解析高压LED的优缺点

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最近很多网站都大肆报道一种“高压LED”，认为它是一种全新的LED品种，而且具有很多优点，甚至认为它将使“今天的低压LED将淡出未来的LED通用照明市场”而高压LED将“主导未来的LED通用照明”，真的是这样吗？
我们知道，LED的中文是“发光二极管”，它从根本上来讲只是一种“二极管”。而且是工作在正向的二极管。过去只有高反压二极管，那是指高的反向击穿电压。如果工作在正向的话，那么一定是电压越高，电流越大。可是这种高压LED的最大特点却是高电压、小电流。那又是怎么一回事呢？
一、什么是高压LED
再仔细了解一下，原来它只是很多20mA的小功率LED串联起来，变成了所谓的高压LED。把很多小功率LED串联起来并不是什么新鲜事，其实在很多灯具里早就这样用了。唯一不同的是过去灯具厂商都是把已经封装好了的小功率LED串联起来。例如图1就是上海龙兴公司将80颗表面贴装的0.1W小功率LED全部串联起来以得到高电压小电流的特性，用于LED球泡灯中。

图1.80颗0.1W小功率LED的串联
现在则是由LED生产厂家提供一种串联好了的小功率LED，并把它称之为“高压LED”而已。它只是集成LED中的一种。其实过去早就有各种集成的LED，以不同数量的LED串并联起来，得到各种不同功率和电压的LED。可以说最早是美国的普瑞(Bridgelux)公司就已经推出了这种集成LED了。也就是把很多小功率LED在基板上就串并联起来，以得到一颗大功率LED。他们称之为LED阵列，例如他们在2009年推出的一颗30W的LED阵列BXRA-C2000实际上是把25个1W的LED在芯片上5并5串而得来，其尺寸为25.3x22.3mm发光面的直径为17.5mm(图2)，正向电压16.6V，正向电流1.75A，热阻0.5°C/W。

图2.美国普瑞公司的集成LED
高压LED和这种集成LED的主要差别在于高压LED是全部串联，而集成LED则是串并联。集成LED的特点是在一个大晶片上采用开槽的方法，将其切割成为很多小的LED，沟槽的深度约在4-8μm，沟槽不能太宽以免减小发光面积。在开出沟槽以后，为了敷设连接各个LED的导线，还要用绝缘层把这些沟槽填平，再按照串联或并联的要求而敷上相应的铝线。二、高压LED的性能指标
目前只知道台湾的晶元光电正在生产这种高压LED其指标如下表所示：
晶元光电HVLED指标

其中并没有他们宣传的耐压50V的高压LED。看来真正的高压LED也还没有成熟。所以也无从进行定量的比较。
三.高压LED的优缺点
那么我们来看一下到底这种高压LED有何优缺点。
1.功率耗散和散热器大小：有的报道宣称1W的高压LED的电压为50V，电流为20mA;而普通低压的1WLED电压为3V，电流为350mA，所以“同样输出功率的高压LED在工作时耗散的功率要远低于低压LED，这意味着散热铝外壳的成本可大大降低。”，这个说法显然是不成立的。耗散功率的大小主要由LED的发光效率决定，而不是由其标称功率决定。标称功率不等于输入功率。如果要决定散热器的大小，应当是在同样的发光效率来计算。通常认为对于目前100lm/W的发光效率来说，其真正的电光效率(就是由电能变成光能的效率)只有30%左右，就是只有30%的电能转换为光能，其余的70%的电能都转换为热能而需要经过散热器散去。所以对于具有同样发光效率的1W高压LED和普通低压LED来说，其变成热能的部分都是0.7W，需要通过散热器散去。所以这种高压LED所需要的散热器大小在同样的输入功率和同样的驱动电源效率的情况下是不会有什么差别的。
2.AC/DC转换器的效率：在同文中认为“输入和输出压差越低，AC到DC的转换效率就越高”。该文还认为因为220V输入时，高压LED只要4个串联就是200V，和220V只差20V。而用低压LED，即使是10个串联正向压降也只有30V，和220V相差很大。所以“如采用高压LED，变压器的效率就可以得到大大提高，从而可大幅降低AC-DC转换时的功率损失，这一热耗减少又可进一步降低散热外壳的成本。”实际上做过AC/DC恒流驱动的人都知道，AC/DC转换器的效率几乎是和最后的输出电压没有什么关系。可能变压器次级的电流大了会增加一些铜损，但是这是很小的，还不至于影响到散热器的设计。真正影响AC/DC转换器的效率的因素还有很多，例如非隔离的转换器效率就比隔离型转换器的效率要高很多(因为通常非隔离转换器根本就不用变压器，只要采用了变压器，不管变比是多少，都会大大降低效率);此外，隔离型反激式的输出整流二极管的损耗也会影响效率，为了提高整流二极管的效率最好采用肖特基二极管，而如果输出是200V高电压，那么是很难买到这种高压肖特基二极管，即使买到其价格也是很高的，如果采用同样低效的普通整流二极管，那么其效率也不可能提高。。所以认为输出电压高，可以大大降低转换器的功率损失，甚至也能降低散热器的成本的说法也是不确切的。
3.“高压LED减小了LED的面积”，的确如此。例如：对于一个36W的LED，如果采用36个1W的LED那么就会占据很大的面积，而如果做一个集成的36W高压LED，那么就只要很小的面积(图3)。这个看上去是优点，但如果从散热的观点来看就未必是优点。因为假如二者的发光效率相同的话，那么它们将要散发的热量是相同的。而在一个很小的面积里要散发出大量的热量，这在散热器的设计中将是一个大难题。

