从芯片到封装，LED模组全面解析芯片、电路和能效

发布时间：2021-09-03 发布人：

LED模组的产品种类很多，本文所述的LED模组也称为LED模块，种类繁多，新品不断，在电路结构性能参数、封装形式防护等级等方面各有千秋。本文通过详细分析目前市售的各种LED模组的电路结构供大家在选择判断时作为质量优劣和用途用法的参考。      

 

    模组一词，从电工学意义来说是指具有相同电路和结构形式的，具有相同电气特性和功能性的一种集成模块化组件。广义上说，LED灯珠、LED模组(模块)、 LED显示屏组件、甚至LED路灯都被称之为LED模组。比如LED灯珠，它在国外即被称之为LED模组，是一种封装起来的高亮发光二极管模块，可以归集 为电子元器件；LED模组光源，是将若干个LED灯珠通过电路连接并封装在一个结构体上的一种微型光源模块，可以归集为一种简易微型LED灯具；LED显示屏组件就是将呈点阵化布局的众多LED灯珠通过控制驱动电路连接并与壳体封装起来的模块化组件，是一种具有信号和供电端口的LED显示屏单元；LED路灯就是将很多大功率LED灯珠连同恒流源等组装在壳体中的模块化组件，一种提供道路照明的大型集成LED灯具。LED模组广泛用于广告标识、装饰装修、灯 饰亮化场合，不同的使用场合需要适用不同的结构类型。下方是几款市售LED模组实物照片(部分照片源自百度图片)：

 

 

    上图：两种可以弯曲运用和安装的高压软LED模组；下图：几种常规模组

 

 

    LED模组诞生于本世纪初，是LED光源特别是白光光源的光效超过白炽灯光效后得以形成的一种微型灯具产品(光效：电能转化成光能的效率，单位lm/w)。LED模组可以说是LED用于照明的最早应用。随着LED芯片和灯珠封装技术的进步，LED的光效近些年来大步增长，目前国外实验室水平已达至近400lm/w!已远远超过目前所有电光源光效。现在市售的LED照明产品因不同耐久性和性价比的要求，一般光效在80~150lm/w之间。追求过高的光效对LED灯珠芯片和灯珠封装技术，以及灯具设计材料要求极高，价格也极高，性价比下降。

 

    LED模组是一种微型灯具，作为灯具它必然由电光源、电路结构形式、壳体与组装形式、供电端口等几部分组成，质量优劣和性能也就因这些部分所决定。让我们一起来拆解分析。

 

    首先，也是最重要的:电光源部分，它是决定LED模组光电性能的决定部件，占LED模组材料成本的近四成，用于LED模组电光源的称为LED灯珠，上文已有论述，它是一个模块化元器件，LED灯珠分为透明封装插脚类和贴片类，透明封装插脚类如草帽型灯珠(外形基本就是传统的发光二极管)和食人鱼(四管脚)等，共同特性就是都有针状管脚；贴片类LED灯珠是目前LED模组使用的主流，它有芯片散热性好、发光面积大、光通量大，可以自动化贴片安装等诸多优点。本文也以贴片灯珠为例。贴片灯珠体积只有几毫米见方，其结构比较复杂，决定其质量优劣有诸多因素。它有如下材料构成：LED芯片、键合线、支架、固晶胶、荧光粉、围合材料、封装胶等组成，下图是贴片LED灯珠的结构示意图(剖面图)：

 

 

