LED軟模組（軟LED模組）從芯片到封裝全解析(一)芯片、電路和能效

       模組一詞，從電工學(xué)意義來(lái)說(shuō)是指具有相同電路和結(jié)構(gòu)形式的，具有相同電氣特性和功能性的一種集成模塊化組件。廣義上說(shuō)，LED燈珠、LED模組(模塊)、LED顯示屏組件、甚至LED路燈都被稱(chēng)之為L(zhǎng)ED模組。比如LED燈珠，它在國(guó)外即被稱(chēng)之為L(zhǎng)ED模組，是一種封裝起來(lái)的高亮發(fā)光二極管模塊，可以歸集為電子元器件；LED模組光源，是將若干個(gè)LED燈珠通過(guò)電路連接并封裝在一個(gè)結(jié)構(gòu)體上的一種微型光源模塊，可以歸集為一種簡(jiǎn)易微型LED燈具；LED顯示屏組件就是將呈點(diǎn)陣化布局的眾多LED燈珠通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路連接并與殼體封裝起來(lái)的模塊化組件，是一種具有信號(hào)和供電端口的LED顯示屏單元；LED路燈就是將很多大功率LED燈珠連同恒流源等組裝在殼體中的模塊化組件，一種提供道路照明的大型集成LED燈具。LED模組廣泛用于廣告標(biāo)識(shí)、裝飾裝修、燈飾亮化場(chǎng)合，不同的使用場(chǎng)合需要適用不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。 

       LED模組誕生于本世紀(jì)初，是LED光源特別是白光光源的光效超過(guò)白熾燈光效后得以形成的一種微型燈具產(chǎn)品(光效：電能轉(zhuǎn)化成光能的效率，單位lm/w)。LED模組可以說(shuō)是LED用于照明的最早應(yīng)用。隨著LED芯片和燈珠封裝技術(shù)的進(jìn)步，LED的光效近些年來(lái)大步增長(zhǎng)，目前國(guó)外實(shí)驗(yàn)室水平已達(dá)至近400lm/w!已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前所有電光源光效�，F(xiàn)在市售的LED照明產(chǎn)品因不同耐久性和性?xún)r(jià)比的要求，一般光效在80~150lm/w之間。追求過(guò)高的光效對(duì)LED燈珠芯片和燈珠封裝技術(shù)，以及燈具設(shè)計(jì)材料要求極高，價(jià)格也極高，性?xún)r(jià)比下降。

       LED模組是一種微型燈具，作為燈具它必然由電光源、電路結(jié)構(gòu)形式、殼體與組裝形式、供電端口等幾部分組成，質(zhì)量?jī)?yōu)劣和性能也就因這些部分所決定。讓我們一起來(lái)拆解分析。

    首先，也是最重要的:電光源部分，它是決定LED模組光電性能的決定部件，占LED模組材料成本的近四成，用于LED模組電光源的稱(chēng)為L(zhǎng)ED燈珠，上文已有論述，它是一個(gè)模塊化元器件，LED燈珠分為透明封裝插腳類(lèi)和貼片類(lèi)，透明封裝插腳類(lèi)如草帽型燈珠(外形基本就是傳統(tǒng)的發(fā)光二極管)和食人魚(yú)(四管腳)等，共同特性就是都有針狀管腳；貼片類(lèi)LED燈珠是目前LED模組使用的主流，它有芯片散熱性好、發(fā)光面積大、光通量大，可以自動(dòng)化貼片安裝等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文也以貼片燈珠為例。貼片燈珠體積只有幾毫米見(jiàn)方，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，決定其質(zhì)量?jī)?yōu)劣有諸多因素。它有如下材料構(gòu)成：LED芯片、鍵合線、支架、固晶膠、熒光粉、圍合材料、封裝膠等組成 。

