2.3 LED设计
一个 LED 的应用简单吗？如果只让一个 LED 亮起来那很简单，在 LED 两端加上电压，用电流驱动即可。然而当一款产品拥有上百个LED组成显示矩阵屏，24h点亮显示时间及动画，持续 3 年，还能保持它最初的亮度，并且还能做到亲民的价格，这件事情就变得没那么容易了。
在 LED 组成的矩阵屏当中，整块屏幕的亮度一致性、色温、温升、静电防护、长时间点亮的可靠性、寿命、亮度衰减控制，以及成本控制等，这一系列的问题都要经过严谨设计及验证，任何一项出了问题都会导致产品的失败。
2.3.1 案例详解
案例 IN糖智能音箱点阵屏设计
【问题描述】
IN 糖智能音箱在方糖基础上增加一个信息显示功能，如图 2-17 所示。它给用户带来更好的交互体验，从日活数据上来看，这块屏确实做到了。2019 年初天猫精灵 IN 糖项目开始立项研发，经过多轮的评估及采购的报价后发现，点阵屏的价格最接近产品经理对这块屏的期望成本，但是也超过期望成本很多。如果产品经理的期望能达成，那么产品不仅可以实现盈利、提升议价能力，同时也能给用户带来普惠的价值，但这块屏既要考虑亮度一致性，又要保证在三年的常亮使用下，也不会有明显的亮度衰减，这如何做到？
图 2-17 IN 糖智能音箱
【问题分析】
电子团队对 LED 的每项参数进行了一系列的深入研究。
第一步，确定灯的数量。这个取决于我们要显示哪些内容，综合显示效果和数量，最终确定 85 个白色灯作为显示，1 个红色灯作为静音提示。显示的内容包括表情符号、音乐律动、提示符号等。显示内容仿真如图 2-18 所示。
图2-18 显示内容仿真
第二步，确定 LED 的封装。通过跟多家供应商沟通，我们了解到目前价格占优势的封装为 0603。
第三步，确定 LED 的色温。这时需要与 ID 和结构团队沟通。色温不同，显示效果也是截然不同的，使用太冷的光用户会感觉到刺眼，使用太暖的光用户会感觉发黄，而且不同的结构设计对色温影响很大。
拿到不同色温样品后，与 ID 和结构团队一起评估，确定色温的中心，最终将其设置到4500K。而色温的范围也与成本有关，通常需要供应商先试产一批后，才能得到合适成本的色温范围，同时要求在这个色温范围内，两边的边界样品不能有明显的视觉差异，否则在点阵屏中就能看到色温差异，色温选择如图 2-19 所示。结合效果和成本，我们规定了4200 ～ 4800K 的一个色温总范围，但将 4200K 和 4800K 的 LED 放到一起，还是能够看到差异，这时就需要分 bin 区。将 4200 ～ 4800K 平均分成 3 个 bin 区，每个 bin 区只有200K 的色温差异，一块 LED 屏幕上面只贴一种 bin 区的 LED。这样就在一块屏幕上解决了色温差异问题，同时兼顾了成本。
图 2-19 色温选择
第四步，确定驱动电流。驱动电流的确定需要考虑对 LED 亮度、温升、寿命的影响。电流增大，亮度提高，温升提高，寿命就下降，温升和寿命就有可能不满足需求；而电流减小，亮度降低，温升下降，寿命提高，亮度就有可能不满足需求。因此，需要对整机进行多次综合测试，得到最合适的电流，这个电流参数要兼顾亮度、温升、寿命。当我们提供给供应商电流及引脚的温升数据后，供应商就可以预估寿命的函数曲线，如图 2-20 所示，当然，这个只是前期的粗略预估，后面还有 LED 老化实测。
图 2-20 预估寿命函数曲线
第五步，确定 LED 灯的亮度范围。当整个 bin 区亮度的范围过宽时，LED 贴到同一块板上会出现显示不均匀现象，用户甚至认为是显示出了问题，而亮度范围过窄成本又会升高。我们需要让厂家先做一批料来确定这个亮度范围，拿到亮度范围的边界样品后将其贴到同一块板上对比并确认，不能有明显的视觉差异。根据对亮度、温升、寿命的权衡，初步得到的电流结果是 5mA （因为采用占空比形式，平均电流为 1mA，瞬间方波为 5mA），最终亮度范围确定为 300 ～ 420mcd。亮度范围分两个 bin 区，分光代码的划分如表 2-3 所示，与从供应商处拿到的边界样品贴到一块板子上进行对比，确认 LED 的亮度没有明显视觉差异。至此亮度确认完成。
