LED路灯技术与高压钠灯的分析.docx

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LED路灯技术与高压钠灯的分析

LED路灯技术与高压钠灯的分析比较

最近听到不少专家学者的意见,认为LED作为路灯来取代高压钠灯在技术上还不成熟。

主要的理由有以下几点:

1.LED的发光效率无法和高压钠灯相比

2.LED的照射过于集中,其照射的均匀度差

3.LED路灯的长期光衰严重,寿命不长

4.LED发光量不稳定(短期光衰),会随时间、季节变化

5.LED路灯本身自重过重,不利于安装,防风。

6.LED路灯造价过高,无法普及。

当然,所有这些都是根据国内很多试验线路的使用经验得出的。

是有一定依据的。

但是国内的试验线路的性能,能不能代表LED目前的状况是值得探讨的。

1.发光效率问题

目前来说,LED的发光效率从数字上来看的确不如高压钠灯。

目前LED在65-75流明/瓦,而高压钠灯可以达到125流明/瓦。

但是,高压钠灯的光谱比较集中于黄色,它的色温比较低只有2000-2500oK,而LED的色温较高,可以达到3500-4500以上。

另外高压钠灯的光线是向四处发射的,有很大一部分光无法到达路面。

还有,高压钠灯的显色指数差,只有20到40,感觉昏暗;而LED的显色指数高,可以达到75-80。

所以路面明亮,感觉舒适。

所以从实际的发光效果来看,LED反而可以比高压钠灯高出很多。

100W的LED可以取代250W的高压钠灯,或300W的水银灯。

100W的LED,其输出光通量大约只有6250流明(经过二次光学设计,会有所损失),到达路面时的流明数仍为6000流明,而路面的平均照度可以达到16Lux(12m高杆)。

250W高压钠灯的输出光通量为20,000流明。

但到达路面的流明数就只有7000流明。

路面的照度大约为30-40Lux,由于显色系数的差别,LED的照度修正系数为2.35倍,高压钠灯的修正系数为0.94倍。

所以100W的LED经过修正以后地面的照度为37.6Lux,而高压钠灯的修正后的照度为28.2-37.6。

二者相当。

所以,100W的LED可以取代250W的高压钠灯,LED可以节能2.5倍。

2.照射均匀度问题

的确,如果不进行二次光学设计,LED的照射是比较集中,所以一定要进行二次光路设计,使其光强呈蝙蝠形。

所以这个问题是很容易解决的。

3.LED的光衰问题

现在有的商家,为了降低成本,就采用几百只φ5的小功率LED。

然而这种小功率的LED的光衰是非常严重的,按照其光衰至80%的寿命只有1000小时。

所以,作为需要长期使用的路灯是绝对不能允许采用这种小功率LED的。

作为大功率LED,其光衰就要好很多。

然而国内不少厂家也还是只能做到10000小时下降10%。

远远不能满足使用要求。

实际上,LED寿命问题主要是由于长期在高温下工作而形成的问题。

在不同结温时的寿命如下图所示:

