LED光引擎(LED Light Engine)的概念最早為半導(dǎo)體行業(yè)所知，是起于ZHAGA聯(lián)盟的成立和推廣。所謂LED光引擎，是指LED封裝(元件)或LED陣列(模塊)、LED驅(qū)動(dòng)器、以及其他光度、熱學(xué)、機(jī)械和電元件的整體組合，一般情況下可直接由市電供電。

　　LED光引擎的研發(fā)和推廣，主要目的在于實(shí)現(xiàn)光源的標(biāo)準(zhǔn)化，使得在實(shí)際應(yīng)用中，可像傳統(tǒng)照明產(chǎn)品一樣，在出現(xiàn)失效時(shí)，可直接更換LED光源部分，而無(wú)需整燈替換，有利于節(jié)約成本。

　　為了更進(jìn)一步降低LED的成本，除了光引擎的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，半導(dǎo)體照明行業(yè)開(kāi)始逐漸較多的出現(xiàn)高壓LED的設(shè)計(jì)方案。

　　本文所討論的高壓LED產(chǎn)品，是傳統(tǒng)的高壓LED產(chǎn)品，即將多個(gè)LED芯片通過(guò)一定方式串并聯(lián)起來(lái)，由經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單整流后的高壓直流供電。其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

　　高壓LED產(chǎn)品，由于不再采用LED驅(qū)動(dòng)電源降壓供電的設(shè)計(jì)形式，只保留少數(shù)的元器件，如整流橋、電阻、穩(wěn)壓管等，因此價(jià)格較為低廉，使用范圍逐漸擴(kuò)大，包括高壓LED光引擎的設(shè)計(jì)。

　　高壓LED由于缺少了驅(qū)動(dòng)電源的保障，本身產(chǎn)品的安全和性能都會(huì)在一定程度上降低。在設(shè)計(jì)成光引擎時(shí)，考慮到互換性用途時(shí)，比如各部件之間的安裝和拆卸，某些高壓帶電部件會(huì)更易暴露在操作人員面前，安全隱患有可能進(jìn)一步加大。

　　一種高壓LED光引擎的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

　　某型號(hào)高壓LED光引擎可設(shè)計(jì)成LED筒燈或LED球泡燈的光源，結(jié)合高壓LED的供電簡(jiǎn)易性，配以標(biāo)準(zhǔn)化接插件，在結(jié)構(gòu)上便實(shí)現(xiàn)了方便替換的目的。具體結(jié)構(gòu)如圖3至圖6所示：

　　從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和組接過(guò)程而言，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，光引擎除LED芯片外，只有電連接件、整流橋、電阻、IC等少量元器件，電路結(jié)構(gòu)原理與圖2相近。相比于同類型產(chǎn)品，具有一定的低成本優(yōu)勢(shì)。

　　光引擎與散熱器之間的連接，通過(guò)金屬螺紋旋緊，并同樣配以螺紋連接的配光透光罩，最終形成具有完整的光、電、熱、機(jī)械等四大部分結(jié)構(gòu)的LED光引擎。燈具廠商可根據(jù)光引擎的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)光源可更換性。

　　高壓LED光引擎的質(zhì)量評(píng)價(jià)

　　高壓LED光引擎在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上存在諸多共性，以上文描述的高壓LED光引擎作為案例，通過(guò)對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，來(lái)說(shuō)明此類型產(chǎn)品容易存在的質(zhì)量缺陷。表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　1、引發(fā)意外觸電危險(xiǎn)

　　防意外觸電保護(hù)設(shè)計(jì)不佳，實(shí)際使用時(shí)容易引發(fā)觸電危險(xiǎn)。其容易產(chǎn)生意外觸電危險(xiǎn)的原因，一是采用耦合連接器做電氣連接，二是配光透光罩采用螺紋且易拆卸結(jié)構(gòu)。

