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LED照明將會取代主流的白熾照明和其他照明技術，占據市場主導位置。但從舊技術到新技術的轉換還需要多年時間。在此期間，LED燈設計師所面臨的挑戰是如何確保新設計與原本為白熾照明開發的現有控制器和布線架構實現兼容和可靠工作。本文所介紹的是可同時適用于低功率和高功率LED照明系統的解決方案，它久經考驗，非常成熟。 LED燈泡的構造 一個LED燈包含一個到十幾個甚至更多的LED芯片，它們通常串聯在一起。每個芯片的發光亮度由通過其中的電流大小決定。由于采用串聯連接方式，燈泡內每個LED芯片會自動通過相同的電流，但每個芯片上的電壓各不相同。LED的正向電壓降通常為3.4V，但會在2.8V到4.2V之間變化。可以對LED進行分類以限制電壓變動幅度，但這會增加成本，并且正向電壓降仍會隨溫度和使用時間發生變化。要想提供一致的光輸出，LED燈必須由嚴格規定的高效恒流電源驅動。作為白熾燈的替代品LED燈，該電源必須集成在燈殼內。 典型集成LED燈包括驅動電路、LED集束以及可同時為驅動器和LED芯片提供機械保護和散熱的外殼。 LED驅動器的要求非常嚴格。它必須是高效節能的，必須滿足嚴格的EMI和功率因數規格，并能安全地耐受各種故障條件。其中最為困難的要求之一是要有調光功能。由于LED燈的特性與專為白熾燈所設計的調光控制器之間存在不匹配，因此容易造成性能不佳。問題可能表現為啟動速度慢、閃爍、光照不均勻、或在調整光亮度時出現閃爍。此外，還存在各個單元性能不一致以及LED燈發出可聞噪聲等問題。這些負面情況通常是由誤觸發或過早關斷控制器以及LED電流控制不當等因素共同造成的。 調光控制器 照明控制器以線路調光或PWM調光的方式進行工作。最簡單的線路調光方式是前沿可控硅控制器。這是目前最常用的照明控制方式，但不幸的是，使用可控硅控制器對LED燈進行調光時會產生大量問題。更先進的線路調光器是電子前沿或后沿調光器。PWM調光器則用于專業照明系統。 使用前沿可控硅調光器時，調光控制是通過改變可控硅導通每個半周期的相位角來實現的。燈泡的輸入功率與調光信號的相位角成一定的函數關系，相位角的變化范圍介于接近0°到180°之間。 可控硅的重要參數之一是維持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅動的情況下保持導通所必須維持的最小負載。為維持可控硅的穩定工作，該電流不能為零，IH的典型值介于8mA到40mA。因此，白熾燈的相位角調光器通常有一個規定的最小負載，230V額定交流電壓下通常為40W。這是為了確保流經內部可控硅的電流始終高于所規定的維持電流閾值。由于LED照明的功耗非常低，維持電流將成為一個問題。 另一個潛在問題是浪涌電流。可控硅導通時，高浪涌電流會流入LED燈。最差情況就是相位角達到90°，而此時AC輸入電壓達到峰值。對白熾燈來說，浪涌電流不會構成問題。但在LED燈中，驅動器的輸入級阻抗和線路電容會造成振蕩。發生振蕩時，可控硅電流將立即降到維持電流以下，使可控硅停止導通。 要想解決這些問題，就必須修改LED驅動器的規格和設計。 非隔離式可調光LED驅動器 圖1所示為可用于替換白熾燈的LED燈的非隔離式可調光LED驅動器的基本應用電路圖。下面將介紹驅動器的功能，以便闡明該驅動器在成為可控硅調光器的負載時將會出現的問題。 
該控制器是Power Integrations(PI)推出的LinkSwitch-PL器件。它在一個單片IC上集成了高壓功率MOSFET開關和電源控制器。該器件提供單級功率因數校正(PFC)和LED電流控制。該電路可用作非連續模式、可變頻率、可變導通時間反激式轉換器。整流后的交流電源輸入由集成的725V功率MOSFET通過高頻變壓器進行開關。次級繞組上產生的電壓在變成LED負載之前會被整流和平滑。LED負載電流還流經檢測電阻RSENSE。RSENSE上產生的電壓(典型值為290mV)會通過RF出現在反饋(FB)引腳，從而提供精確的恒流反饋控制。DES和RES為LinkSwitch-PL供電，DZOV和ROV在LED開路時提供過壓保護。 本設計中的輸出電流與電源變壓器的特性無關。