行家說：一種高壓LED光引擎的質量評價

　　LED光引擎(LED Light Engine)的概念最早為半導體行業所知，是起于ZHAGA聯盟的成立和推廣。所謂LED光引擎，是指LED封裝(元件)或LED陣列(模塊)、LED驅動器、以及其他光度、熱學、機械和電元件的整體組合，一般情況下可直接由市電供電。

　　LED光引擎的研發和推廣，主要目的在于實現光源的標準化，使得在實際應用中，可像傳統照明產品一樣，在出現失效時，可直接更換LED光源部分，而無需整燈替換，有利于節約成本。

　　為了更進一步降低LED的成本，除了光引擎的標準化設計，半導體照明行業開始逐漸較多的出現高壓LED的設計方案。

　　本文所討論的高壓LED產品，是傳統的高壓LED產品，即將多個LED芯片通過一定方式串并聯起來，由經過簡單整流后的高壓直流供電。其電路結構示意圖如圖2所示：

　　高壓LED產品，由于不再采用LED驅動電源降壓供電的設計形式，只保留少數的元器件，如整流橋、電阻、穩壓管等，因此價格較為低廉，使用范圍逐漸擴大，包括高壓LED光引擎的設計。

　　高壓LED由于缺少了驅動電源的保障，本身產品的安全和性能都會在一定程度上降低。在設計成光引擎時，考慮到互換性用途時，比如各部件之間的安裝和拆卸，某些高壓帶電部件會更易暴露在操作人員面前，安全隱患有可能進一步加大。

　　一種高壓LED光引擎的結構和設計

　　某型號高壓LED光引擎可設計成LED筒燈或LED球泡燈的光源，結合高壓LED的供電簡易性，配以標準化接插件，在結構上便實現了方便替換的目的。具體結構如圖3至圖6所示：

　　從產品結構和組接過程而言，產品結構簡約，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，電路結構原理與圖2相近。相比于同類型產品，具有一定的低成本優勢。

　　光引擎與散熱器之間的連接，通過金屬螺紋旋緊，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、機械等四大部分結構的LED光引擎。燈具廠商可根據光引擎的各結構參數，進行燈具結構設計，從而實現光源可更換性。

　　高壓LED光引擎的質量評價

　　高壓LED光引擎在產品設計上存在諸多共性，以上文描述的高壓LED光引擎作為案例，通過對其質量進行評價，來說明此類型產品容易存在的質量缺陷。表現在以下幾個方面：

　　1、引發意外觸電危險

　　防意外觸電保護設計不佳，實際使用時容易引發觸電危險。其容易產生意外觸電危險的原因，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構。

　　圖4所示的耦合連接器，通常用于音視頻及信息電子產品的充電器中，例如手機充電器、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產生觸電危險。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，由于供電電壓是220V，因此存在較大的安全隱患。過程如圖7所示，當耦合連接器A端與B端剛開始接觸時， C部位的金屬部件隨即變為危險帶電件，在A與B未完全閉合情況下，用標準試驗指(見圖8所示)試驗，試驗指可觸及C部位的帶電件，從而產生觸電危險。若對此耦合連接器進行相應改進，使得標準試驗指不能觸及該金屬件時，也并不能立即做出符合性判定，此時還應額外考核該金屬帶電件到試驗指最近觸點的爬電距離和電氣間隙，并按照加強絕緣的要求值來考核。

　　而采用易拆卸結構的配光透光罩，同樣容易存在意外觸電危險。在安規標準中，徒手可拆卸的部件，即可歸為可觸及部件。雖說配光透光罩采用絕緣效果較好的塑料材料，但由于其在無需任何工具的前提下可手動拆卸，因此高壓LED模組整體(如圖3所示)就都屬于可觸及部件，人手觸摸時存在觸電危險。

　　2、未加過流保護裝置

　　圖3所示的高壓LED光引擎，并未設計有過流保護裝置，如熔斷器，在對LED模組上的元器件施加模擬故障時，如整流橋短路故障，這時會直接導致等效于輸入L、N之間的短路狀態，如果燈本身或者外部照明電路都沒有過流保護裝置，則很容易導致起火危險。

　　3、絕緣電阻和抗電強度難符合要求

　　LED是溫度敏感器件，過高的溫度會加快LED的光衰，降低使用壽命。但在產品設計時，散熱設計和安全設計往往相互約制，為了達到良好的散熱效果，企業傾向于將LED鋁基板與散熱器直接接觸，但這往往會降低產品的絕緣等級，在絕緣電阻和抗電強度試驗時可能難以負荷要求。