　　圖4所示的耦合連接器，通常用于音視頻及信息電子產(chǎn)品的充電器中，例如手機(jī)充電器、筆記本電腦充電器等，但這些電源適配器的一般是安全特低電壓(SELV)輸出的，使用者可直接觸摸而不會(huì)產(chǎn)生觸電危險(xiǎn)。但上文提及的高壓LED光引擎采用此類耦合連接器作為供電連接時(shí)，由于供電電壓是220V，因此存在較大的安全隱患。過(guò)程如圖7所示，當(dāng)耦合連接器A端與B端剛開(kāi)始接觸時(shí)， C部位的金屬部件隨即變?yōu)槲ｋU(xiǎn)帶電件，在A與B未完全閉合情況下，用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)指(見(jiàn)圖8所示)試驗(yàn)，試驗(yàn)指可觸及C部位的帶電件，從而產(chǎn)生觸電危險(xiǎn)。若對(duì)此耦合連接器進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，使得標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)指不能觸及該金屬件時(shí)，也并不能立即做出符合性判定，此時(shí)還應(yīng)額外考核該金屬帶電件到試驗(yàn)指最近觸點(diǎn)的爬電距離和電氣間隙，并按照加強(qiáng)絕緣的要求值來(lái)考核。

　　而采用易拆卸結(jié)構(gòu)的配光透光罩，同樣容易存在意外觸電危險(xiǎn)。在安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中，徒手可拆卸的部件，即可歸為可觸及部件。雖說(shuō)配光透光罩采用絕緣效果較好的塑料材料，但由于其在無(wú)需任何工具的前提下可手動(dòng)拆卸，因此高壓LED模組整體(如圖3所示)就都屬于可觸及部件，人手觸摸時(shí)存在觸電危險(xiǎn)。

　　2、未加過(guò)流保護(hù)裝置

　　圖3所示的高壓LED光引擎，并未設(shè)計(jì)有過(guò)流保護(hù)裝置，如熔斷器，在對(duì)LED模組上的元器件施加模擬故障時(shí)，如整流橋短路故障，這時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致等效于輸入L、N之間的短路狀態(tài)，如果燈本身或者外部照明電路都沒(méi)有過(guò)流保護(hù)裝置，則很容易導(dǎo)致起火危險(xiǎn)。

　　3、絕緣電阻和抗電強(qiáng)度難符合要求

　　LED是溫度敏感器件，過(guò)高的溫度會(huì)加快LED的光衰，降低使用壽命。但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，散熱設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)往往相互約制，為了達(dá)到良好的散熱效果，企業(yè)傾向于將LED鋁基板與散熱器直接接觸，但這往往會(huì)降低產(chǎn)品的絕緣等級(jí)，在絕緣電阻和抗電強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)可能難以負(fù)荷要求。

　　照明產(chǎn)品中，絕緣防護(hù)的要求，主要針對(duì)以下兩處位置：帶電部件-可觸及部件，不同極性帶電部件之間。前者需要滿足雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣的要求，后者需要滿足基本絕緣要求。在進(jìn)行絕緣電阻試驗(yàn)時(shí)，雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣的要求值≥4MΩ，基本絕緣的要求值≥2MΩ;而雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣的抗電強(qiáng)度試驗(yàn)電壓值為4U+2750VAC，基本絕緣的抗電強(qiáng)度試驗(yàn)電壓值為2U+1000VAC。

　　圖4可見(jiàn)，企業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)意識(shí)到要在鋁基板和散熱器施加絕緣防護(hù)，但存在的缺陷是絕緣墊片尺寸較小，絕緣墊片外部的金屬鋁基板依然會(huì)與散熱器直接接觸，在實(shí)際考核時(shí)，絕緣墊片沒(méi)有起到太大的絕緣作用。為了滿足安規(guī)試驗(yàn)的要求，企業(yè)需要將絕緣墊片的尺寸延長(zhǎng)，將LED鋁基板和散熱器完全阻隔。但這反過(guò)來(lái)會(huì)降低散熱器的散熱效果，因此，如何在安規(guī)和散熱管理之間達(dá)到更好的平衡，需要企業(yè)去權(quán)衡。

　　類似的難題同樣出現(xiàn)在高壓LED的L-N之間，圖3所示的LED光引擎，L-N之間均焊接在鋁基板上，絕緣防護(hù)僅依靠鋁基板及表面的絕緣漆進(jìn)行防護(hù)，在對(duì)其L-N之間進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，耐抗電強(qiáng)度電壓值≤500VAC，遠(yuǎn)低于要求值。

　　4、輸入電壓波動(dòng)對(duì)LED芯片正向電壓的影響

　　家庭照明供電電壓并不穩(wěn)定，一天時(shí)間內(nèi)電壓波動(dòng)值大概在額定電壓220V的0.9-1.1倍范圍內(nèi)，即198V~242V之間，高壓LED的簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)使得LED模組上芯片的正向電壓，會(huì)隨著輸入電源電壓的波動(dòng)而變化。LED芯片的正向電壓波動(dòng)，會(huì)加速LED的光衰和損耗，降低其壽命。

