1、发展迅速的交流驱动 LED 光源技术浅析来源：ofweek 半导体照明网 时间：2012-05-22 【字体：大 中 小】LED 光源作为绿色、节能、省电、长寿命的第四代照明灯具而异军突起、广受关注、如火如荼地迅速发展。目前的 LED 光源是低电压（VF=23.6V）、大电流（IF=2001500mA）工作的半导体器件，必须提供合适的直流流才能正常发光。直流（DC）驱动 LED 光源发光的技术已经越来越成熟，由于我们日常照明使用的电源是高压交流（AC100220V ），所以必须使用降压的技术来获得较低的电压，常用的是变压器或开关电源降压，然后将交流（AC）变换成直流（DC），再变换成直流恒流源
2、，才能促使 LED 光源发光。因此直流驱动 LED 光源的系统应用方案必然是：变压器+整流（或开关电源）+恒流源（图 1）。 LED 灯具里必然要有一定的空间来安置这个模块，但是对于 E27 标准螺口的灯具来说空间十分有限，很难安置。无论是经由变压器+整流或是开关电源降压，系统都会有一定量的损耗，DCLED 在交流、直流之间转换时约15%30%的电力被损耗，系统效率很难做到 90%以上。如果能用交流（AC ）直接驱动 LED 光源发光，系统应用方案将大大简化，系统效率将很轻松地达到 90%以上。图 1 直流驱动 LED 光源的系统应用方案韩国汉城半导体公司即今天的首尔半导体早在 2005 年已
3、发明可以用交流直接驱动使其发光的 ACLED，其次是美国 III-NTechnology，3N 技术开发 MOCVD 生长技术基础上的氮化镓衬底，可以增进照明和传感器的应用，并降低成本和提高生产效率。对大大小小的硅发光二极管提供 6英寸生产技术。3N 发明的单芯片交流发光二极管（ACLED），建立了全面的专利组合，以保护和改善技术，牢固地确立其专有的立场，是首屈一指的大规模商业化生产的交流发光二极管产品。我国台湾省“工业技术研究院“2008 年也完成可产业化生产并有实际应用系统方案的 ACLED 产品，可直接插电于 60Hz 或更高频率的 AC110V 交流压使其交流发光，应用于指示灯、霓虹灯
4、、低瓦数照明灯，能有效解决现有 LED 无法直接在交流源下使用，造成产品应用成本较高的缺点。台湾工研院的 OnChipACLED（片上 ACLED）因此获得素有美国产业创新奥斯卡奖之称的 2008年 R&D100Award 大奖。现在全世界只有美国、韩国与中国台湾有此技术，台湾工研院开发出白光、蓝光及绿光 ACLED 的制程技术，不仅与国际同步，也是全球领先者之一。AC LED 灯具的优点与白炽灯、卤素灯、荧光日光灯、荧光节能灯、直流 LED 灯相比，ACLED 灯具有更节能省电、更长寿、更有能效的高性价比。ACLED 发光省去了成本不菲的 AC/DC 转换器和恒流源。交流 LED 与现有的照
5、明灯具性能比较如表 1 所示。表 1 交流 LED 与现有的照明灯具性能比较ACLED 光源超细晶粒采用特殊交错的矩阵排列ACLED 光源的重大技术突破是超细 LED 晶粒在封装时的特殊排列组合技术，同时利用LEDPN 结的二极管特性兼作整流，半导体制程在其中扮演着相当重要的角色。ACLED 通过半导体制程整合成一堆微小晶粒，采用交错的矩阵式排列工艺，并加入桥式电路至芯片设计，使AC 电流可双向导通，实现发光。晶粒的排列如图 2 所示，左图是 ACLED 晶粒采用交错的矩阵式排列示意图，右下方小图是实际 ACLED 晶粒排列照片，ACLED 晶粒在接上交流后通体发光，因此只需要二根引线导入交流