当结温从115℃提高到135℃,就会使寿命从50,000小时降低到20,000小时。

目前来说,在LED的发光效率还没有提高到极高的程度,还只能尽量改善其散热来延长LED的寿命。

台湾的一家光炬科技有限公司(LightTorchTechnology)已经很好地解决了这个问题。

他们采用了回路热管(LHP)冷却技术来散热。

采用了回路热管散热技术可以把LED的结温降低到65℃,这就大大地提高了LED灯具的使用寿命。

他们经过了3年实际测试表明,在每天工作12小时,其光衰小于3%。

预计在工作十年以后,其光衰只有20%。

这就基本上解决了寿命的问题。

4.LED发光量的稳定问题

这个问题实际上是由电池放电的降压和LED的温度特性造成。

通常蓄电池的放电过程大约有10%以上的压降。

对于一个1W的LED,假如正向电压从3.4变到3.1V,其正向电流将会从350mA降低至100mA。

即改变250mA。

其输出光通量将会降低60%左右。

此外,通常LED的伏安特性具有负温度系数,大约为-2mV/℃。

如果环境温度变化50℃,那么正向电压就有可能变化0.1V。

对于一个1W的LED,其正向电流就有可能变化100mA,即从350mA降低至250mA。

而其发光量也会降低20%。

相当于随温度变化的光衰。

为了彻底解决这个问题,就必须要采用恒流芯片来保持LED的正向电流不变。

PAM2842是一种可以供给30个1瓦LED的恒流控制芯片,它可以在不论是由温度变化还是由电池放电所引起的电压变化情况下,保持LED的正向电流在3%以内。

也就是可以保持其短期光衰在3%以内。

5.LED灯具的自重问题

的确,目前,大部分厂商所生产的LED灯具,其自重极重,通常都超过10公斤。

这样大的自重往往会使灯杆不胜负荷,降低了其抗风能力。

这主要是由于采用了巨大的散热器而造成的。

同样假如采用热管作为散热器,就可以大大减轻其重量。

光炬科技公司所生产的100W的LED灯具(LT-100-W2),其自重只有5.5公斤.而能够完全取代250瓦的高压钠灯。

因为其自重很轻,所以可以采用12m高杆,因为采用蝙蝠形的二次光路,其照射范围可以达到66m。

6.LED灯具的造价问题

目前由于LED本身的单价比较高,所以整个LED的成本比较贵。

但是,由于LED在技术上的进步很快。

其成本降低也很快。

现在1W的LED单价大约在8元人民币左右,100个也只不过800元。

整个灯具的单价会在2000元左右。

而太阳能灯具的单价也可以控制在4500元左右。

其实对于LED灯具,不应该只考虑其单个灯具的单价,而应该考虑其整条线路的工程投资,不应该只考虑其初始投资,而应该考虑其营运投资。

假如采用太阳能路灯,那么其每年的节省远远超过其初始投资。

下面举一个例子来说明:

假定普通高压钠灯每个单价为1500元,而太阳能100瓦LED灯具每个单价13,500元。

假定其照射范围可以达到66米。

那么对于3公里、5公里和10公里这三种不同的距离,我们来比较一下它们的初始投资(灯具),架设成本(只考虑电缆,还没有考虑变压器)和营运成本(电费)。

其结果如下表所示:

所以,五年下来,采用太阳能LED路灯,可以节省总开支分别为1.78万、33.4万、和246万元。

其节省是十分可观的。

所以,综上所说,LED路灯在技术上的关键问题就是要采用回路热管散热和采用恒流芯片稳流。

希望国家应当把它制定为标准。

这样LED路灯就可以大面积推广了。

道路照明用高效LED的可靠性研究

1.引言

近年来,在户外照明领域,新型LED路灯正引起众多产业界和投资者的关注,全国有数百家企业推出了各自的LED路灯产品,几乎各个城市都有或多或少的LED路灯已经安装到城市的干道上。

然而在众多的产品序列中,良莠不齐,一些产品仍欠完善,其中问题最大的是LED路灯的整体可靠性。

LED道路照明系统不同于传统照明灯具,相对要复杂得多,影响整体可靠性的因素也多。

参见图

(1)。

在研究其系统可靠性时必须考虑其固有的特点。

1)光源模块本身的技术指标受多种因素的制约

2)光源模块的参数离散性很大

3)器件可靠性对散热的依赖性极大

4)LED的驱动电源设计寿命远落后于LED光源

在众多因素中,LED发光器件本身的性能指标无疑是决定灯具光效、寿命等性能的最主要部件,也是目前最受人关注的研究方面。

为了改进性能和提高可靠性,我们对影响LED发光器件可靠性的主要因素进行分析研究,初步探讨了LED光源的失效机理。

2.LED芯片的固晶热阻分析

固晶热阻是芯片与基座间的固晶层引入的热阻,对芯片的散热效果有很大影响,是总的封装热阻的主要组成部分,目前对不同材料的固晶热阻的分析一直停留在数值仿真阶段。

现有的热阻测试设备并无法区分各部分引入的热阻,而实际工艺中往往需要对固晶热阻进行评价,为此,我们从前向电压法出发研制的动态结温测试方法,能有效地分析固晶层热阻的新方法。

目前遇到的很多类固晶材料,这些材料的热导率从0.2~60 W/K·m不等,使用不同材料封装时引入的固晶热阻不同,为了研究固晶热阻随热导率的变化关系,我们对一个简单模型内的固晶热阻做了数值仿真分析,忽略芯片自身的温度梯度,结构为1x1x0.1mm的1WLED芯片固晶于30x30x5mm的铝基板上,环境温度为20℃,固晶层厚25μm。

