LED光引擎(LED Light Engine)的概念最早为半导体行业所知，是起于ZHAGA联盟的成立和推广。所谓LED光引擎，是指LED封装(元件)或LED阵列(模块)、LED驱动器、以及其他光度、热学、机械和电元件的整体组合，一般情况下可直接由市电供电。

　　LED光引擎的研发和推广，主要目的在于实现光源的标准化，使得在实际应用中，可像传统照明产品一样，在出现失效时，可直接更换LED光源部分，而无需整灯替换，有利于节约成本。

　　为了更进一步降低LED的成本，除了光引擎的标准化设计，半导体照明行业开始逐渐较多的出现高压LED的设计方案。

　　本文所讨论的高压LED产品，是传统的高压LED产品，即将多个LED芯片通过一定方式串并联起来，由经过简单整流后的高压直流供电。其电路结构示意图如图2所示：

　　高压LED产品，由于不再采用LED驱动电源降压供电的设计形式，只保留少数的元器件，如整流桥、电阻、稳压管等，因此价格较为低廉，使用范围逐渐扩大，包括高压LED光引擎的设计。

　　高压LED由于缺少了驱动电源的保障，本身产品的安全和性能都会在一定程度上降低。在设计成光引擎时，考虑到互换性用途时，比如各部件之间的安装和拆卸，某些高压带电部件会更易暴露在操作人员面前，安全隐患有可能进一步加大。

　　一种高压LED光引擎的结构和设计

　　某型号高压LED光引擎可设计成LED筒灯或LED球泡灯的光源，结合高压LED的供电简易性，配以标准化接插件，在结构上便实现了方便替换的目的。具体结构如图3至图6所示：

　　从产品结构和组接过程而言，产品结构简约，光引擎除LED芯片外，只有电连接件、整流桥、电阻、IC等少量元器件，电路结构原理与图2相近。相比于同类型产品，具有一定的低成本优势。

　　光引擎与散热器之间的连接，通过金属螺纹旋紧，并同样配以螺纹连接的配光透光罩，最终形成具有完整的光、电、热、机械等四大部分结构的LED光引擎。灯具厂商可根据光引擎的各结构参数，进行灯具结构设计，从而实现光源可更换性。

　　高压LED光引擎的质量评价

　　高压LED光引擎在产品设计上存在诸多共性，以上文描述的高压LED光引擎作为案例，通过对其质量进行评价，来说明此类型产品容易存在的质量缺陷。表现在以下几个方面：

　　1、引发意外触电危险

　　防意外触电保护设计不佳，实际使用时容易引发触电危险。其容易产生意外触电危险的原因，一是采用耦合连接器做电气连接，二是配光透光罩采用螺纹且易拆卸结构。

　　图4所示的耦合连接器，通常用于音视频及信息电子产品的充电器中，例如手机充电器、笔记本电脑充电器等，但这些电源适配器的一般是安全特低电压(SELV)输出的，使用者可直接触摸而不会产生触电危险。但上文提及的高压LED光引擎采用此类耦合连接器作为供电连接时，由于供电电压是220V，因此存在较大的安全隐患。过程如图7所示，当耦合连接器A端与B端刚开始接触时， C部位的金属部件随即变为危险带电件，在A与B未完全闭合情况下，用标准试验指(见图8所示)试验，试验指可触及C部位的带电件，从而产生触电危险。若对此耦合连接器进行相应改进，使得标准试验指不能触及该金属件时，也并不能立即做出符合性判定，此时还应额外考核该金属带电件到试验指最近触点的爬电距离和电气间隙，并按照加强绝缘的要求值来考核。

　　而采用易拆卸结构的配光透光罩，同样容易存在意外触电危险。在安规标准中，徒手可拆卸的部件，即可归为可触及部件。虽说配光透光罩采用绝缘效果较好的塑料材料，但由于其在无需任何工具的前提下可手动拆卸，因此高压LED模组整体(如图3所示)就都属于可触及部件，人手触摸时存在触电危险。

　　2、未加过流保护装置

　　图3所示的高压LED光引擎，并未设计有过流保护装置，如熔断器，在对LED模组上的元器件施加模拟故障时，如整流桥短路故障，这时会直接导致等效于输入L、N之间的短路状态，如果灯本身或者外部照明电路都没有过流保护装置，则很容易导致起火危险。

　　3、绝缘电阻和抗电强度难符合要求

　　LED是温度敏感器件，过高的温度会加快LED的光衰，降低使用寿命。但在产品设计时，散热设计和安全设计往往相互约制，为了达到良好的散热效果，企业倾向于将LED铝基板与散热器直接接触，但这往往会降低产品的绝缘等级，在绝缘电阻和抗电强度试验时可能难以负荷要求。

