亚洲企业LED灯泡设计思路差异分析【完整版】~*
发布时间：2011-10-7 22:11
发布者：1770309616
|
导读: 随着价格的降低，LED灯泡开始全面普及。最近，不仅是日本厂商，韩国、中国大陆、台湾以及欧洲厂商等也纷纷开始致力于LED灯泡的产品化。为此，对东亚地区销售的9款LED灯泡进行了拆解和分析，发现日本厂商和海外厂商在设计思想上存在着巨大差异。 随着价格的降低，LED灯泡开始全面普及。最近，不仅是日本厂商，韩国、中国大陆、台湾以及欧洲厂商等也纷纷开始致力于LED灯泡的产品化。为此，对东亚地区销售的9款LED灯泡进行了拆解和分析，发现日本厂商和海外厂商在设计思想上存在着巨大差异。 LED灯泡作为白炽灯泡的替代品日益受到关注。其特点是耗电量低，不过，除了比白炽灯泡价格高外，很多用户还认为其存在“较大”、“较重”等设计方面的问题。为此对目前正在销售、来自众多生产基地的东亚地区的LED灯泡进行了拆解和分析，以便发现解决上述问题的启示。通过拆解，发现了日本厂商和海外厂商在设计思路方面的差异，这便是“日本厂商重视产品设计，而海外厂商则优先考虑成本”。 
(点击图片放大) 最能明确体现这一差异的就是LED灯泡的底座。海外厂商的LED灯泡均配备有散热片，而日本厂商的产品中则有不带散热片的。乍一想会认为没有散热片的产品便宜，但其实没有散热片时往往需要使用耐热性高的部件，因此成本并没有降低。不使用散热片是“为了提高产品的设计”（东芝照明技术）。不只是该公司，很多日本国内厂商都在努力使LED灯泡的形状接近白炽灯泡。而海外厂商的LED灯泡“通过采用近乎粗放的设计，削减了成本”（协助拆解的技术人员）。 下面让我们来具体看一下体现在外观上的不同的设计思路。 灯泡外壳的表面温度不同 此次共拆解了9款LED灯泡，分别为从韩国、中国大陆和台湾销售的产品中随机挑选出来8款，以及从日本销售的产品中选择外观最接近白炽灯泡的1款（图1，表1）。这些产品均采用E26/27普通灯口。产品的标称值方面，耗电量在4～7.5W范围之内，总光通量在210～600lm范围内。其中，将耗电量和总光通量接近的东芝照明技术的7.2W产品、韩国三星LED的7.1W产品以及中国勤上光电的7.5W产品作为A组，其余作为B组。 
图1：拆解了9种LED灯泡（点击图片放大） 东芝照明技术的7.2W产品、三星LED的7.1W产品以及勤上光电的7.5W产品由于耗电量和总光通量接近，所以列为A组，其他的作为B组。耗电量和总光通量均为标称值。 
（点击图片放大） 拆解前，首先测量了亮灯状态下LED灯泡的温度（图2，图3）。目的是确认在外观上存在明显差异的底座（散热部）差异是否会体现在温度上。LED的光线极少含有红外线成分，因此灯光照射的灯罩部分并不会太热。但底座是LED芯片的散热部，因此温度较高。此次在认为底座会变得最热的部分（LED的安装位置附近）粘贴了放射率为0.95的胶带，利用热像仪测量了胶带的温度。 9款LED灯泡中，底座的表面温度最高的是东芝照明技术的7.2W产品（图2（b））。在A组内进行比较，三星LED的7.1W产品约为47℃，勤上光电的7.5W产品约为43℃，而东芝照明技术的7.2W产品约为61℃，比这两款高出了14～18℃。 
图2：对A组的LED灯泡进行温度测量(点击图片放大) 注释：在LED灯泡的底座上粘贴放射率为0.95的胶带，采用NEC Avio红外线技术公司的热像仪“TH6300”测量了胶带的温度。使用放射率为0.95的胶带是为了将测量位置的放射率统一为0.95。通过测量胶带上的温度，可获得准确的温度。放射率越接近1，散热体就越理想。另外，温度测量得到了Thermal Design Laboratory代表董事国峯尚树的协助。点亮LED灯泡10多分钟后进行的测量。东芝照明技术的7.2W产品由于底座的放射率较低，因此外表温度显示的较低，但实际高达61℃左右。 
