Stämbara LED-moduler baserade på CSP-COB
Abstrakt: Forskning har visat sambandet mellan ljuskällornas färg och människans dygnscykel. Färgjustering till miljöbehov har blivit allt viktigare i högkvalitativa belysningstillämpningar. Ett perfekt spektrum av ljus bör uppvisa egenskaper närmast solljus med hög CRI, men är idealiskt anpassad till mänsklig känslighet.Ett mänskligt centrerat ljus (HCL) måste konstrueras i enlighet med förändringar i miljön såsom flerfunktionsanläggningar, klassrum, hälsovård, och för att skapa atmosfär och estetik.Avstämbara LED-moduler utvecklades genom att kombinera chip scale packages (CSP) och chip on board (COB) teknologi.CSP:er är integrerade på ett COB-kort för att uppnå hög effekttäthet och färglikformighet, samtidigt som den lägger till en ny funktion för färgjustering. Den resulterande ljuskällan kan ställas in kontinuerligt från ljus, svalare belysning under dagen till svagare, varmare belysning på kvällen, Detta papper beskriver design, process och prestanda för LED-modulerna och dess tillämpning i varmdämpande LED-nedljus och pendelljus.
Nyckelord:HCL, Circadian rytmer, Tunable LED, Dual CCT, Warm Dimming, CRI
Introduktion
LED som vi känner den har funnits i över 50 år.Den senaste utvecklingen av vita lysdioder är vad som har gjort det till allmänhetens ögon som en ersättning för andra vita ljuskällor. Jämfört med de traditionella ljuskällorna presenterar LED inte bara fördelarna med energibesparing och lång livslängd, utan öppnar också dörren till ny designflexibilitet för digitalisering och färgjustering. Det finns två primära sätt att producera vita lysdioder (WLED) som genererar högintensivt vitt ljus. Det ena är att använda individuella lysdioder som avger tre primärfärger – röd, grön och blå —och blanda sedan tre färger för att bilda vitt ljus. Den andra är att använda fosformaterial för att omvandla monokromatiskt blått eller violett LED-ljus till vitt brett ljus, ungefär på samma sätt som en lysrörslampa fungerar. Det är viktigt att notera att "vitheten" hos det producerade ljuset i huvudsak är konstruerad för att passa det mänskliga ögat, och beroende på situationen kanske det inte alltid är lämpligt att tänka på det som vitt ljus.
Smart belysning är ett nyckelområde i den smarta byggnaden och den smarta staden nuförtiden. Ett ökande antal tillverkare deltar i design och installation av smart belysning i nya konstruktioner. Konsekvensen är att en enorm mängd kommunikationsmönster implementeras i olika varumärken av produkter ，såsom KNx ) BACnetP', DALI, ZigBee-ZHAZBA', PLC-Lonworks, etc. Ett kritiskt problem i alla dessa produkter är att de inte kan samverka med varandra (dvs låg kompatibilitet och töjbarhet).
LED-armaturer med förmågan att leverera varierande ljusfärger har funnits på marknaden för arkitektonisk belysning sedan de första dagarna av solid-state lighting (SSL). Även om färgjusterbar belysning förblir ett pågående arbete och kräver en viss mängd läxor av specificerar om installationen ska lyckas.Det finns tre grundläggande kategorier av färgjusteringstyper i LED-armaturer: vitjustering, dim-till-varm och fullfärgsinställning. Alla de tre kategorierna kan styras av en trådlös sändare som använder Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth eller andra protokoll, och är anslutna till byggkraft. På grund av dessa alternativ ger LED möjliga lösningar för att ändra färg eller CCT för att möta de mänskliga dygnsrytmerna.
Dygnsrytmer
Växter och djur uppvisar mönster av beteendemässiga och fysiologiska förändringar under en cykel på cirka 24 timmar som upprepas under på varandra följande dagar - dessa är dygnsrytmer. Cirkadiska rytmer påverkas av exogena och endogena rytmer.
Dygnsrytmen styrs av Melatonin som är ett av de viktigaste hormonerna som produceras i hjärnan.Och det inducerar sömnighet också. Melanopsinreceptorer ställer in dygnsfasen med blått ljus vid uppvaknande genom att stänga av melatoninproduktionen. Exponering för samma blå våglängder av ljus på kvällen kommer att störa sömnen och störa dygnsrytmen. Dygnsrytm desynkronisering hindrar kroppen från att att helt gå in i de olika faserna av sömn, vilket är en kritisk återställande tid för människokroppen. Dessutom sträcker sig effekten av dygnsstörningar utöver mindfulness under dagen och sömn på natten.