固晶材料热导率为18W/K.m时,通过专业热仿真软件仿真得到芯片及基板局部温度分布如图2所示,芯片温度为54.06℃,基板温度为52.77℃,此时固晶热阻为1.29K/W。

设置固晶层材料热导率从2~60W/K.m变化,仿真得到固晶热阻如图3中曲线变化。

图2热仿真温度分布图

图(3)固晶热阻随固晶材料热导率的变化(固晶层厚25微米)

可以看到固晶热阻与固晶材料的导热率有关,固晶层厚度为25微米时,固晶材料的热导率增大时固晶热阻不断减小,在材料热导率达到22 以上时,热阻小于1,之后热阻随材料热导率的增加变化不如前期明显。

然而在实际的封装参数测试中,会发现期间的封装热阻比理论计算值要大许多,这其中的原因一是固晶材料的导热率实际值与厂家给出的额定值有偏差,例如用银胶固晶,此偏差与银胶材料的保存、涂覆、固化工艺有关。

另一原因是固晶厚度的控制远非理想情况。

一般来讲,固晶热阻与固晶层厚度成正比关系,因此基座材料的表面平整度,胶体固化后内部的微气泡、杂质,厚度的偏离多会造成固晶热阻的上升。

为考察实际固晶层的质量,对一批相同工艺、相同材料封装、不同热阻参数的LED器件解剖分析。

图5和图6是其剖面图,银胶的导热率约为12 。

由图可见固晶层的实际厚度在同一批次的产品中都会有不同的数值,且差距不小。

 

图(4)固晶层剖面图(固晶层厚15微米

图(5)固晶层剖面图(固晶层厚60微米)

图(4)所示的固晶层热阻小于1.25K/W,而图(5)所示的固晶层热阻达到5K/W以上,这还只是理论的计算,实测其热阻值会更大。

这类LED器件在路灯中使用无疑将对整灯系统的寿命产生不利影响。

由此可见,在选择固晶材料时需要综合考虑热导率及固晶层可以达到的最小厚度,而封装工艺则需考虑如何保证固晶层尽可能地薄,并且能保持一致。

因此目前一些固晶材料(如Sn80Au20)不仅热导率很高,由于使用共晶焊工艺,固晶层厚度也比传统的银胶薄,散热效果要好于传统银胶固晶。

3.LED的可靠性分析

发光二极管的失效表现为突变失效和缓变失效,突变失效主要由静电击穿、金线断裂、固晶材料老化等引起,缓变失效的原因比较复杂,包括荧光粉及芯片的物理失效。

在功率型发光二极管应用中,影响寿命的两个主要应力是温度和电流,因此本试验中利用温度和电流两个应力分别对器件进行加速老化,分析寿命分别和温度、电流的关系。

只考虑温度时可以使用Arrhenius模型。

,其他电流下的寿命也可由表达式推出。

加速老化试验可以选择温度或电流加速老化,温度加速老化时,选择两个以上不同温度T1,T2进行老化试验,得到两个不同温度下的寿命,根据Arrhenius模型中寿命与温度的关系可以拟合得到反应的激活能Ea及系数A,由此可以推断出其他温度下的寿命;电流加速老化时同样在相同温度下选择两个以上不同的电流I1,I2进行试验,拟合得到系数B及指数

我们对2批不同的大功率LED进行了加速老化测试,在不同应力条件下,光通量的衰减速率不同的,根据反应速度论模型的分析,光通量将以指数形式衰减,衰减速率为反应速率为R(T,S1,S2,…),以σ定义的寿命

 ,定义光通量衰减至70%的时间为发光二极管的寿命,根据拟合的衰减曲线可以推断出不同温度下发光二极管的寿命

 。

表格1不同应力条件下LED的寿命

对不同结温下的寿命数据进行指数拟合,可以得到寿命随温度的变化曲线:

 ,可以得出这类发光二极管的性能退化的激活能Ea为1239K,并且可以预测其他温度下发光二极管的寿命,如T=30℃时

寿命小时。

4. 结论

芯片的固晶技术是LED封装的一个重要方面,固晶质量对散热性能有很大的影响,不同的固晶材料由于热导率不同,而采用合适的工艺,保证固晶层的厚度也显得尤为重要,同时正确地对封装热阻的测试技术也是提高大功率LED封装质量不可或缺的手段。

对通过一定外加应力情况下老化,得到了不同应力下功率型发光二极管的寿命,应用反应速率模型推断出发光二极管的寿命随温度或电流的变化,对于预测不同种类和质量的LED的寿命是一个较为可靠的参考。

实用电源设计Q&A系列之四——面向固态照明应用的高功率LED

Q1:

功率LED和现在我们使用的传统光源相比效率如何?