图3：B组的表面温度（点击图片放大） 注释：台湾Star Comgistic Capital公司的4W产品采用了与耗电量不相符的大型底座，表面温度为38℃，在9款产品中最低。 对底座的放射率进行计算后得出，东芝照明技术的7.2W产品约为0.37，三星LED的7.1W产品约为0.6，勤上光电的7.5W产品约为0.64。放射率低意味着使用了不容易从底座向外部散热的材质。三星LED和勤上光电的底座采用配备散热片的铝压铸件制造，而东芝照明技术的底座采用薄铝板制造。虽然东芝照明称“通过对表面进行耐酸铝处理提高了放射率”，但在我们的测量中，该值仍然低于其他公司。 即便底座的表面温度达到61℃左右，“实际使用时完全没有问题”（东芝照明技术）。LED灯泡的底座温度由各厂商根据自主标准决定。“即使表面温度稍高，如果能保证LED芯片的接合温度在一定值以下，基本不会影响发光效率和寿命等”（LED灯泡厂商的技术人员）。相反，“就设计性而言比较重要的是尽可能允许表面温度升高，从而最大限度简化散热机构”（该技术人员）。也就是说，在热设计方面，海外厂商的性能指标还稍留有余地。 通过减少芯片数降低成本 取下LED灯泡的灯罩后，呈现在眼前的便是LED封装（图4，图5）。封装有LED芯片的LED封装是决定光质量的重要部件，同时也是“LED灯泡中成本最高的部分”（多数LED灯泡厂商）。 
图4：拆解A组LED灯泡（点击图片放大） 注释：东芝照明技术的7.2W产品采用发光效率较高的COB型LED。而三星LED的7.1W产品和勤上光电的7.5W产品均采用了普通的SMD型LED。最近，SMD中发光效率高的产品也不断增多，因此已经不能简单认为只有COB的发光效率出色了。部件的厂商名和部件作用为本站推测。 
图5：B组LED的封装形态（点击图片放大） 注释：荷兰皇家飞利浦电子的6W产品配备的飞利浦流明生产的LED“LUXEON Rebel”，LED芯片的尺寸达到了1mm见方。为了避免热应力，飞利浦流明推荐将该LED封装到进行了图案加工的FR-4基板中，而实际上就使用了这种基板。除此之外的其他品种都采用了铝LED封装基板。 海外厂商的LED灯泡大多都为仅采用少量高功率表面贴装器件（Surface-Mounted Device，SMD）型LED封装的设计。例如，中国真明丽控股有限公司（真明丽控股）的7W产品和荷兰皇家飞利浦电子（Royal Philips Electronics）的6W产品只使用了4个SMD封装，每个SMD封装里配备1枚大型LED芯片。这种设计“不利于光的均匀性和发光效率，但在成本方面占有优势”（协助拆解的技术人员）。原因是，可以通过增加每枚芯片的输入功率来提高亮度，减少所需的LED芯片数量。不过，这样做芯片的发热量会增加，因此需要相应的散热机构。 相反，东芝照明技术的7.2W产品则通过采用多个小型LED芯片，降低每枚芯片的输入功率，由此提高发光效率。该公司采用在基板上直接封装96枚LED芯片的COB（Chip On Board）技术。虽然有观点认为，由于使用的芯片数量较多，因此LED本身的成本会升高，但“此举能改善发光效率，不但可简化散热机构，还不容易出现发光不均现象”（该公司）。 另外，在此次拆解中，根据LED的外观可以推断出以下4款产品的LED供应商。勤上光电的7.5W产品和皇家飞利浦电子的6W产品估计配备的是美国飞利浦流明（Philips Lumileds Lighting）的LED“LUXEON Rebel”。韩国锦湖电机的6W产品估计是日亚化学工业的LED，真明丽控股的7W产品采用的是美国科锐（Cree）的LED。 上述所有LED芯片都不算便宜，协助拆解的技术人员表示，“如果使用台湾厂商的LED，仅需一半的价格”。关于这一点，真明丽控股表示，“由于涉及专利问题，所以采用了科锐的LED”。各厂商好像并不能随便使用便宜的LED。 在散热机构的设计方面，日本厂商与海外厂商也存在明显的不同（图6，图7）。东芝照明技术采用发光效率较高的COB型LED的7.2W产品，将LED的热量直接散发到圆形铝板上，然后再传至底座。圆形铝板和底座并未紧密贴合，“算不上是高散热性构造”（协助拆解的技术人员）。 