    灯珠内的每一种材料都关乎灯珠的光电性能、衰减速度、耐用性，环环相扣！从上至下拆解说明：封装硅胶，须有良好的透光性减少出光损耗，须有极好的耐候性，否则会被腐蚀造成潮气浸染内部，灯珠失效死灯(不亮)；键合线，最好的用金线，导电率、导热性最好，耐腐蚀性最好，否则会造成灯珠光效降低，半年左右出现死灯，市场劣质低价品用铜镀金、铜线等；LED芯片，灯珠高光效的关键，目前芯片第一梯队：CREE、Osram、日亚、PHILIPS，第二梯队：三星、晶元、三安，等等，第三梯队：(略)。第一梯队基本用于高端灯具，一般不用于LED模组；第二梯队用于出口货和国内高质高端市场；第三梯队用于国内低端市场，基本上是用于使用壹年左右的低价品。决定芯片光效的不仅有品牌因素，还有芯片功率和芯片尺寸，差的模组灯珠一般会用0.1W的6mil的小芯片，光效低、光衰快。固晶银胶和芯片支架：须有良好的导热导电和耐腐蚀性，银胶含银量应大于80%。最好的用纯铜支架，它是将LED芯片结温传导散热的关键，市场劣质低价品用镀铜铁合金支架，造成芯片散热差，灯珠光衰变大(光衰：电光源随使用时间的增加而发光光通量逐渐变小，一般光通量衰减到50%时即认为电光源失效)。基本上决定LED灯珠品质的就是芯片、支架和固晶、键合线，其中一个方面用的差，灯珠品质都会打折扣。目前高品质灯珠价格甚至是低质量灯珠价格的10倍以上，这就是目前市场上LED模组看上去一样，为什么会有两三毛钱一个的，也有一两块钱一个的原因之一。灯珠品质看不出来，点亮后肉眼看上去会有亮度差别，但重要的还是耐候性和光衰只能在使用期间区别出来:好模组光衰小而耐久，死灯率低，光色一致性好；差模组光色一致性差(几十个模组都点亮，肉眼都能看出来发光颜色有差别)，半年后甚至一两个月后，死灯暗灯现象就开始出现。总体来说：LED模组的质量优劣，是否用了高品质灯珠是关键。

  

    前文说到，LED模组其实是一种微型化的灯具，LED灯珠这种电光源是高光效的，但最终决定灯具效率的还有重要的电路结构问题。好马配好鞍，只有电效率高才能带来灯具的光效高。打个比方，再好的灯，电压不足它也不亮，再好的发动机，配个四档的变速箱它也会顿挫费油(中高端车基本都是六档甚至九档)。LED模组的电路结构相对简单，都是几个LED灯珠配上分压限流电阻，既然是分压限流电阻就说明电阻是要消耗电能的，并以热量的形式耗散掉(很多模组甚至会烫手)，这不是浪费吗？但这个分压限流电阻是LED模组电流稳定性的必要因素，是必须的，同时更是决定LED模组电效率高低的关键。以下我们以2835白光灯珠为例配以目前市场上各款LED模组的电路结构图来分析各款LED模组的电效率高低：

  

    以某款0.2w大芯片较好品牌2835贴片灯珠为例，一般为了灯珠的光衰小，寿命长，稳定性较好，都以3.2V，45mA驱动，即这个二极管(LED灯珠)工作电压3.2V，电流45mA，光通量约22lm。

 

    下图：24V7灯软LED模组电路板原理图

 

 

    可以看出这是7颗灯与电阻的串联电路。模组功率=24V*45mA=1080mw，实际灯珠发光功率=3.2V*45mA*7颗=1008mw，模组电效率=1008 mw/1080mw=93%，剩下的7%电能被分压限流电阻消耗了。这款模组的电效率有93%，电效率还是挺高的。

 

    下图：36V11灯软LED模组电路板原理图

 

 

    可以看出这是11颗灯与电阻的串联电路。模组功率=36V*45mA=1620mw，实际灯珠发光功率=3.2V*45mA*11颗=1584 mw，模组电效率=1584 mw/1620mw=98%，剩下的2%电能被分压限流电阻消耗了。这款模组的电效率有98%，电效率相当高。

 

    下图：48V14灯软LED模组电路板原理图

 

 

    可以看出这是14颗灯与电阻的串联电路。模组功率=48V*45mA=2160mw，实际灯珠发光功率=3.2V*45mA*14颗=2016mw，模组电效率=2016mw/2160mw=93%，剩下的7%电能被分压限流电阻消耗了。这款模组的电效率有93%，电效率挺高。

 

    下图：12V3灯LED模组电路板原理图

 

 

    可以看出这是3颗灯与电阻的串联电路。模组功率=12V*45mA=540mw，实际灯珠发光功率=3.2V*45mA*3颗=432mw，模组电效率=432mw/540mw =80%，剩下的20%电能被分压限流电阻消耗了。这款模组的电效率有80%，电效率一般。

 

    下图：12V4灯LED模组电路板原理图

 

 

    可以看出这是2组2颗灯与电阻的串联电路再并联的电路结构。模组功率=12V*(45+45)mA= 1080mw，实际灯珠发光功率=3.2V*45mA*4颗=576mw，模组电效率=576mw/1080mw =53%，剩下的47%电能竟然都被2颗分压限流电阻消耗了。 这款模组的电效率是53%，电效率极低。

 

    下图：24V6灯圆LED模组电路板原理图

 

 