A1:

自从上个世纪60年代LED问世以来,LED的发光效率不断提高,功率LED发光效率已经达到了50-70流明/瓦,现在普遍采用的传统光源,例如荧光灯,发光效率为50-70流明/瓦,白炽灯为15-20流明/瓦,露宿灯为25-30流明/瓦,从以上参数看,功率LED发光效率比传统光源更具优势和发展潜力。

Q2:

路灯应用方面应该选择怎样的方案:

请从价格、可靠性、光效等方面予以解释。

A2:

LED应用于路灯是一个崭新的应用,路灯通常有10几米高,亮度要达到几千流明,也就是说在一定的高度和区域,其照度和亮度要达到一定的要求,所以选择高亮度和高发光效率的LED是必须的,因此会间接的节约LED的成本。

举例来讲,使用高亮度和高发光效率的LED和使用低亮度低效率的LED相比,在生产成本和产品成本方面有很大的区别;第二,LED具有高效、节能、安全、可靠的特点,因为路灯的使用寿命要求很长,要达到这一要求,高可靠性、良好的光衰减特性是确保路灯的长寿命、降低生产成本和维护成本的关键条件,因此LED应用于路灯必须具备高光通亮、高可靠性和良好的光衰减特性。

至于价格方面,LED应用于路灯以太阳能居多,LED的成本与路灯的成本相比并不是影响总成本的组成部分,所以目前LED的价格与路灯的成本之间并不存在什么障碍。

Q3:

什么是功率LED?

A3:

功率LED是指电流比较大的LED,通常把输出功率大于0.5W的LED叫高功率LED,从工作电流衡量,我们把大于550毫安的LED称之为功率LED。

Q4:

能列举一些功率LED作为主要光源被应用于照明领域的例子吗?

A4:

目前高功率LED在市场上应用越来越广泛,LED应用于照明方面实例非常多,比如便携式产品中的路灯和手电筒,路灯每年的销售量和产量达到700万,大多数的矿灯已经完全采用LED光源,在手电筒的应用中,部分采用了大功率的LED。

除了便携式产品之外,在景观照明、户外照明和特殊照明方面也采用了高功率的LED作为照明光源,例如洗墙灯、草坪灯、市内气氛照明、市外环境照明、建筑物照明等等,可以看出功率LED在不同领域已经有不同的应用。

总体来说,在便携式的产品里应用已经很普遍,在景观照明和户外照明方面开始有大的发展,预计不久的将来,LED也会逐渐走进通用照明,比如市内照明而代替目前的白炽灯或日光灯管。

Q5:

什么时候我们有望看到功率LED被广泛应用于照明领域?

A5:

根据赫兹定律,LED发光效率每10年会增长20倍,成本将降低到原来的1/10,所以预计在2010年LED将完全取代传统光源,广泛应用于通用照明市场。

Q6:

LED与传统光源在那些方面相对应更具环保性?

A6:

电能的产生通常是通过燃烧煤或燃油等燃料转化来的,燃料在燃烧过程中产生二氧化碳有害气体而导致温室效应,作为LED尤其是高功率LED,因其高效节能的特点被应用于照明系统将会有效的减少能量消耗,减少有害气体的排放,从而减少温室效应,另外和日光灯管相比,LED内不包含汞等有害金属元素。

Q7:

MCU在固态照明应用上会扮演何种角色,相关应用的市场需求如何,哪些是必备的功能?

