從芯片到封裝，LED模組全面解析芯片、電路和能效

    LED模組的產品種類很多，本文所述的LED模組也稱為LED模塊，種類繁多，新品不斷，在電路結構性能參數、封裝形式防護等級等方面各有千秋。本文通過詳細分析目前市售的各種LED模組的電路結構供大家在選擇判斷時作為質量優劣和用途用法的參考。      

    模組一詞，從電工學意義來說是指具有相同電路和結構形式的，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LED燈珠通過電路連接并封裝在一個結構體上的一種微型光源模塊，可以歸集為一種簡易微型LED燈具；LED顯示屏組件就是將呈點陣化布局的眾多LED燈珠通過控制驅動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識、裝飾裝修、燈 飾亮化場合，不同的使用場合需要適用不同的結構類型。下方是幾款市售LED模組實物照片(部分照片源自百度圖片)：

    上圖：兩種可以彎曲運用和安裝的高壓軟LED模組；下圖：幾種常規模組

    LED模組誕生于本世紀初，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品(光效：電能轉化成光能的效率，單位lm/w)。LED模組可以說是LED用于照明的最早應用。隨著LED芯片和燈珠封裝技術的進步，LED的光效近些年來大步增長，目前國外實驗室水平已達至近400lm/w!已遠遠超過目前所有電光源光效。現在市售的LED照明產品因不同耐久性和性價比的要求，一般光效在80~150lm/w之間。追求過高的光效對LED燈珠芯片和燈珠封裝技術，以及燈具設計材料要求極高，價格也極高，性價比下降。

    LED模組是一種微型燈具，作為燈具它必然由電光源、電路結構形式、殼體與組裝形式、供電端口等幾部分組成，質量優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(外形基本就是傳統的發光二極管)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、發光面積大、光通量大，可以自動化貼片安裝等諸多優點。本文也以貼片燈珠為例。貼片燈珠體積只有幾毫米見方，其結構比較復雜，決定其質量優劣有諸多因素。它有如下材料構成：LED芯片、鍵合線、支架、固晶膠、熒光粉、圍合材料、封裝膠等組成，下圖是貼片LED燈珠的結構示意圖(剖面圖)：

    燈珠內的每一種材料都關乎燈珠的光電性能、衰減速度、耐用性，環環相扣！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，否則會被腐蝕造成潮氣浸染內部，燈珠失效死燈(不亮)；鍵合線，*好的用金線，導電率、導熱性*好，耐腐蝕性*好，否則會造成燈珠光效降低，半年左右出現死燈，市場劣質低價品用銅鍍金、銅線等；LED芯片，燈珠高光效的關鍵，目前芯片第*梯隊：CREE、Osram、日亞、PHILIPS，第二梯隊：三星、晶元、三安，等等，第三梯隊：(略)。第*梯隊基本用于高端燈具，一般不用于LED模組；第二梯隊用于出口貨和國內高質高端市場；第三梯隊用于國內低端市場，基本上是用于使用壹年左右的低價品。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：須有良好的導熱導電和耐腐蝕性，銀膠含銀量應大于80%。*好的用純銅支架，它是將LED芯片結溫傳導散熱的關鍵，市場劣質低價品用鍍銅鐵合金支架，造成芯片散熱差，燈珠光衰變大(光衰：電光源隨使用時間的增加而發光光通量逐漸變小，一般光通量衰減到50%時即認為電光源失效)。基本上決定LED燈珠品質的就是芯片、支架和固晶、鍵合線，其中一個方面用的差，燈珠品質都會打折扣。目前高品質燈珠價格甚至是低質量燈珠價格的10倍以上，這就是目前市場上LED模組看上去一樣，為什么會有兩三毛錢一個的，也有一兩塊錢一個的原因之一。燈珠品質看不出來，點亮后肉眼看上去會有亮度差別，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(幾十個模組都點亮，肉眼都能看出來發光顏色有差別)，半年后甚至一兩個月后，死燈暗燈現象就開始出現。總體來說：LED模組的質量優劣，是否用了高品質燈珠是關鍵。

    前文說到，LED模組其實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構問題。好馬配好鞍，只有電效率高才能帶來燈具的光效高。打個比方，再好的燈，電壓不足它也不亮，再好的發動機，配個四檔的變速箱它也會頓挫費油(中高端車基本都是六檔甚至九檔)。LED模組的電路結構相對簡單，都是幾個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(很多模組甚至會燙手)，這不是浪費嗎？但這個分壓限流電阻是LED模組電流穩定性的必要因素，是必須的，同時更是決定LED模組電效率高低的關鍵。以下我們以2835白光燈珠為例配以目前市場上各款LED模組的電路結構圖來分析各款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，穩定性較好，都以3.2V，45mA驅動，即這個二極管(LED燈珠)工作電壓3.2V，電流45mA，光通量約22lm。