燈珠內(nèi)的每一種材料都關(guān)乎燈珠的光電性能、衰減速度、耐用性，環(huán)環(huán)相扣！從上至下拆解說(shuō)明：封裝硅膠，須有良好的透光性減少出光損耗，須有極好的耐候性，否則會(huì)被腐蝕造成潮氣浸染內(nèi)部，燈珠失效死燈(不亮)；鍵合線，最好的用金線，導(dǎo)電率、導(dǎo)熱性最好，耐腐蝕性最好，否則會(huì)造成燈珠光效降低，半年左右出現(xiàn)死燈，市場(chǎng)劣質(zhì)低價(jià)品用銅鍍金、銅線等；LED芯片，燈珠高光效的關(guān)鍵，目前芯片第一梯隊(duì)：CREE、Osram、日亞、PHILIPS，第二梯隊(duì)：三星、晶元、三安，等等，第三梯隊(duì)：(略)。第一梯隊(duì)基本用于高端燈具，一般不用于LED模組；第二梯隊(duì)用于出口貨和國(guó)內(nèi)高質(zhì)高端市場(chǎng)；第三梯隊(duì)用于國(guó)內(nèi)低端市場(chǎng)，基本上是用于使用壹年左右的低價(jià)品。決定芯片光效的不僅有品牌因素，還有芯片功率和芯片尺寸，差的模組燈珠一般會(huì)用0.1W的6mil的小芯片，光效低、光衰快。固晶銀膠和芯片支架：須有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電和耐腐蝕性，銀膠含銀量應(yīng)大于80%。最好的用純銅支架，它是將LED芯片結(jié)溫傳導(dǎo)散熱的關(guān)鍵，市場(chǎng)劣質(zhì)低價(jià)品用鍍銅鐵合金支架，造成芯片散熱差，燈珠光衰變大(光衰：電光源隨使用時(shí)間的增加而發(fā)光光通量逐漸變小，一般光通量衰減到50%時(shí)即認(rèn)為電光源失效)。基本上決定LED燈珠品質(zhì)的就是芯片、支架和固晶、鍵合線，其中一個(gè)方面用的差，燈珠品質(zhì)都會(huì)打折扣。目前高品質(zhì)燈珠價(jià)格甚至是低質(zhì)量燈珠價(jià)格的10倍以上，這就是目前市場(chǎng)上LED模組看上去一樣，為什么會(huì)有兩三毛錢(qián)一個(gè)的，也有一兩塊錢(qián)一個(gè)的原因之一。燈珠品質(zhì)看不出來(lái)，點(diǎn)亮后肉眼看上去會(huì)有亮度差別，但重要的還是耐候性和光衰只能在使用期間區(qū)別出來(lái):好模組光衰小而耐久，死燈率低，光色一致性好；差模組光色一致性差(幾十個(gè)模組都點(diǎn)亮，肉眼都能看出來(lái)發(fā)光顏色有差別)，半年后甚至一兩個(gè)月后，死燈暗燈現(xiàn)象就開(kāi)始出現(xiàn)�？傮w來(lái)說(shuō)：LED模組的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，是否用了高品質(zhì)燈珠是關(guān)鍵。

    前文說(shuō)到，LED模組其實(shí)是一種微型化的燈具，LED燈珠這種電光源是高光效的，但最終決定燈具效率的還有重要的電路結(jié)構(gòu)問(wèn)題。好馬配好鞍，只有電效率高才能帶來(lái)燈具的光效高。打個(gè)比方，再好的燈，電壓不足它也不亮，再好的發(fā)動(dòng)機(jī)，配個(gè)四檔的變速箱它也會(huì)頓挫費(fèi)油(中高端車(chē)基本都是六檔甚至九檔)。LED模組的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，都是幾個(gè)LED燈珠配上分壓限流電阻，既然是分壓限流電阻就說(shuō)明電阻是要消耗電能的，并以熱量的形式耗散掉(很多模組甚至?xí)�燙手)，這不是浪費(fèi)嗎？但這個(gè)分壓限流電阻是LED模組電流穩(wěn)定性的必要因素，是必須的，同時(shí)更是決定LED模組電效率高低的關(guān)鍵。以下我們以2835白光燈珠為例配以目前市場(chǎng)上各款LED模組的電路結(jié)構(gòu)圖來(lái)分析各款LED模組的電效率高低：