電感變化對恒流特性無任何影響。因此，這能使恒流特性具有非常嚴格的容差，這在單級轉換器中非常突出。 在執行調光控制時，LinkSwitch-PL器件會同時檢測輸入電壓過零點和可控硅調光器的導通角。輸入電壓過零點的檢測是通過漏極節點內部完成的。控制電路會處理此數據并設定需要的反饋電壓，從而設定LED負載電流。 浪涌電流 如圖1所示，驅動器對可控硅控制器構成高阻抗、大電容負載。此外，還將有電容和電感所構成的輸入EMI濾波電路。在每個半周期，都會產生浪涌電流，從而造成振蕩(如上所述)。 要想實現無故障的調光工作，驅動器必須能夠限制振蕩并防止可控硅電流降到維持電流值以下。圖2所示為具備此功能的驅動器的完整電路圖。
圖 2：用于A19白熾燈替換燈的5W、15V可控硅調光LED驅動器的電路圖 圖2中的電路提供350mA的單路恒流輸出和15V的LED串電壓。使用標準交流電源可控硅調光器可將輸出電流減小1%(3mA)，并且不會造成LED負載不穩定或閃爍。該驅動器可同時兼容低成本的可控硅調光器和更復雜的電子前沿及后沿調光器。 該驅動器的功能增加了輸入EMI濾波和三個可控硅調光所特有的元件：一個無源衰減電路、一個有源衰減電路和一個泄放電路。 輸入EMI濾波可確保符合IEC環形波和EN55015傳導EMI規定。然而，關鍵點在于LinkSwitch-PL控制器集成了內置的頻率抖動特性。該特性可分散開關頻率和降低EMI峰值，使EMI濾波電路的尺寸遠低于正常要求。這有助于大幅減小對可控硅帶來的電感性負載，從而降低發生振蕩的可能性。 電阻R20構成無源衰減電路。有源衰減電路在每個交流半周期通過輸入整流管連接串聯電阻(R7和R8)，在剩下的交流周期則通過并聯可控硅整流器 (Q3)繞過該電阻。電阻R3、R4和C3決定Q3導通前的延遲時間，然后將衰減電阻R7和R8短路。無源衰減電路和有源衰減電路可在每個半周期可控硅導通時，共同限制峰值浪涌電流。 電阻R10、R11和C6形成泄放電路，確保初始輸入電流量可以滿足可控硅的維持電流要求，特別是在導通角較小的情況下。對于非調光應用，則可以省去無源衰減電路、有源衰減電路以及泄放電路。 隔離式LED驅動器 圖2中的驅動器針對低功率、電氣非隔離式集成LED替換燈專門優化過。PI針對要求電氣隔離的更高功率LED照明系統，推出了LinkSwitch-PH控制器。圖3所示(詳見本刊網站)為使用LinkSwitch-PH的隔離式LED驅動器的電路圖。
圖3：14W可控硅調光的高功率因數LED驅動器的電路圖 該電路能夠在90VAC至265VAC的輸入電壓范圍內對28V的額定LED串電壓提供0.5A驅動電流，其特性包括超寬調光范圍、無閃爍工作(即使使用低成本的交流輸入可控硅調光器)以及快速平滑的導通。 它所使用的拓撲結構是運行于連續導通模式下的隔離反激式結構。輸出電流調節完全從初級側檢測，因此無需使用次級反饋元件。單級內部控制器調整高壓功率MOSFET的占空比，以保持輸入電流為正弦交流電，從而確保高功率因數和低諧波電流。 該電路的功能與圖2中的電路大體相似，最明顯的差異是該電路采用了電氣隔離，沒有使用與負載串聯的檢測電阻。反饋控制通過變壓器上的偏置繞組提供。反饋控制具有兩項功能：經由旁路(BP)輸入對LinkSwitch-PH供電，經由反饋(FB)輸入提供電流反饋。LinkSwitch-PH提供的另一個重要輸入是電壓監測(V)。該引腳與外部輸入電壓峰值檢測器接口相連，后者由D1、C3、R1、R2和R3構成。外加電流用于控制輸入欠壓(UV)和過壓(OV)的停止邏輯，并提供前饋信號以控制輸出電流和遠程開/關功能。該電路集成了衰減電路和泄放電路，以確保可控硅工作。 在任何LED照明裝置中，驅動器的性能都決定著最終用戶的照明體驗，包括啟動時間、調光、無閃爍工作和各單元之間的一致性。14 W驅動器可同時在115 VAC和230 VAC下兼容各種調光器并兼容盡可能寬的調光范圍。因此，衰減電路和泄放電路會起到相對積極的作用，但這會讓效率下降。即使如此，該電路的效率仍能在115 VAC下≥85%，在230 VAC下≥87%。如果不需要調光功能，可省去衰減電路和泄放電路，可取得更高的效率。 隨著LED照明市場潛力的不斷擴大，上述設計折衷凸顯出了一系列哲學問題。