Om de biologiska rytmerna hos människor kan vanligtvis mätas på flera sätt, sömn-/vakencykel, kärnkroppstemperatur, melatonkoncentration, kortisolkoncentration och alfaamylaskoncentration8. Men ljus är den primära synkronisatorn av dygnsrytmer till lokal position på jorden, eftersom ljusintensitet, spektrumfördelning, timing och varaktighet kan påverka det mänskliga dygnssystemet. Det påverkar också den dagliga interna klockan.Tiden för ljusexponering kan antingen förskjuta eller fördröja den interna klockan". Dygnsrytmerna kommer att påverka människans prestation och komfort etc. Det mänskliga dygnssystemet är mest känsligt för ljus vid 460 nm (det blåa området av det synliga spektrumet), medan det visuella systemet är mest känsligt. till 555nm (grön region). Så hur man använder den inställbara CCT och intensiteten för att förbättra livskvaliteten blir allt viktigare.Färgjusterbara lysdioder med integrerat avkännings- och kontrollsystem kan utvecklas för att möta sådana krav på hög prestanda och hälsosam belysning .
Fig.1 Ljus har en dubbel effekt på 24-timmars melatoninprofilen, akut effekt och fasskiftande effekt.
Paketdesign
När du justerar ljusstyrkan för konventionell halogen
lampan kommer färgen att ändras.Konventionell LED kan dock inte ställa in färgtemperaturen samtidigt som ljusstyrkan ändras, efterliknar samma förändring av viss konventionell belysning.Förr i tiden använde många glödlampor led med olika CCT-lysdioder kombinerade på PCB-kortet
ändra ljusets färg genom att ändra drivström.Den behöver komplex kretsljusmoduldesign för att styra CCT, vilket inte är lätt för armaturtillverkaren. När ljusdesignen utvecklas, kallas den kompakta belysningsarmaturen som spotlights och downlights för små, högdensitets LED-moduler, för att tillfredsställer både färgjustering och kompakta ljuskällors krav, avstämbara färg COBs dyker upp på marknaden.
Det finns tre grundläggande strukturer av färgjusteringstyper, den första använder den varma CCT CSP och sval CCT CsP-bindning på PCB-kortet direkt som illustreras i figur 2. Den andra typen avstämbar COB med LES fylld med flera ränder av olika CCT-fosfor silikoner som visas i figuren
3. I detta arbete är ett tredje tillvägagångssätt att använda genom att blanda varma CCT CSP-lysdioder med blåa flip-chips och tätt lödda på ett substrat. Sedan appliceras en vit reflekterande silikondam som omger de varmvita CSP:erna och blå flip-chips. , den är fylld med fosforinnehållet silikon för att komplettera den tvåfärgade COB-modulen som visas i Fig.4.
Fig.4 Varm färg CSP och blå flip chip COB (Struktur 3- ShineOn utveckling)
Jämfört med struktur 3 har struktur 1 tre nackdelar:
(a) Färgblandningen mellan de olika CSP-ljuskällorna i olika CCT:er är inte enhetlig på grund av segregeringen av fosforsilikon som orsakas av chipsen i CSP-ljuskällorna;
(b) CSP-ljuskällan skadas lätt med en fysisk beröring;
(c) Mellanrummet för varje CSP-ljuskälla är lätt att fånga upp dammet för att orsaka COB-lumenreduktion;
Structure2 har också sina nackdelar:
(a) Svårigheter med tillverkningsprocesskontroll och CIE-kontroll;
(b) Färgblandning mellan de olika CCT-sektionerna är inte enhetlig, särskilt för närfältsmönstret.
Figur 5 jämför MR 16-lampor byggda med ljuskälla av struktur 3 (vänster) och struktur 1 (höger).Från bilden kan vi se att Structure 1 har en ljus nyans i mitten av det emitterande området, medan ljusintensitetsfördelningen av Structure 3 är mer enhetlig.