图3.集成LED和普通LED在面积上的差别实际上，集成LED的生产厂商已经注意到这个问题，而且做了很多改进。首先是减小其热阻。一般的1WLED的热阻大约在6-9°C/W，而集成LED的热阻可以减小到2°C/W甚至更小。其次它的背板改用紫铜，以改进其导热。然而这些措施并不能从根本上改善小面积高热量这个基本状况。为了快速地将热量导出，唯一的办法是采用热管。而这反而会增加散热器的成本。同样，由于高压LED的底板采用了紫铜，那么和它直接接触的散热器部分也必须采用紫铜而不能采用铝，因为二者的膨胀系数不同，直接接触会产生缝隙而影响导热。如果采用紫铜散热器就会增加成本。所以这种高压LED不仅不会降低散热器的成本，反而会增加散热器的成本。
4.“高压LED可以根本不需要变压器”。在不少的报道中都把高压LED和AC-LED相提并论。所以认为高压LED可以根本不需要恒流电源(图4)。

图4.通常把高压LED和AC-LED相提并论
我们知道首先并不是只有高压LED和AC-LED可以不用恒流源，而所有LED也都可以不采用恒流源，只是不用恒流源以后都会使LED的使用寿命大大降低。这是因为由于LED伏安特性的负温度系数，使得LED的正向电流随着LED的温升而增高，从而使得LED的结温升高，而降低了LED的寿命，高压LED也不例外。所以这个优点是不成立的。用牺牲寿命的方法来降低成本，好像并不是一种好方法。因为假定本来可以工作五万小时，现在变成只有2.5万小时，那对于用户来说，岂不是使用成本提高了2倍。远比省下一个恒流源要贵很多。
5.发光效率的高低：据称，台湾晶元光电将于今年推出发光效率高达160lm/W的冷白光LED。而暖白光的LED发光效率将高达150lm/W，而且显色系数（CRI）高达90%。这个数据在当前来说的确是相当高的，但是提高发光效率的手段有很多，它并不是高压LED的特点。只是应用到这种高压LED而已。如果应用到普通LED也是可以提高发光效率的。当然，如果这个高压LED真的有这么高的发光效率，那的确是一个很好的LED，比起那些100lm/W的LED，当然可以减小散热器的大小。不过Cree公司也在今年1月宣布了其低压LED（XLampXM-L，2.9V，350mA）的发光效率也可以高达160lm/W（图6），也可以减小散热器的大小，因为散热器的大小只是和发光效率有关，和低压LED还是高压LED并没有什么关系。

图6.Cree公司的XLampXM-L，发光效率可达160lm/W
6.成本低，一个50V，20mA的高压LED的售价是不是能够低于1个3.3V，350mA的1WLED或者10个3.3V，30mA的小功率LED，并不清楚。假如能够低于，那么当然是一个优点。至少10个已经封装好了的30mA的小功率LED的价钱的确是比一个1W大功率LED为便宜。所以这也是为什么很多灯具厂商选用很多小功率LED串联来取代一个大功率LED的原因之一。
四、高压LED和分立小功率LED的比较
目前可以和高压LED相比较的就是分立小功率LED了。如前所述，高压LED是集成LED的一种，而小功率分立LED也可以串联起来得到和高压LED完全一样的外特性。二者比较的结果如下：
1.分立LED的优点是灵活性比较强，用户可以根据需要串联任意个数的LED以得到所需的伏安特性。也可以进行串并联得到更为灵活的特性。
2.分立LED的发光面可以在一定范围里调节（增大），以使发光均匀，减小眩光。
3.分立LED的散热面积比较大，容易分散热量，简化散热器的设计。
4.集成高压LED减小了封装成本。
5.集成高压LED减少了元件数和焊点数，提高了可靠性。
总之，高压LED不失为一种具有特点的LED，它可以增加使用者的选择。但并不如某些媒体的宣传那样，会取代所有的低压LED，更何况，由太阳能供电的灯具系统里，本来就是低压直流的电源，当然也就会直接采用低压直流的LED了。所以各种LED都会存在，只是供给不同的场合罢了。