    以某款0.2w大芯片較好品牌2835貼片燈珠為例，一般為了燈珠的光衰小，壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性較好，都以3.2V，45mA驅(qū)動(dòng)，即這個(gè)二極管(LED燈珠)工作電壓3.2V，電流45mA，光通量約22lm。

可以看出這是7顆燈與電阻的串聯(lián)電路。模組功率=24V*45mA=1080mw，實(shí)際燈珠發(fā)光功率=3.2V*45mA*7顆=1008mw，模組電效率=1008 mw/1080mw=93%，剩下的7%電能被分壓限流電阻消耗了。這款模組的電效率有93%，電效率還是挺高的。 

下圖：36V11燈軟LED模組電路板原理圖

可以看出這是11顆燈與電阻的串聯(lián)電路。模組功率=36V*45mA=1620mw，實(shí)際燈珠發(fā)光功率=3.2V*45mA*11顆=1584 mw，模組電效率=1584 mw/1620mw=98%，剩下的2%電能被分壓限流電阻消耗了。這款模組的電效率有98%，電效率相當(dāng)高。

可以看出這是14顆燈與電阻的串聯(lián)電路。模組功率=48V*45mA=2160mw，實(shí)際燈珠發(fā)光功率=3.2V*45mA*14顆=2016mw，模組電效率=2016mw/2160mw=93%，剩下的7%電能被分壓限流電阻消耗了。這款模組的電效率有93%，電效率挺高。

可以看出這是3顆燈與電阻的串聯(lián)電路。模組功率=12V*45mA=540mw，實(shí)際燈珠發(fā)光功率=3.2V*45mA*3顆=432mw，模組電效率=432mw/540mw =80%，剩下的20%電能被分壓限流電阻消耗了。這款模組的電效率有80%，電效率一般。

可以看出這是2組2顆燈與電阻的串聯(lián)電路再并聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)。模組功率 =12V*(45+45)mA= 1080mw，實(shí)際燈珠發(fā)光功率=3.2V*45mA*4顆=576mw，模組電   效率=576mw/1080mw =53%，剩下的47%電能竟然都被2顆分壓限流電阻消耗了。 這款模組的電效率是53%，電效率極低。 

可以看出這是6顆燈與電阻的串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)。模組功率=24V*45mA= 1080mw，實(shí)際燈珠發(fā)光功率=3.2V*45mA*6顆=864mw，模組電效率                          =864mw/1080mw=80%，剩下的20%電能被分壓限流電阻消耗了。這款模組的電效率有80%，電效率一般。 

可以看出這是2顆燈與電阻的串聯(lián)電路的電路結(jié)構(gòu)。模組功率=12V*45mA=540mw，實(shí)際燈珠發(fā)光功率=3.2V*45mA*2顆= 288mw，模組電效率=288mw/540mw =53%，剩下的47%電能竟然都被分壓限流電阻消耗了。這款模組的電效率是53%，電效率極低。 
這是一款用9.3V電壓，電流100mA的燈珠制作的點(diǎn)光源模組，也稱(chēng)側(cè)光模組，其發(fā)光面積呈矩形。此款燈珠用的是串聯(lián)三芯片再通過(guò)電路串聯(lián)電阻，模組功率=12V*100mA=1200mA，燈珠發(fā)光效率=9.3V*100mA=930mw，模組電效率=930mw/1200mw =78%，剩下的22%電能被分壓限流電阻消耗了。這款模組的電效率有78%，電效率一般。

    通過(guò)上面的分析，我們可以得出這幾款模組的效率表(燈具效率)，需要注意的是，因LED燈珠的電性能很難做到完全一致，實(shí)際電效率要比上面的理論值低約5%，如果燈珠質(zhì)量較差，實(shí)際效率還要更低。《常用LED模組效率對(duì)照表》

       從上述分析計(jì)算可以看出，使用同樣品質(zhì)的LED燈珠，由于各款模組的電路結(jié)構(gòu)不同造成它們的電效率高低不同，最終光效差別較大。上表還不能形象的看出各款模組的光效率水平的高低，下面我們舉個(gè)廣告工程案例來(lái)進(jìn)一步比較。假設(shè)現(xiàn)在要用LED模組做一個(gè)一平方米的燈箱，為了能讓這個(gè)燈箱有足夠的亮度，其內(nèi)表面照度須達(dá)到2500lux，這需要燈箱里面的LED模組提供6720lm的光通量（相當(dāng)于三根T8燈管）。那么這幾款LED模組各需要多少個(gè)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求呢？這個(gè)燈箱最后的功率又分別是多大呢？見(jiàn)下表：