Ansökningar
I vårt tillvägagångssätt med Structure 3 finns det två olika kretsdesigner för inställning av ljusfärg och ljusstyrka.I en enkanalskrets som har ett enkelt drivrutinskrav är den vita CSP-strängen och den blå flip-chip-strängen parallellkopplade. Det finns ett fast motstånd i CSP-strängen.Med motståndet delas drivströmmen mellan CSP:er och blåa chips, vilket resulterar i förändring av färg och ljusstyrka. De detaljerade inställningsresultaten visas i tabell 1 och figur 6. Färgjusteringskurvan för enkanalskretsar visas i figur 7.CCT ökar som drivströmmen.Vi har insett två trimningsbeteenden med ett som emulerar konventionellt halogenbulband och det andra mer linjärt.Det avstämbara CCT-intervallet är från 1800K till 3000K.
Bord 1.Flux och CCT ändras med drivström av ShineOn enkanalig COB modell 12SA
Fig.7CCT-inställning tillsammans med svartkroppskurva med drivström i den enkanalskretsstyrda COB(7a) och de två
inställningsbeteende med relativ luminans i förhållande till halogenlampa(7b)
Den andra designen använder en dubbelkanalskrets där det avstämbara CCT-arrangemanget är bredare än enkelkanalskretsen. CSP-strängen och blå flip-chip-strängen är elektriskt åtskilda på substratet och kräver därför speciell strömförsörjning. Färgen och ljusstyrkan ställs in av driva de två kretsarna vid önskad strömnivå och förhållande.Den kan ställas in från 3000k till 5700Kas som visas i figur 8 av ShineOn dubbelkanals COB-modell 20DA. Tabell 2 listade det detaljerade inställningsresultatet som nära kan simulera dagsljusförändringen från morgon till kväll. Genom att kombinera användningen av närvarosensor och kontroll kretsar, den här inställbara ljuskällan hjälper till att öka exponeringen för blått ljus under dagen och minska exponeringen för blått ljus under natten, vilket främjar människors välbefinnande och mänskliga prestationer, såväl som smarta belysningsfunktioner.
Sammanfattning
Stämbara LED-moduler utvecklades genom att kombinera
chip scale packages (CSP) och chip on board (COB) teknologi.CSPs och blue flip chip är integrerade på ett COB-kort för att uppnå hög effekttäthet och färglikformighet, dubbelkanalsstruktur används för att uppnå bredare CCT-inställning i applikationer som kommersiell belysning.Enkanalsstruktur används för att uppnå dim-till-varm funktion som emulerar halogenlampa i applikationer som hem och gästfrihet.
978-1-5386-4851-3/17/$31,00 02017 IEEE
Bekräftelse
Författarna vill tacka för finansieringen från The National Key Research and Development
Kinas program (nr 2016YFB0403900).Dessutom stöd från kollegorna i ShineOn (Peking)
Technology Co, är också ett tacksamt tack.
Referenser
[1] Han, N., Wu, Y.-H.och Tang, Y,"Forskning av KNX-enhet
Nod och utveckling baserad på bussgränssnittsmodulen", 29:e kinesiska kontrollkonferensen (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. och Hong, SH "A New Proposal of Network Management System for BACnet and its Reference Model", 8:e IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN), 2010, 28-33.
[3]Wohlers I, Andonov R. och Klau GW,"DALIX: Optimal DALI Protein Structure Alignment", IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10, 26-36.
[4] Dominguez, F, Touhafi, A., Tiete, J. och Steen haut, K.,
"Samexistens med WiFi för en ZigBee-produkt för hemautomatisering"， IEEE:s 19:e symposium om kommunikation och fordonsteknik i Benelux (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ， Wu, QX och Huang, YW,"Automatic Meter Reading System Based on Power Line Communication of LonWorks", International Conference on Technology and Innovation (ITIC 2009), 2009,1-5.
[6] Ellis, EV, Gonzalez, EW, et al, "Auto-tuning Daylight with LEDs: Sustainable Lighting for Health and Wellbeing", Proceedings of the 2013 ARCC Spring Research Conference, Mar, 2013
[7] Lighting Science Group White Paper,"Lighting: the Way to Health & Productivity", 25 april 2016.
[8] Figueiro, MG, Bullough, JD, et al, "Preliminära bevis för en förändring i spektral känslighet i dygnssystemet på natten", Journal of Circadian Rhythms 3:14.februari 2005.
[9]Inanici, M, Brennan, M, Clark, E,"Spectral Daylighting
Simulations: Computing Circadian Light", 14th Conference of International Building Performance Simulation Association, Hyderabad, Indien, dec.2015.