第六步，确定 VF（LED 的工作电压），当使用较低电压驱动 LED 时，需要严格考虑VF，要使LED 两侧的电压达到规格书的最大要求。
第七步，确定可回流焊次数至少要达到两次。
第八步，测试 LED 抗 ESD 性能，竞品选择 8kV 高抗 ESD 的 LED，我们选择的是2kV 的 LED，之所以我们可以选择仅有 2kV 的产品，是因为我们对于 ESD 的设计有足够的经验，通过结构及硬件系统设计，我们可以保证整机的性能达到空气放电 15kV，接触放电 8kV 的标准。
最后，光衰寿命对于需要长时间点亮的产品来说是一项很重要的评估，IN 糖智能音箱有24h 点亮的时间显示屏，它的光衰要求为一年衰减 25% 以下，三年衰减 50% 以下。可以通过提供给供应商电流数据和温升数据来进行光衰曲线预估，并且在方案评估时就要开始老化实验，预估光衰测试时长要达到 1000h 以上，也就是需要 42 天，预估数据才较准确。对于快速迭代的互联网硬件产品，这个时间产品其实已经进入 DVT 阶段。
什么会影响 LED 的光衰寿命呢？这与外壳材质，Die 的面积（封装前的面积）、板材、Bonding 线（将芯片内部电路板与封装引脚连接的引线）材质有关。IN 糖智能音箱的外壳材质主要是环氧树脂，在这种材质中可以掺入硅胶，增加硅胶量可以优化光衰寿命，因为硅胶可以降低荧光粉的老化速度，但是硅胶过多会影响 LED 的硬度，外壳容易被损坏。Die 如果选择美系，则成本较高，如果选择国产，则可以降低成本，IN 糖智能音箱选择国产。板材分成金板和银板，银板的亮度大，价格也便宜，但散热没有金板好，如图 2-21 所示。Bonding 线材有铜线和合金线，通常选择合金线，通过与厂家沟通，定制上述参数，产品达到性能和成本的平衡。最终单个 LED 成本做到了竞品的 1/3。
图 2-21 LED 板材
一个 LED 的选型已经结束了，但 LED 点阵屏是一个系统性的设计，特别是对于光衰寿命的设计，LED 的选材和电流确认，只保证了性能刚好能满足品质的要求，但是对于产品设计而言，光衰寿命是需要有 20% 余量的，这 20% 余量从何而来？ 这就要靠系统性设计。
系统性设计第一步。调整灯板结构均光片的透光率。均光片会使亮度大幅度衰减，但会让光更加均匀，为了只用 1mA 的平均电流就能使产品达到满意的亮度，我们需要调整均光片的透光率。灯板结构均光片如图 2-22 所示。
系统性设计第二步。使用 14 阶的调光，软件通过读取光感参数，来调节 LED 的电流。这不仅提升了用户体验，而且在使用中，LED 电流也不会一直处于最大状态，大大地增加了LED 的亮度寿命。光感联动调光如图 2-23 所示。
图 2-22 灯板结构均光片 图 2-23 光感联动调光
可以看出，长时间点亮的 LED 设计并不是一件简单的事情，这不仅需要硬件团队对技术参数了如指掌，还需要准确的实验评估，以及系统性的设计，这样才能达到期望的性能和成本。有些人说，为什么不直接选择较好的 LED，这样不就省了很多事情吗，成本有那么重要吗？没错，成本是一个因素，更重要的，这是研发人的一个态度，天猫精灵硬件研发团队喜欢挑战，勇于挑战！
【收获】
目标成本达成。通过对 LED 的降规格定制及采用系统性设计，我们最终达成了预期的成本目标，同时保证了品质及用户体验。最终单个 LED 成本做到了竞品及采购第一轮报价的 1/3 ！而节省的成本，也直接反馈到给用户的普惠价格上。
2.3.2 技术沉淀
1．LED的选型
（1） LED 的颜色