《各款LED模組制作每平方米燈箱數(shù)量功率表》

從上表可以看出:如果算上LED電源(開(kāi)關(guān)電源，俗稱(chēng)變壓器)的效率(一般80%)，除了三款軟模組節(jié)能率能超過(guò)30%外，其它三款模組節(jié)能率不到18%，四燈和二燈模組最終比燈管還要費(fèi)電-22%！市場(chǎng)上用于燈箱內(nèi)光源的還有LED燈條、卷簾燈條等，如下圖(源于百度圖片)：  

 它們的電路結(jié)構(gòu)其實(shí)就是12V3燈模組在鋁基電路板上的并聯(lián)關(guān)系，其電效率隨燈珠品質(zhì)高低基本在60%到80%之間；中圖的硬燈條其實(shí)是多個(gè)上述的大功率透鏡側(cè)光源模組在鋁基電路板上的并聯(lián)關(guān)系，其電效率隨燈珠品質(zhì)高低基本在65%到80%之間；右圖的卷簾燈條其實(shí)是左圖中燈條用電源供電線串接并聯(lián)起來(lái)的結(jié)構(gòu)形式，其電效率隨燈珠品質(zhì)高低基本在60%到80%之間。

    通過(guò)上面全品類(lèi)各種LED模組、LED燈條，基本涵蓋了目前所有廣告用LED光源產(chǎn)品的電路分析，可見(jiàn)某些電路結(jié)構(gòu)的LED燈具并不一定比傳統(tǒng)燈管等電光源節(jié)能�？梢院翢o(wú)疑義地說(shuō)：目前市場(chǎng)上一些用于廣告光源的劣質(zhì)LED模組和LED燈條并沒(méi)有T5燈管節(jié)能，反而在包括電源后的采購(gòu)成本遠(yuǎn)高于普通燈管，其耐久性和光衰并不優(yōu)于燈管！關(guān)于這方面也亟待國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，不能單純認(rèn)為只要是LED光源就一定綠色節(jié)能。劣質(zhì)LED燈具并不節(jié)能，并不耐久，反而增加成本，造成很多工程的高維修率，存續(xù)周期短、重置率高，產(chǎn)生大量固體廢棄物，浪費(fèi)社會(huì)財(cái)富，影響照明和LED行業(yè)的健康發(fā)展。

    節(jié)能無(wú)小事、節(jié)約非小善，無(wú)論在廣告、燈光亮化還是裝飾裝修工程中，提供節(jié)能高效和耐久可靠的工程服務(wù)應(yīng)是每個(gè)參與者的義務(wù)。為此，我們?cè)诠こ痰脑O(shè)計(jì)采購(gòu)中須注意以下幾點(diǎn)：1、在選購(gòu)LED模組和燈條時(shí)應(yīng)特別關(guān)注其所用LED燈珠的品質(zhì)，包括芯片品牌、是否金線鍵合，是否銅支架熱沉，是否優(yōu)質(zhì)耐候耐腐蝕硅膠封裝等；2、根據(jù)工程特點(diǎn)選擇不同的LED模組種類(lèi)，比如空間狹小，就得選用小尺寸的等等，盡量使用節(jié)能高效率的LED模組產(chǎn)品；3、選擇高效率的電源產(chǎn)品(國(guó)產(chǎn)電源已有多種效率高于95%的產(chǎn)品)；4、認(rèn)真設(shè)計(jì)計(jì)算照明參數(shù)，精確計(jì)算實(shí)際功率，盡量匹配電源功率，減少電源空耗。

只有這樣才能在節(jié)能高效的同時(shí)保證實(shí)際成本和運(yùn)行費(fèi)用的降低，避免劣質(zhì)品帶來(lái)的的麻煩和風(fēng)險(xiǎn)。