　　照明产品中，绝缘防护的要求，主要针对以下两处位置：带电部件-可触及部件，不同极性带电部件之间。前者需要满足双重绝缘或加强绝缘的要求，后者需要满足基本绝缘要求。在进行绝缘电阻试验时，双重绝缘或加强绝缘的要求值≥4MΩ，基本绝缘的要求值≥2MΩ;而双重绝缘或加强绝缘的抗电强度试验电压值为4U+2750VAC，基本绝缘的抗电强度试验电压值为2U+1000VAC。

　　图4可见，企业在设计时已经意识到要在铝基板和散热器施加绝缘防护，但存在的缺陷是绝缘垫片尺寸较小，绝缘垫片外部的金属铝基板依然会与散热器直接接触，在实际考核时，绝缘垫片没有起到太大的绝缘作用。为了满足安规试验的要求，企业需要将绝缘垫片的尺寸延长，将LED铝基板和散热器完全阻隔。但这反过来会降低散热器的散热效果，因此，如何在安规和散热管理之间达到更好的平衡，需要企业去权衡。

　　类似的难题同样出现在高压LED的L-N之间，图3所示的LED光引擎，L-N之间均焊接在铝基板上，绝缘防护仅依靠铝基板及表面的绝缘漆进行防护，在对其L-N之间进行试验时，耐抗电强度电压值≤500VAC，远低于要求值。

　　4、输入电压波动对LED芯片正向电压的影响

　　家庭照明供电电压并不稳定，一天时间内电压波动值大概在额定电压220V的0.9-1.1倍范围内，即198V~242V之间，高压LED的简单化设计使得LED模组上芯片的正向电压，会随着输入电源电压的波动而变化。LED芯片的正向电压波动，会加速LED的光衰和损耗，降低其寿命。

　　5、LED芯片正向电压的纹波

　　高压LED缺少驱动电源的恒压或恒流设计，使得LED模组上芯片的正向电压纹波较高。较高纹波值表示高压LED光引擎正常工作时，LED芯片上承受的峰值毛尖电压较大，容易击穿PN结;如果电路设计不佳时，LED的频闪可能会较为严重，特别是应用在照明工程上、多样品同时工作时，效果更加明显，对人眼的伤害也会加剧。

　　6、潜在的可靠性缺陷

　　高压LED光引擎采取简单化设计，减少元器件数量和类型的使用，根据可靠性串联模型，这确实在一定程度上提升了光源前端电路的可靠度水平。但是，根据上文的分析，当高压LED模块的某一组芯片失效时，会形成连环效应，加速剩余LED的失效。这也说明，此类高压LED光引擎容易存在冗余设计的缺陷。如何完善冗余设计，使得部分LED的失效不会对其余LED的寿命造成影响，应成为企业可靠性设计的主要关注点。

　　图3例举的高压LED光引擎，除了上述可靠性缺陷外，在制造工艺上，也需要对一些细节部位进行改进。如图12所标记，输入黑色引线紧贴着整流桥，而整流桥在正常工作时，温度较高，因此LED光引擎点亮工作时，引线绝缘层可能在整流桥的高温下烧穿，继而出现可能的短路故障。因此，制造过程中，应尽量避免引线与LED模组上高温元件的接触。

　　另外，LED光引擎也还需避免替换操作时对接线端子的机械应力影响，对连接耦合器的拔插操作，会对接线端子的焊点带来应力作用，使焊点容易松脱，最终导致失效。图13中，简单的采用填胶处理，并不能保证机械牢靠性。

　　对制造工艺上的缺陷进行改进，可在一定程度上降低高压LED光引擎的早期失效率，但提升整体可靠性，则主要依靠冗余设计及热管理来实现。通过红外热像仪进行探测LED光引擎的热像分布，通过热像图(图14，图15所示)可见，此型号高压LED光引擎与散热器之间的散热效果不太理想，LED 模组的温度依然较高，LED的光衰速度会加快。

　　另外，部分元件局部过热，易形成“热孤岛效应”。此外，焊脚的局部过热也是引起焊点失效的主要原因。

　　当该样品在密闭环境下使用时，如灯具光源腔内，情况会加剧。

　　小结

　　高压LED和光引擎的有效结合不仅可以省去高压转低压驱动电源的复杂元件，还可以通过接口标准化的引入有效降低成本，对半导体照明的应用和推广有着积极的作用，成为了近年来照明领域研究的热点。

　　但也必须意识到，通过多颗LED芯片串并联分压而形成的传统高压LED器件，由于芯片两端电压的不稳定，单一灯珠失效会造成LED灯串的连锁反应，降低器件的寿命。

　　另外，此种高压LED光引擎也由于过多考虑结构上的简易，而在一定程度上牺牲了的安全、性能以及可靠性。

　　在今后的产品设计和优化时，应充分考虑安全的要求，保障操作人员防意外触电和的防火，并在此基础上完善产品的性能、可靠性和热管理的设计，提高产品寿命。