6、源即能发光工作。图 2 AC LED 晶粒排列照片与示意图ACLED 光源的工作原理ACLED 光源的工作原理如图 3，将一堆 LED 微小晶粒采用交错的矩阵式排列工艺均分为五串，ACLED 晶粒串组成类似一个整流桥，整流桥的两端分别联接交流源，另两端联接一串 LED晶粒，交流的正半周沿蓝色通路流动，3 串 LED 晶粒发光，负半周沿绿色通路流动，又有 3 串LED 晶粒发光，四个桥臂上的 LED 晶粒轮番发光，相对桥臂上的 LED 晶粒同时发光，中间一串LED 晶粒因共用而一直在发光。在 60Hz 的交流中会以每秒 60 次的频率轮替点亮。整流桥取得的直流是脉动直流，LED 的发光也是闪动的
7、，LED 有断电余辉续光的特性，余辉可保持几十微秒，因人眼对流动光点记忆是有惰性的，结果人眼对 LED 光源的发光+余辉的工作模式解读是连续在发光。LED 有一半时间在工作，有一半时间在休息，因而发热得以减少 40%20%。因此ACLED 的使用寿命较 DCLED 长。图 3 AC LED 光源的工作原理ACLED 成熟的产品如首尔用于 AC110V 的 AX3201、AX3211 和用于 220V 的AX3221、AX3231。用于 AC110V 功率在 3.3W4W，工作电流 40mA；用于 AC220V 功率在3.3W-4W，工作电流 20mA（图 4）。LED 晶粒直接邦定在铜铝基板
8、上。引脚如图 5 所示。图 4 首尔半导体的 AC LED图 5 AC LED 引脚图ACLED 的典型应用技术ACLED 的典型应用电原理图如图 6 所示十分简单，在 ACLED 两端分别串入正温度系数热敏电阻 PTC，和限流电阻 R1、R2、R3，接上 110V 或 220V 交流即可进入照明工作。LED 在大批量生产时，其阻抗有一定的离散性，ACLED 也如此，为便于下游厂家的大批量应用，LED 光源生产厂商在出厂时对批量生产的产品按阻抗分档，客户在使用时可按 LED 光源厂家提供的 VF 分档表查用相应阻值的限流电阻，如表 2 所示是 AX3221/AX3231 的 VF 分档与限流电
9、阻表。图 6ACLED 的典型应用电原理图表 2AX3221/AX3231 的 VF 分档与限流电阻表ACLED 的发展ACLED 在家用电力上的方便性，不需要像 DCLED 一样另外得帮灯具装上一个交流转直流的转换器，不但节省了这颗转换器的成本，也避免 LED 光源本身还没坏，但转换器却先坏掉的窘境。交直流转换器可说是一种随着时间会老化、坏掉的电子元器件，其寿命比 LED 光源本身更短，故目前很多 LED 灯具坏掉，并不是 LED 光源寿命已尽，而是 LED 灯具使用的交直流转换器先坏掉了。ACLED 还有一个特性，就是因为其工艺采用交错的矩阵式排列，是轮流点亮的，在 60Hz 的交流中会以
10、每秒 60 次的频率轮替点亮，也让 ACLED 的使用寿命较 DCLED 长。不过，ACLED 现阶段有两个缺点，其一是发光效率并没有 DCLED 高，这是因为 DCLED发展目前是主流，ACLED 刚刚起步， ACLED 的发光效率是可以追上，甚至超过 DCLED 的。其二是 ACLED 有触电的风险。故 ACLED 如果要应用在 LED 照明灯具上，应避免金属鳍片的裸露，而应是间接地把热带走，这也就是发展新的充液 LED 固态照明灯具的设计核心概念。ACLED 刚刚步入成长期，目前在发光亮度、功率等方面还不够理想，但 ACLED 的应用简便、无需变压转换器和恒流源，以及低成本、高效率已显现强大的生命力。ACLED 的技术在飞跃发展，要不了几年，高亮度、大功率、低成本的产品将大量面世。
