LED光引擎（LED Light Engine）的概念最早為半導(dǎo)體行業(yè)所知，是起于ZHAGA聯(lián)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(qū)動器、以及其他光度、熱學(xué)、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(fā)和推廣，主要目的在于實現(xiàn)光源的標準化，使得在實際應(yīng)用中，可像傳統(tǒng)照明產(chǎn)品一樣，在出現(xiàn)失效時，可直接更換LED光源部分，而無需整燈替換，有利于節(jié)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(shè)計，半導(dǎo)體照明行業(yè)開始逐漸較多的出現(xiàn)高壓LED的設(shè)計方案。

　　本文所討論的高壓LED產(chǎn)品，是傳統(tǒng)的高壓LED產(chǎn)品，即將多個LED芯片通過一定方式串并聯(lián)起來，由經(jīng)過簡單整流后的高壓直流供電。其電路結(jié)構(gòu)示意圖下圖所示：

　　高壓LED產(chǎn)品，由于不再采用LED驅(qū)動電源降壓供電的設(shè)計形式，只保留少數(shù)的元器件，如整流橋、電阻、穩(wěn)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(shè)計。

　　高壓LED由于缺少了驅(qū)動電源的保障，本身產(chǎn)品的安全和性能都會在一定程度上降低。在設(shè)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(jié)構(gòu)和設(shè)計

　　某型號高壓LED光引擎可設(shè)計成LED筒燈或LED球泡燈的光源，結(jié)合高壓LED的供電簡易性，配以標準化接插件，在結(jié)構(gòu)上便實現(xiàn)了方便替換的目的。具體結(jié)構(gòu)如圖3至圖6所示：

　　從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和組接過程而言，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)原理與圖2相近。相比于同類型產(chǎn)品，具有一定的低成本優(yōu)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(jié)構(gòu)的LED光引擎。燈具廠商可根據(jù)光引擎的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而實現(xiàn)光源可更換性。

　　高壓LED光引擎的質(zhì)量評價

　　高壓LED光引擎在產(chǎn)品設(shè)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(zhì)量進行評價，來說明此類型產(chǎn)品容易存在的質(zhì)量缺陷。表現(xiàn)在以下幾個方面：

　　1、引發(fā)意外觸電危險

　　防意外觸電保護設(shè)計不佳，實際使用時容易引發(fā)觸電危險。其容易產(chǎn)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(jié)構(gòu)。

　　圖4所示的耦合連接器，通常用于音視頻及信息電子產(chǎn)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(chǎn)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?yōu)槲ｋU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(chǎn)生觸電危險。

　　若對此耦合連接器進行相應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)的配光透光罩，同樣容易存在意外觸電危險。在安規(guī)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(shè)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(dǎo)致等效于輸入L、N之間的短路狀態(tài)，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(dǎo)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(chǎn)品設(shè)計時，散熱設(shè)計和安全設(shè)計往往相互約制，為了達到良好的散熱效果，企業(yè)傾向于將LED鋁基板與散熱器直接接觸，但這往往會降低產(chǎn)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(chǎn)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(yè)在設(shè)計時已經(jīng)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(guī)試驗的要求，企業(yè)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(guī)和散熱管理之間達到更好的平衡，需要企業(yè)去權(quán)衡。

　　類似的難題同樣出現(xiàn)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(wěn)定，一天時間內(nèi)電壓波動值大概在額定電壓220V的0.9-1.1倍范圍內(nèi)，即198V~242V之間，高壓LED的簡單化設(shè)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(qū)動電源的恒壓或恒流設(shè)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(jié)；如果電路設(shè)計不佳時，LED的頻閃可能會較為嚴重，特別是應(yīng)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(shè)計，減少元器件數(shù)量和類型的使用，根據(jù)可靠性串聯(lián)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(jù)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(huán)效應(yīng)，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(shè)計的缺陷。如何完善冗余設(shè)計，使得部分LED的失效不會對其余LED的壽命造成影響，應(yīng)成為企業(yè)可靠性設(shè)計的主要關(guān)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(jié)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(xiàn)可能的短路故障。因此，制造過程中，應(yīng)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(yīng)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(yīng)力作用，使焊點容易松脫，最終導(dǎo)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(shè)計及熱管理來實現(xiàn)。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(yīng)”。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(huán)境下使用時，如燈具光源腔內(nèi)，情況會加劇。

　　小結(jié)

　　高壓LED和光引擎的有效結(jié)合不僅可以省去高壓轉(zhuǎn)低壓驅(qū)動電源的復(fù)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(dǎo)體照明的應(yīng)用和推廣有著積極的作用，成為了近年來照明領(lǐng)域研究的熱點。

　　但也必須意識到，通過多顆LED芯片串并聯(lián)分壓而形成的傳統(tǒng)高壓LED器件，由于芯片兩端電壓的不穩(wěn)定，單一燈珠失效會造成LED燈串的連鎖反應(yīng)，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(jié)構(gòu)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(chǎn)品設(shè)計和優(yōu)化時，應(yīng)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(chǔ)上完善產(chǎn)品的性能、可靠性和熱管理的設(shè)計，提高產(chǎn)品壽命。