　　照明產品中，絕緣防護的要求，主要針對以下兩處位置：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絕緣的要求，后者需要滿足基本絕緣要求。在進行絕緣電阻試驗時，雙重絕緣或加強絕緣的要求值≥4MΩ，基本絕緣的要求值≥2MΩ;而雙重絕緣或加強絕緣的抗電強度試驗電壓值為4U+2750VAC，基本絕緣的抗電強度試驗電壓值為2U+1000VAC。

　　圖4可見，企業在設計時已經意識到要在鋁基板和散熱器施加絕緣防護，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與散熱器直接接觸，在實際考核時，絕緣墊片沒有起到太大的絕緣作用。為了滿足安規試驗的要求，企業需要將絕緣墊片的尺寸延長，將LED鋁基板和散熱器完全阻隔。但這反過來會降低散熱器的散熱效果，因此，如何在安規和散熱管理之間達到更好的平衡，需要企業去權衡。

　　類似的難題同樣出現在高壓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，絕緣防護僅依靠鋁基板及表面的絕緣漆進行防護，在對其L-N之間進行試驗時，耐抗電強度電壓值≤500VAC，遠低于要求值。

　　4、輸入電壓波動對LED芯片正向電壓的影響

　　家庭照明供電電壓并不穩定，一天時間內電壓波動值大概在額定電壓220V的0.9-1.1倍范圍內，即198V~242V之間，高壓LED的簡單化設計使得LED模組上芯片的正向電壓，會隨著輸入電源電壓的波動而變化。LED芯片的正向電壓波動，會加速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缺少驅動電源的恒壓或恒流設計，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，LED芯片上承受的峰值毛尖電壓較大，容易擊穿PN結;如果電路設計不佳時，LED的頻閃可能會較為嚴重，特別是應用在照明工程上、多樣品同時工作時，效果更加明顯，對人眼的傷害也會加劇。

　　6、潛在的可靠性缺陷

　　高壓LED光引擎采取簡單化設計，減少元器件數量和類型的使用，根據可靠性串聯模型，這確實在一定程度上提升了光源前端電路的可靠度水平。但是，根據上文的分析，當高壓LED模塊的某一組芯片失效時，會形成連環效應，加速剩余LED的失效。這也說明，此類高壓LED光引擎容易存在冗余設計的缺陷。如何完善冗余設計，使得部分LED的失效不會對其余LED的壽命造成影響，應成為企業可靠性設計的主要關注點。

　　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，也需要對一些細節部位進行改進。如圖12所標記，輸入黑色引線緊貼著整流橋，而整流橋在正常工作時，溫度較高，因此LED光引擎點亮工作時，引線絕緣層可能在整流橋的高溫下燒穿，繼而出現可能的短路故障。因此，制造過程中，應盡量避免引線與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對接線端子的機械應力影響，對連接耦合器的拔插操作，會對接線端子的焊點帶來應力作用，使焊點容易松脫，最終導致失效。圖13中，簡單的采用填膠處理，并不能保證機械牢靠性。

　　對制造工藝上的缺陷進行改進，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，則主要依靠冗余設計及熱管理來實現。通過紅外熱像儀進行探測LED光引擎的熱像分布，通過熱像圖(圖14，圖15所示)可見，此型號高壓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的光衰速度會加快。

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

　　當該樣品在密閉環境下使用時，如燈具光源腔內，情況會加劇。

　　小結

　　高壓LED和光引擎的有效結合不僅可以省去高壓轉低壓驅動電源的復雜元件，還可以通過接口標準化的引入有效降低成本，對半導體照明的應用和推廣有著積極的作用，成為了近年來照明領域研究的熱點。

　　但也必須意識到，通過多顆LED芯片串并聯分壓而形成的傳統高壓LED器件，由于芯片兩端電壓的不穩定，單一燈珠失效會造成LED燈串的連鎖反應，降低器件的壽命。

　　另外，此種高壓LED光引擎也由于過多考慮結構上的簡易，而在一定程度上犧牲了的安全、性能以及可靠性。

　　在今后的產品設計和優化時，應充分考慮安全的要求，保障操作人員防意外觸電和的防火，并在此基礎上完善產品的性能、可靠性和熱管理的設計，提高產品壽命。