝固定在散热器（外壳）上。散热器内部充满了填充材料，但是与金属板背面不接触，热量只能通过金属板与散热器的接触部分传导。另外，二者之间配置有O环，确保了气密性。（点击放大）

　　散热器与金属板的接触部分呈环状，面积并不算大。金属板背面的接触部分有整圈的凸缘，不仅组装时容易定位，而且略微扩大了接触面积。另外，金属板的外沿裸露于灯泡的外部，成为灯泡设计上的点缀。

　　配置于金属板与散热器接触部分周边的O形环用途不详。如果是为了保持气密性，那么该环的作用应该是防止液体树脂填充后的材料外漏，防止从外部进水。促进热量从金属板向散热器传导也是可以想象得到的目的之一。

采用银反射镜镜。