LED 的颜色是很重要的一项指标，是每一个 LED 相关产品必须标明的，目前 LED 的颜色主要有红、绿、蓝、青、黄、白、琥珀等颜色，白色 LED 在选型时要注意色温的确定。
（2） LED 的电流
绝大多数 LED 的 IF（正向电流）为 20mA。LED 的发光强度仅在一定范围内与 IF 成正比，当 IF 大于 20mA 时，亮度的增强已经无法用肉眼分辨。因此，LED 的最大工作电流一般选在 17 ～ 19mA 比较合理，这是对普通小功率的 LED（0.04 ～ 0.08W）来说的，有些高亮的 LED 除外（额定值在 40mA 左右）。随着技术的不断发展，大功率的 LED 也不断出现，如 0.5W 的 LED（IF=150mA）、1W 的 LED （IF=350mA）、3W 的 LED（IF=750mA）等。
（3） LED 的电压
我们通常所说的 LED 的电压是 LED 的正向电压，就是 LED 的正极接电源正极、负极接电源负极时的电压。电压与颜色有关，红、黄、绿的 LED 电压在 1.8 ～ 2.4V，白、蓝、绿的 LED 电压在 3.0 ～ 3.6V，同样一批 LED 的电压也会有一些差异，要根据厂家提供的规格书为准。当外界温度升高时，VF（Forward Voltage，正向电压）会下降。
（4） LED 的反向电压
LED 所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能因被击穿而损坏。
（5） LED 的色温
LED 的色温以绝对温度 K 来表示，即将一标准黑体加热，当温度升高到一定程度时，颜色开始由深红向浅红、橙黄、白、蓝逐渐改变，当某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体此时的绝对温度称为该光源的色温。相关色温实际上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故有相同色温值的两个光源，可能在光色上仍有些许差异，仅凭色温无法了解光源对物体的显色能力。不同环境下的色温如表 2-4 所示。
光源色温不同，光色也不同，色温在 3000K 以下有温暖的感觉，色温在 3000 ～5000K 为中间色温，色温在 5000K 以上有冷的感觉。
（6） LED 的使用寿命
LED 在一般说明中，都是可以使用 50000h 以上的，还有一些生产商宣称其 LED 可以工作 100000h 左右。这方面主要的问题是，LED 并不是简单的不再工作，它的额定使用寿命不能用传统灯的衡量方法来计算。实际上，在测试 LED 使用寿命时，不会有人一直待在旁边等着它停止工作。
LED 之所以持久，是因为它不会产生灯丝熔断的问题。LED 不会直接停止工作，但它会随着时间的流逝而逐渐退化，平均光维持率变化曲线如图 2-24 所示。有预测表明，高质量的 LED 在持续工作 50000 h 后，还能维持初始灯光亮度的 60% 以上。假定 LED 已达到其额定的使用寿命，实际上它可能还在发光，只不过灯光非常微弱罢了。要想延长 LED 的使用寿命，就必须降低或完全驱散 LED 芯片产生的热能，因为热能是 LED 停止工作的主要原因。LED 的寿命与 LED 的芯片、LED 的驱动、外壳材质、温度等因素有关， 选型时要预估工作温度和实际应用场景需求。
图 2-24 平均光维持率变化曲线
（7） LED 发光角度
二极管发光角度就是其光线散射角度，主要靠二极管生产时加散射剂来控制，有以下三大类。
① 高指向性。高指向性 LED 一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。发光角度不超过 20°，具有很高的指向性，可作局部照明光源用。
② 标准型。通常作指示灯用，其发光角度为 20°～ 45°。