图6：调查A组的散热机构（点击图片放大） 注释：估计东芝照明技术的7.2W产品通过采用发光效率高的LED元件，简化了散热机构。而三星LED的7.1W产品和勤上光电的7.5W产品采用配备了大量散热片的散热机构。部件的作用是本站推测的。照片中的土黄色部分是在拆解时为了识别个体粘上的胶带。 
图7：B组的散热机构（点击图片放大） 注释：均采用了大量配备散热片的散热机构，很多产品在LED封装基板与底座之间加入了散热油脂和散热片。不过，在Star Comgistic Capital公司的4W产品上没有看见散热油脂。 而海外厂商的LED灯泡大多采用LED封装基板与底座（散热片）紧密贴合的构造。另外，还有很多产品通过机械加工方式对连接LED封装基板的底座表面进行了平坦化处理，并通过涂布散热膏提高了密着性。“因为LED芯片的热损失较大，所以相应地在散热机构上花费了心血”（协助拆解的技术人员）。 虽然看起来海外厂商在散热机构上花费了成本，但协助拆解的技术人员指出，“LED灯泡的散热部材价格并不高”。比如，带散热片的铝压铸底座“每个只有50～60日元”（LED灯泡厂商的技术人员）。LED封装的价格为“每瓦（W）100日元”（该技术人员），这样看来，削减芯片数量，改进散热机构的做法更能降低整体的成本。 反过来说，即使简化散热机构也有可能无法削减成本。例如，东芝照明技术的7.2W产品“虽然简化了散热机构，但导致底座内的温度升高，因此反而需要将电源模块的部件更换为高耐热产品。结果，整体成本与带散热片的原产品一样”（东芝照明技术）。 电源模块实现小型化 底座内部嵌入的电源模块也因厂商而异。“电源模块大都由LED灯泡厂商自主设计，因此很容易出现差异”（LED灯泡厂商的技术人员）。电源模块在LED灯泡整体中所占的成本比率“仅次于LED芯片”（该技术人员），是能够展示各厂商本领的部件。 在此次拆解的LED灯泡中，电源模块最小最轻的是东芝照明技术的7.2W产品（图8）。“通过缩小电源模块的尺寸，扩大了底座内的空间，使热设计变得更加容易”（协助拆解的技术人员）。“电源模块的小型轻量化利用了在灯泡型荧光灯中积累的技术诀窍。即使采用相同的部件，其他公司可能也无法模仿”（东芝照明技术）。 
图8：缩小电源模块尺寸 东芝照明技术的7.2W产品采用了小型軽量的电源模块。 另外，协助拆解的技术人员还指出，“东芝照明技术的电源为非绝缘型，没有使用体积较大的变压器，因此容易推进小型轻量化”。在欧洲市场等，为防止触电，安全规格中要求LED灯泡使用绝缘型电源。但在日本市场上没有这样的规定，因此“采用有利于实现小型轻量化的非绝缘型电源的厂商不断增多”（LED灯泡厂）。 今后，对日本厂商而言，电源模块的小型化将越来越重要。在2011年3月举行的照明技术相关展会“Lighting Fair 2011”上，各厂商大量展出了与白炽灯泡拥有相同程度的大配光角度LED灯泡。这些产品为了扩大配光角度，大多都增加了灯罩的面积，而缩小了底座部分（图9）。因而需要电源模块进一步实现小型化，“这就要求进一步改进热设计”（LED灯泡厂商的技术人员）。 
图9：大配光角度的LED灯泡缩小了散热部 扩大了配光角度的LED灯泡，都趋向于缩小电源部和散热部。例如，东芝照明技术定于2011年4月上市的产品通过采用铝压铸底座提高了散热性。 其实，东芝照明技术定于2011年4月上市的大配光角度LED灯泡没有配备散热片，但通过采用铝压铸底座提高了散热性。“海外厂商已经能够轻松制造出普通的LED灯泡。为了在设计和配光角度上拉开距离，需要改善电源模块和散热机构”（东芝照明）。 |
网友评论