A7:

MCU在LED应用方面是需要的但不是必须的,不管是小功率LED还是大功率LED,都需要LED驱动器,也就是LEDDriver,在许多应用中,比如便携式产品应用,往往需要LED驱动器而不采用MCU,之所以这样做是因为便携式产品结构简单,而MCU只是信号处理和数据存储,LED则需要大电流驱动,MCU不能直接驱动LED,如果采用MCU就必须采用LED驱动器,所以在便携式产品和简单的LED应用中不会采用MCU,但并不是说MCU在照明领域没有用武之地,在系统照明设立,比如有灯光亮度调节和颜色调节的产品里MCU是不可少的,随着LED技术的不断成熟,LED将越来越多的被更多领域接受和采用,MCU也会被很多照明领域采用。

Q8:

高功率的应用前景的确广泛,合理的销售价格才是大规模应用的基础条件。

因此想了解目前高功率每瓦的流明数极其相应的价格,以及3年内的性价比走向。

A8:

价格和性能是大规模应用的基础条件,预计在2007年LED的发光效率会在50-70流明/瓦,价格约为3美分/流明,在2008年,发光效率会达到70-80流明/瓦,价格约为2-2.5美分/流明,到2009年会达到80-100流明/瓦,价格会降到2美分/流明。

Q9:

目前普通照明主要的技术难题是什么?

A9:

目前LED应用于普通照明的技术难题有以下几个方面:

1.发光效率;2.散热;3.光特性;4.LED驱动器。

LED的发光效率一般是50-70流明/瓦,这个发光效率并不是很高,和传统光源相比没有很大的优势,只能说有发展潜力,预计在将来LED的发光效率达到120流明/瓦的时候,将完全取代传统光源,因此发光效率是困扰LED普遍应用的关键因素,由于发光效率比较低,LED的使用范围就较小,所以生产量和销售量受到很大程度的影响,在生产成本上有所加大,导致LED的售价较高,不能被广泛接受;二是散热,散热是困扰设计工程师的关键性问题,一个产品如果散热没有处理好,性能和寿命会受到严重的影响;三是光特性,传统的日光灯和白炽灯是面光源,它的发光强度很高但是发光效率很低,这种光特性完全适合眼睛承受的条件,LED由于发光体积小,所台我们认为它是点光源,虽然它的光通亮比较小但发光强度很高,所以在LED用于传统照明的时候要对光特性做处理,这也是目前存在的问题;四是LED驱动器,目前市场上的LED驱动器是DC-DC的LED驱动器,怎样把AC转化成LED使用的衡流源是摆在设计师面前的问题,以上就是目前LED应用于普通照明的几大技术难题。

Q10:

如何解决发热问题?

A10:

刚才讲到发热问题是目前技术工程师面临的问题之一,如何解决发热问题,可以从以下几个方面着手:

一,选择合适或竞争优越的LED,不同公司生产的LED性能是不相同的,目前LED的发光效率不算很高,很多电能都转化为热能,而白炽灯或日光灯管的热能是散到环境中,LED由于本身的特性,热能很难释放到外界环境中,因此选择合适的或性能优越的LED是最关键的,那什么样的LED才是合适的呢:

一是看内部热度的大小,内部热度小散热效果越好,我们公司的大功率LED热度大概是8°C/瓦或更低;二是看它的封装形式,由于LED的散热体积小,要解决散热问题就要考虑散热途径,我们公司的LED是工艺型封装形式,它本身自带一块大的散热片,散热途径和散热面积相对较大,这样的LED是解决散热问题的最好选择;第三是外加散热片,怎样加散热片和加多少,可以根据LED的特性进行设计,如果采用我们公司的散热片,我们会为您设计专门的散热方案,外加散热片和LED之间我们考虑要将他们紧密接触,在应用过程中要确保LED的散热片和外加散热片的接触面积足够大,才能使热顺畅的释放到外部环境中去。

以上就是解决散热问题的几个方面。

Q11:

目前客户对不带PCB板的功率LED产品需求情况怎样?

即插即用型LED照明方案目前还面临哪些技术挑战或商业挑战?

应该怎样去解决?

A11:

通常高功率LED带有的PCB往往是累积板,它的主要作用是散热,在大多数应用中客户更倾向于使用带PCB的LED,当然在有些应用中,客户的产品本身也考虑散热问题,采用更高规格的LED,因此带不带散热片取决于客户的目标应用。

作为即插即用型LED照明方案虽然具有良好的散热、安装方便等优点,但单一的结构和封装不能满足灵活多样的产品需求,另外成本压力也是目前面临的一个挑战,摆在我们面前的课题是提供更多封装形式和外观结构的LED模块。

Q12:

当今的LED照明应用对LED驱动IC提出了哪些新的要求?