既然新技術的功耗只是舊技術的十分之一，在會降低效率(即增加功耗)的情況下，是否真的有必要與所有舊的可控硅控制器實現兼容？當使用一個最低負載規格為40W的1000W可控硅控制器提供驅動時，我們能否讓一個5W LED燈正確工作呢？是的，這是可以做到的，也許應該盡快做到。但我們必須謹記，完整照明解決方案的最終目標是實現最大效率和最低生命周期成本。 來源：半導體照明網 白光LED溫升問題的解決方法 過去LED 業者為了獲得充分的白光LED 光束，曾經開發大尺寸LED芯片 試圖藉此方式達到預期目標。不過，實際上白光LED的施加電力持續超過1W以上時光束反而會下降，發光效率相對降低20~30%。換句話說，白光LED的亮度如果要比傳統LED大數倍，消耗電力特性超越熒光燈的話，就必需克服下列四大課題：抑制溫升、確保使用壽命、改善發光效率，以及發光特性均等化。 溫升問題的解決方法是降低封裝的熱阻抗；維持LED的使用壽命的方法是改善芯片外形、采用小型芯片；改善LED的發光效率的方法是改善芯片結構、采用小型芯片；至于發光特性均勻化的方法是改善LED的封裝方法，這些方法已經陸續被開發中。 解決封裝的散熱問題才是根本方法 由于增加電力反而會造成封裝的熱阻抗急劇降至10K/W以下，因此國外業者曾經開發耐高溫白光LED，試圖藉此改善上述問題。然而，實際上大功率LED 的發熱量比小功率 LED高數十倍以上，而且溫升還會使發光效率大幅下跌。即使封裝技術允許高熱量，不過LED芯片的接合溫度卻有可能超過容許值，最后業者終于領悟到解決封裝的散熱問題才是根本方法。 有關LED的使用壽命，例如改用硅質封裝材料與陶瓷封裝材料，能使LED的使用壽命提高一位數，尤其是白光LED的發光頻譜含有波長低于450nm短波長光線，傳統環氧樹脂封裝材料極易被短波長光線破壞，高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化，根據業者測試 結果顯示，連續點燈不到一萬小時，高功率白光LED的亮度已經降低一半以上，根本無法滿足照明光源長壽命的基本要求。 有關LED的發光效率，改善芯片結構與封裝結構，都可以達到與低功率白光LED相同水平。主要原因是電流密度提高2倍以上時，不但不容易從大型芯片取出光線，結果反而會造成發光效率不如低功率白光LED的窘境。如果改善芯片的電極構造，理論上就可以解決上述取光問題。 設法減少熱阻抗、改善散熱問題 有關發光特性均勻性，一般認為只要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性與熒光體的制作技術，應該可以克服上述困擾。如上所述提高施加電力的同時，必需設法減少熱阻抗、改善散熱問題。具體內容分別是：降低芯片到封裝的熱阻抗、抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗、提高芯片的散熱順暢性。 為了降低熱阻抗，許多國外LED廠商將LED芯片設置在銅與陶瓷材料制成的散熱器(heat sink)表面，接著再用焊接方式將印刷電路板的散熱用導線連接到利用冷卻風扇強制空冷的散熱器上。根據德國OSRAM Opto Semi conductors Gmb實驗結果證實，上述結構的LED芯片到焊接點的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統LED的1/6左右，封裝后的LED施加2W的電力時，LED芯片的接合溫度比焊接點高18K，即使印刷電路板溫度上升到50℃，接合溫度頂多只有70℃左右；相比之下以往熱阻抗一旦降低的話，LED芯片的接合溫度就會受到印刷電路板溫度的影響。因此，必需設法降低LED芯片的溫度，換句話說，降低LED芯片到焊接點的熱阻抗，可以有效減輕LED芯片降溫作用的負擔。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結構，如果熱量無法從封裝傳導到印刷電路板的話，LED溫度上升的結果仍然會使發光效率急劇下跌。因此，松下電工開發印刷電路板與封裝一體化技術，該公司將1mm正方的藍光LED以flip chip方式封裝在陶瓷基板上，接著再將陶瓷基板粘貼在銅質印刷電路板表面，根據松下報導包含印刷電路板在內模塊整體的熱阻抗大約是15K/W左右。 