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)意義來說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，LED燈珠、LED模組(模塊)、LED顯示屏組件、甚至LED路燈都被稱之為LED模組。比如LED燈珠，它在國外即被稱之為LED模組，是一種封裝起來的高亮發(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燈珠通過控制驅(qū)動(dòng)電路連接并與殼體封裝起來的模塊化組件，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的光效近些年來大步增長，目前國外實(shí)驗(yàn)室水平已達(dá)至近400lm/w!已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過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價(jià)比的要求，一般光效在80~150lm/w之間。追求過高的光效對(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，性價(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模組電光源的稱為LED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和貼片類，透明封裝插腳類如草帽型燈珠(外形基本就是傳統(tǒng)的發(fā)光二極管)和食人魚(四管腳)等，共同特性就是都有針狀管腳；貼片類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)用于出口貨和國內(nèi)高質(zhì)高端市場(chǎng)；第三梯隊(duì)用于國內(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)�；�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)有兩三毛錢一個(gè)的，也有一兩塊錢一個(gè)的原因之一。燈珠品質(zhì)看不出來，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: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)象就開始出現(xiàn)。總體來說：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)問題。好馬配好鞍，只有電效率高才能帶來燈具的光效高。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，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(開關(guān)電源，俗稱變壓器)的效率(一般80%)，除了三款軟模組節(jié)能率能超過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。

    通過上面全品類各種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疑義地說：目前市場(chǎng)上一些用于廣告光源的劣質(zhì)LED模組和LED燈條并沒有T5燈管節(jié)能，反而在包括電源后的采購成本遠(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)能無小事、節(jié)約非小善，無論在廣告、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)采購中須注意以下幾點(diǎn)：1、在選購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，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)品帶來的的麻煩和風(fēng)險(xiǎn)。