如何评价市场上的LED驱动IC?

LED驱动IC的未来发展趋势是怎样的?

A12:

随着高功率LED的广泛应用,与之对应的LED驱动器的需求量也随之越来越大,目前市场上的LED驱动主要是针对小功率的LED恒流源或恒压源,所以尽快推出驱动IC已经成为市场发展的趋势,由于LED为电流型驱动器件,所以与之对应的LED驱动也应该是恒流源,在许多应用中往往是多颗LED组合在一起,所以LED驱动器也需要多通道输入。

目前更高规格的LED越来越多的被采用,大电流高功率输出是对LED驱动IC的另一要求,此外高转换效率,良好的热处理也是LED驱动起器的基本条件,由于高功率LED会逐渐应用于通用照明领域,直接转换成LED可用的恒流源,这也是今后发展的又一方向。

虽然市场上存在这样的恒流源,但是出于安全和其他方面的局限,使LED驱动器显得力不从心,不能被广泛采用。

所以尽快开发出由220V电转换成LED可用的恒流源,是很多IC厂商面临的又一重要课题。

Q13:

请问在从低功率向高功率研制,其主要的技术瓶颈有那些?

A13:

从低功率LED向高功率LED研制,其主要的技术瓶颈有以下几个:

一是产品设计,包括芯片的设计和封装的设计;二是LED能否承受高电流量。

Q14:

目前高功率价格较高的主要原因是什么?

A14:

高功率LED价格较高的原因是:

因为它的应用范围有限,所以LED的芯片处在比较高的价位,但是以目前市场上的趋势来看,很多照明设备的生产商已经开始将LED作为主要光源,所以基于这一点,LED的价格有望在2010年达到一个合理的水平,那时高功率LED可以取代传统光源。

Q15:

用的光亮度现在能替代普通的日照灯了吗?

A15:

以目前的情况来看,LED芯片的亮度和效率已经超越了传统的日光灯了。

在普通照明领域,还是以日光灯为主,LED要取代日光灯还有一定的距离,有望在2009或2010年达到这样的目标。

Q16:

大功率如何能提高输出功率,提高电流还是扩大芯片尺寸,这两种方法都会使发光效率降低,有没有解决方案?

A16:

大功率LED在生产和制造方面,如果用传统的小功率LED转换成大功率的LED并不是一个很好的方法,因为提高电流或是扩大芯片的尺寸,这两种方法都会使发光效率降低,从小功率迈向大功率最主要的方法是重新设计芯片,大功率最主要的技术瓶颈是如何处理热能,所以在芯片设计方面最主要的是要解决散热问题和发光效率。

Q17:

大功率使用上的亮度、成本、寿命和价格比,与目前的节能灯相比,具备哪些优势?

我见过一些路灯,晚上的光线看起来渗得很,甚至有点恐怖,亮度也不高,在色温和亮度上,未来的技术和工艺能达到什么水平?

A17:

大功率使用上的亮度、成本、寿命和价格比,与目前的节能灯相比,从亮度方面看,LED和目前的节能灯相比相差不大,因为目前LED的发光效率并不是很高,预计在2010年LED的发光效率会超过节能灯;成本方面,LED的用量较少,所以成本较高,与节能灯相比价格较高;寿命方面,LED作为冷光源,使用寿命会达到10万小时,一般的LED也可以达到5万小时,所以LED比一般的日光灯更具优势。

有些路灯效果不好,是因为目前的LED亮度相对比较低,另外,现在某些日光灯的生产厂商在选择LED的时候并不是性能很高的LED,比如安华高公司的LED或其他国际知名品牌的LED在亮度及光效方面是比较差的,或者在光衰减方面也是比较差的,所以会出现这些问题,颜色惨谈可能是因为色温选择上有问题,一般来讲,作为路灯色温必须均匀,色温必须满足一定的范围,不能偏红、偏蓝,特别是不能偏蓝,颜色看起来惨谈估计是色温偏蓝和偏高,这是目前路灯存在的一些问题。

Q18:

请问高功率的固态照明技术,国内外在交通警示灯方面的应用发展和前景如何?

在安全照明方面应用发展和前景如何?

A18:

目前在

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