各業者展現散熱設計功力 由于散熱器與印刷電路板之間的致密性直接左右熱傳導效果，因此印刷電路板的設計變得非常復雜。有鑒于此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設備、LED封裝 廠商，相繼開發高功率LED用簡易散熱技術，CITIZEN在2004年開始開始制造白光LED樣品封裝，不需要特殊接合技術也能夠將厚約2~3mm散熱器的熱量直接排放到外部，根據該CITIZEN報道雖然LED芯片的接合點到散熱器的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般環境下室溫會使熱阻抗增加1W左右，即使是傳統印刷電路板無冷卻風扇強制空冷狀態下，該白光LED模塊也可以連續點燈使用。 Lumileds于2005年開始制造的高功率LED芯片，接合容許溫度更高達+185℃，比其它公司同級產品高60℃，利用傳統RF 4印刷電路板封裝時，周圍環境溫度40℃范圍內可以輸入相當于1.5W電力的電流(大約是400mA)。所以Lumileds與CITIZEN是采取提高接合點容許溫度，德國OSRAM公司則是將LED芯片設置在散熱器表面，達到9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM過去開發同級產品的熱阻抗減少 40%.值得一提的是該LED模塊 封裝時，采用與傳統方法相同的flip chip方式，不過LED模塊與散熱器接合時，則選擇最接近LED芯片發光層作為接合面，藉此使發光層的熱量能夠以最短距離傳導排放。 2003年東芝Lighting曾經在400mm正方的鋁合金表面，鋪設發光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED，無冷卻風扇等特殊散熱組件前提下，試制光束為300lm的LED模塊。由于東芝Lighting擁有豐富的試制經驗，因此該公司表示由于模擬分析技術的進步，2006年之后超過 60lm/W的白光LED,都可以輕松利用燈具、框體提高熱傳導性，或是利用冷卻風扇強制空冷方式設計照明設備的散熱，不需要特殊散熱技術的模塊結構也能夠使用白光LED。 變更封裝材料抑制材質劣化與光線穿透率降低的速度 有關LED的長壽化，目前LED廠商采取的對策是變更封裝材料，同時將熒光材料分散在封裝材料內，尤其是硅質封裝材料比傳統藍光、近紫外光LED芯片上方環氧樹脂封裝材料，可以更有效抑制材質劣化與光線穿透率降低的速度。由于環氧樹脂吸收波長為400~450nm的光線的百分比高達45%,硅質封裝材料則低于1%,輝度減半的時間環氧樹脂不到一萬小時，硅質封裝材料可以延長到四萬小時左右，幾乎與照明設備的設計壽命相同，這意味著照明設備使用期間不需更換白光LED。不過硅質樹脂屬于高彈性柔軟材料，加工時必需使用不會刮傷硅質樹脂表面的制作技術，此外加工時硅質樹脂極易附著粉屑，因此未來必需開發可以改善表面特性的技術。 雖然硅質封裝材料可以確保LED四萬小時的使用壽命，然而照明設備業者卻出現不同的看法，主要爭論是傳統白熾燈與熒光燈的使用壽命，被定義成“亮度降至30%以下”。亮度減半時間為四萬小時的LED，若換算成亮度降至30%以下的話，大約只剩二萬小時左右。目前有兩種延長組件使用壽命的對策，分別是，抑制白光LED整體的溫升，和停止使用樹脂封裝方式。 一般認為如果徹底執行以上兩項延壽對策，可以達到亮度30%時四萬小時的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻LED封裝印刷電路板的方法，主要原因是封裝樹脂高溫狀態下，加上強光照射會快速劣化，依照阿雷紐斯法則溫度降低10℃壽命會延長2倍。停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因為LED產生的光線在封裝樹脂內反射，如果使用可以改變芯片側面光線行進方向的樹脂材質反射板，則反射板會吸收光線，使光線的取出量急劇銳減。這也是LED廠商一致采用陶瓷系與金屬系封裝材料主要原因。 |