    下圖：24V7燈軟LED模組電路板原理圖

    可以看出這是7顆燈與電阻的串聯電路。模組功率=24V*45mA=1080mw，實際燈珠發光功率=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顆燈與電阻的串聯電路。模組功率=36V*45mA=1620mw，實際燈珠發光功率=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%，電效率相當高。

    下圖：48V14燈軟LED模組電路板原理圖

    可以看出這是14顆燈與電阻的串聯電路。模組功率=48V*45mA=2160mw，實際燈珠發光功率=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。

    下圖：12V3燈LED模組電路板原理圖

    可以看出這是3顆燈與電阻的串聯電路。模組功率=12V*45mA=540mw，實際燈珠發光功率=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。

    下圖：12V4燈LED模組電路板原理圖

    可以看出這是2組2顆燈與電阻的串聯電路再并聯的電路結構。模組功率=12V*(45+45)mA= 1080mw，實際燈珠發光功率=3.2V*45mA*4顆=576mw，模組電效率=576mw/1080mw =53%，剩下的47%電能*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。

    下圖：24V6燈圓LED模組電路板原理圖

    可以看出這是6顆燈與電阻的串聯電路結構。模組功率=24V*45mA= 1080mw，實際燈珠發光功率=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。

    下圖：12V2燈小尺寸模組電路板原理圖

    可以看出這是2顆燈與電阻的串聯電路的電路結構。模組功率=12V*45mA=540mw，實際燈珠發光功率=3.2V*45mA*2顆= 288mw，模組電效率=288mw/540mw =53%，剩下的47%電能*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。

    下圖：12V單燈大功率模組電路板原理圖

    這是一款用9.3V電壓，電流100mA的燈珠制作的點光源模組，也稱側光模組，其發光面積呈矩形。此款燈珠用的是串聯三芯片再通過電路串聯電阻，模組功率=12V*100mA=1200mA，燈珠發光效率=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，實際電效率要比上面的理論值低約5%，如果燈珠質量較差，實際效率還要更低。《常用LED模組效率對照表》

    從上述分析計算可以看出，使用同樣品質的LED燈珠，由于各款模組的電路結構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，下面我們舉個廣告工程案例來進一步比較。假設現在要用LED模組做一個一平方米的燈箱，為了能讓這個燈箱有足夠的亮度，其內表面照度須達到2500lux，這需要燈箱里面的LED模組提供6720lm的光通量（相當于三根T8燈管）。那么這幾款LED模組各需要多少個才能達到設計要求呢？這個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量功率表》

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

    左圖，它們的電路結構其實就是12V3燈模組在鋁基電路板上的并聯關系，其電效率隨燈珠品質高低基本在60%到80%之間；中圖的硬燈條其實是多個上述的大功率透鏡側光源模組在鋁基電路板上的并聯關系，其電效率隨燈珠品質高低基本在65%到80%之間；右圖的卷簾燈條其實是左圖中燈條用電源供電線串接并聯起來的結構形式，其電效率隨燈珠品質高低基本在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光源產品的電路分析，可見某些電路結構的LED燈具并不一定比傳統燈管等電光源節能。可以毫無疑義地說：目前市場上一些用于廣告光源的劣質LED模組和LED燈條并沒有T5燈管節能，反而在包括電源后的采購成本遠高于普通燈管，其耐久性和光衰并不優于燈管！關于這方面也亟待國家標準的出臺，不能單純認為只要是LED光源就一定綠色節能。劣質LED燈具并不節能，并不耐久，反而增加成本，造成很多工程的高維修率，存續周期短、重置率高，產生大量固體廢棄物，浪費社會財富，影響照明和LED行業的健康發展。

    節能無小事、節約非小善，無論在廣告、燈光亮化還是裝飾裝修工程中，提供節能高效和耐久可靠的工程服務應是每個參與者的義務。在工程的設計采購中須注意以下幾點：1、在選購LED模組和燈條時應特別關注其所用LED燈珠的品質，包括芯片品牌、是否金線鍵合，是否銅支架熱沉，是否優質耐候耐腐蝕硅膠封裝等；2、根據工程特點選擇不同的LED模組種類，比如空間狹小，就得選用小尺寸的等等，盡量使用節能高效率的LED模組產品；3、選擇高效率的電源產品(國產電源已有多種效率高于95%的產品)；4、認真設計計算照明參數，精確計算實際功率，盡量匹配電源功率，減少電源空耗。

    只有這樣才能在節能高效的同時保證實際成本和運行費用的降低，避免劣質品帶來的的麻煩和風險。

責編：小瀞