③ 散射型。这是视角较大的指示灯，发光角度为 45°以上，散射剂的量较大。LED 的发光角度是 LED 应用产品的重要参数，请务必重视这个参数。
（8） LED 抗静电能力
消费类产品使用的 LED 抗静电等级一般要求 2kV HBM，如果外围及结构设计抗静电能力不足，则需要使用高抗静电的 LED 产品。
2．LED使用注意事项
LED 有着独特的优势，但 LED 是一种脆弱的半导体产品，所以我们在应用 LED 产品的时候要做好设计。
（1）应使用直流电源供电
应采用直流电源给 LED 供电，切记采用交流方式，驱动方式优先采用恒流方式，以保证亮度的一致性。
（2）做好防静电措施
LED 产品在加工生产的过程中要采用一定的防静电措施，如工作台要接地，工人要穿防静电服装，戴防静电环，以及戴防静电手套等，有条件的可以安装防静电离子风机，同时也要保证车间的湿度在 65% 左右，以免空气过于干燥产生静电，尤其是绿色的 LED，相对而言它更容易被静电损坏。另外，不同档次的 LED 抗静电能力也不一样，高抗 LED 抗静电能力要强一些。
（3） LED 的工作温度
要注意温度的升高会使 LED 内阻变小，若使用稳压电源供电会造成 LED 工作电流升高，当超过其额定工作电流后，会影响 LED 产品的使用寿命，严重的将使 LED 光源烧坏，因此，最好选用恒流源供电，以保证 LED 的工作电流不受外界温度的影响。LED 的工作温度是影响 LED 寿命的最重要的因素，请重视。
（4） LED 的电流不能超过最大的 IF 电流
过流工作会使 LED 寿命下降，如果超出过多，就会瞬间将 LED 烧坏。
（5）焊接温度
焊接温度在 260℃ 左右，时间控制在 5s 以内。
3．LED光衰寿命评估
在有长时间点亮需求的应用下，例如点阵屏，要严格进行 LED 的光衰寿命评估。评估流程如下。
（1）确认应用需求
与 PD 确认清楚实际使用场景，根据器件规格参数、成本、推荐使用场景等综合选型。如有小夜灯和时间显示常亮需求，则要提高对光衰寿命、不良率的要求，阿里的标准是10000h 持续点亮时，光衰在 25% 以内，3 年光衰在 50% 以内。
（2）亮度和色温的 bin code（分光代码）确认
① 与 ID 初步确认亮度和色温。
② 索取 LED 厂家最优成本允许内的 bin code 边界样品，并提供各 bin code 分布比例（包括不同亮度，不同色温的边界样品）。
③ 将 LED 调整到满足 ID 需求亮度的电流，用边界芯片与 ID、PD 一同确认效果，保留样品。
（3）实际工作温度评估
在整机中，实际测试 LED 引脚在最大功耗工作场景下的温升，室温按 40℃计算，得到工作老化温度。
（4）提供温度和电流值给 LED 厂家做老化测试和寿命预估计算
实际测试引脚温度为 60℃，与 ID、PD 确定效果，对应的 LED 电流为 2mA。若场景时钟常亮，则需满足 60℃环境温度、2mA，10000h 光衰在 25% 以内，3 年光衰在 50% 以内。
（5）不良率保证
长时间点亮 LED，1 年内不能有不亮的不良情况，这需要与厂家签订品质协议。
（6）保证亮度一致性的最低电流
在需要调节亮度的产品里，要注意该项的确认，保证亮度一致性的最低电流，要与厂家确认并写到规格书里，规定好该电流下亮度的范围，同时申请边界样品并进行确认。如果实际的需求小于厂商的最小数值，则可以让厂商增加出厂筛选条件。
2.3.3 小结
成本极致，品质不打折。对于 LED 的研究，电子团队深入每一项参数、特性及工艺。IN 糖智能音箱单个灯的成本做到了行业竞品的 1/3，而效果和品质丝毫没有打折，在上百个灯的应用需求下，成本大幅度降低，最终产品的成本达到了预期目标，为产品的普惠贡献了力量。在产品研发中，我们会继续发扬这种工匠精神，将天猫精灵的每一个细节做到极致。