    可以看出这是6颗灯与电阻的串联电路结构。模组功率=24V*45mA= 1080mw，实际灯珠发光功率=3.2V*45mA*6颗=864mw，模组电效率=864mw/1080mw=80%，剩下的20%电能被分压限流电阻消耗了。这款模组的电效率有80%，电效率一般。

 

    下图：12V2灯小尺寸模组电路板原理图

 

 

    可以看出这是2颗灯与电阻的串联电路的电路结构。模组功率=12V*45mA=540mw，实际灯珠发光功率=3.2V*45mA*2颗= 288mw，模组电效率=288mw/540mw =53%，剩下的47%电能竟然都被分压限流电阻消耗了。这款模组的电效率是53%，电效率极低。

 

    下图：12V单灯大功率模组电路板原理图

 

 

    这是一款用9.3V电压，电流100mA的灯珠制作的点光源模组，也称侧光模组，其发光面积呈矩形。此款灯珠用的是串联三芯片再通过电路串联电阻，模组功率=12V*100mA=1200mA，灯珠发光效率=9.3V*100mA=930mw，模组电效率=930mw/1200mw =78%，剩下的22%电能被分压限流电阻消耗了。这款模组的电效率有78%，电效率一般。

  

    通过上面的分析，我们可以得出这几款模组的效率表(灯具效率)，需要注意的是，因LED灯珠的电性能很难做到完全一致，实际电效率要比上面的理论值低约5%，如果灯珠质量较差，实际效率还要更低。《常用LED模组效率对照表》

 

 

    从上述分析计算可以看出，使用同样品质的LED灯珠，由于各款模组的电路结构不同造成它们的电效率高低不同，最终光效差别较大。上表还不能形象的看出各款模组的光效率水平的高低，下面我们举个广告工程案例来进一步比较。假设现在要用LED模组做一个一平方米的灯箱，为了能让这个灯箱有足够的亮度，其内表面照度须达到2500lux，这需要灯箱里面的LED模组提供6720lm的光通量（相当于三根T8灯管）。那么这几款LED模组各需要多少个才能达到设计要求呢？这个灯箱最后的功率又分别是多大呢？见下表：

 

《各款LED模组制作每平方米灯箱数量功率表》

 

 

    从上表可以看出:如果算上LED电源(开关电源，俗称变压器)的效率(一般80%)，除了三款软模组节能率能超过30%外，其它三款模组节能率不到18%，四灯和二灯模组最终比灯管还要费电-22%！市场上用于灯箱内光源的还有LED灯条、卷帘灯条等，如下图(源于百度图片)：

 

 

    左图，它们的电路结构其实就是12V3灯模组在铝基电路板上的并联关系，其电效率随灯珠品质高低基本在60%到80%之间；中图的硬灯条其实是多个上述的大功率透镜侧光源模组在铝基电路板上的并联关系，其电效率随灯珠品质高低基本在65%到80%之间；右图的卷帘灯条其实是左图中灯条用电源供电线串接并联起来的结构形式，其电效率随灯珠品质高低基本在60%到80%之间。

 

    通过上面全品类各种LED模组、LED灯条，基本涵盖了目前所有广告用LED光源产品的电路分析，可见某些电路结构的LED灯具并不一定比传统灯管等电光源节能。可以毫无疑义地说：目前市场上一些用于广告光源的劣质LED模组和LED灯条并没有T5灯管节能，反而在包括电源后的采购成本远高于普通灯管，其耐久性和光衰并不优于灯管！关于这方面也亟待国家标准的出台，不能单纯认为只要是LED光源就一定绿色节能。劣质LED灯具并不节能，并不耐久，反而增加成本，造成很多工程的高维修率，存续周期短、重置率高，产生大量固体废弃物，浪费社会财富，影响照明和LED行业的健康发展。

 

    节能无小事、节约非小善，无论在广告、灯光亮化还是装饰装修工程中，提供节能高效和耐久可靠的工程服务应是每个参与者的义务。在工程的设计采购中须注意以下几点：1、在选购LED模组和灯条时应特别关注其所用LED灯珠的品质，包括芯片品牌、是否金线键合，是否铜支架热沉，是否优质耐候耐腐蚀硅胶封装等；2、根据工程特点选择不同的LED模组种类，比如空间狭小，就得选用小尺寸的等等，尽量使用节能高效率的LED模组产品；3、选择高效率的电源产品(国产电源已有多种效率高于95%的产品)；4、认真设计计算照明参数，精确计算实际功率，尽量匹配电源功率，减少电源空耗。

 

    只有这样才能在节能高效的同时保证实际成本和运行费用的降低，避免劣质品带来的的麻烦和风险。