　　5、LED芯片正向電壓的紋波

　　高壓LED缺少驅(qū)動(dòng)電源的恒壓或恒流設(shè)計(jì)，使得LED模組上芯片的正向電壓紋波較高。較高紋波值表示高壓LED光引擎正常工作時(shí)，LED芯片上承受的峰值毛尖電壓較大，容易擊穿PN結(jié);如果電路設(shè)計(jì)不佳時(shí)，LED的頻閃可能會(huì)較為嚴(yán)重，特別是應(yīng)用在照明工程上、多樣品同時(shí)工作時(shí)，效果更加明顯，對(duì)人眼的傷害也會(huì)加劇。

　　6、潛在的可靠性缺陷

　　高壓LED光引擎采取簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)，減少元器件數(shù)量和類型的使用，根據(jù)可靠性串聯(lián)模型，這確實(shí)在一定程度上提升了光源前端電路的可靠度水平。但是，根據(jù)上文的分析，當(dāng)高壓LED模塊的某一組芯片失效時(shí)，會(huì)形成連環(huán)效應(yīng)，加速剩余LED的失效。這也說(shuō)明，此類高壓LED光引擎容易存在冗余設(shè)計(jì)的缺陷。如何完善冗余設(shè)計(jì)，使得部分LED的失效不會(huì)對(duì)其余LED的壽命造成影響，應(yīng)成為企業(yè)可靠性設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)。

　　圖3例舉的高壓LED光引擎，除了上述可靠性缺陷外，在制造工藝上，也需要對(duì)一些細(xì)節(jié)部位進(jìn)行改進(jìn)。如圖12所標(biāo)記，輸入黑色引線緊貼著整流橋，而整流橋在正常工作時(shí)，溫度較高，因此LED光引擎點(diǎn)亮工作時(shí)，引線絕緣層可能在整流橋的高溫下燒穿，繼而出現(xiàn)可能的短路故障。因此，制造過(guò)程中，應(yīng)盡量避免引線與LED模組上高溫元件的接觸。

　　另外，LED光引擎也還需避免替換操作時(shí)對(duì)接線端子的機(jī)械應(yīng)力影響，對(duì)連接耦合器的拔插操作，會(huì)對(duì)接線端子的焊點(diǎn)帶來(lái)應(yīng)力作用，使焊點(diǎn)容易松脫，最終導(dǎo)致失效。圖13中，簡(jiǎn)單的采用填膠處理，并不能保證機(jī)械牢靠性。

　　對(duì)制造工藝上的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，可在一定程度上降低高壓LED光引擎的早期失效率，但提升整體可靠性，則主要依靠冗余設(shè)計(jì)及熱管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)紅外熱像儀進(jìn)行探測(cè)LED光引擎的熱像分布，通過(guò)熱像圖(圖14，圖15所示)可見(jiàn)，此型號(hào)高壓LED光引擎與散熱器之間的散熱效果不太理想，LED 模組的溫度依然較高，LED的光衰速度會(huì)加快。

　　另外，部分元件局部過(guò)熱，易形成“熱孤島效應(yīng)”。此外，焊腳的局部過(guò)熱也是引起焊點(diǎn)失效的主要原因。

　　當(dāng)該樣品在密閉環(huán)境下使用時(shí)，如燈具光源腔內(nèi)，情況會(huì)加劇。

　　小結(jié)

　　高壓LED和光引擎的有效結(jié)合不僅可以省去高壓轉(zhuǎn)低壓驅(qū)動(dòng)電源的復(fù)雜元件，還可以通過(guò)接口標(biāo)準(zhǔn)化的引入有效降低成本，對(duì)半導(dǎo)體照明的應(yīng)用和推廣有著積極的作用，成為了近年來(lái)照明領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

　　但也必須意識(shí)到，通過(guò)多顆LED芯片串并聯(lián)分壓而形成的傳統(tǒng)高壓LED器件，由于芯片兩端電壓的不穩(wěn)定，單一燈珠失效會(huì)造成LED燈串的連鎖反應(yīng)，降低器件的壽命。

　　另外，此種高壓LED光引擎也由于過(guò)多考慮結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)易，而在一定程度上犧牲了的安全、性能以及可靠性。

　　在今后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)，應(yīng)充分考慮安全的要求，保障操作人員防意外觸電和的防火，并在此基礎(chǔ)上完善產(chǎn)品的性能、可靠性和熱管理的設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品壽命。