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LED照明將會(huì)取代主流的白熾照明和其他照明技術(shù)，占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)位置。但從舊技術(shù)到新技術(shù)的轉(zhuǎn)換還需要多年時(shí)間。在此期間，LED燈設(shè)計(jì)師所面臨的挑戰(zhàn)是如何確保新設(shè)計(jì)與原本為白熾照明開發(fā)的現(xiàn)有控制器和布線架構(gòu)實(shí)現(xiàn)兼容和可靠工作。本文所介紹的是可同時(shí)適用于低功率和高功率LED照明系統(tǒng)的解決方案，它久經(jīng)考驗(yàn)，非常成熟。 LED燈泡的構(gòu)造 一個(gè)LED燈包含一個(gè)到十幾個(gè)甚至更多的LED芯片，它們通常串聯(lián)在一起。每個(gè)芯片的發(fā)光亮度由通過其中的電流大小決定。由于采用串聯(lián)連接方式，燈泡內(nèi)每個(gè)LED芯片會(huì)自動(dòng)通過相同的電流，但每個(gè)芯片上的電壓各不相同。LED的正向電壓降通常為3.4V，但會(huì)在2.8V到4.2V之間變化。可以對(duì)LED進(jìn)行分類以限制電壓變動(dòng)幅度，但這會(huì)增加成本，并且正向電壓降仍會(huì)隨溫度和使用時(shí)間發(fā)生變化。要想提供一致的光輸出，LED燈必須由嚴(yán)格規(guī)定的高效恒流電源驅(qū)動(dòng)。作為白熾燈的替代品LED燈，該電源必須集成在燈殼內(nèi)。 典型集成LED燈包括驅(qū)動(dòng)電路、LED集束以及可同時(shí)為驅(qū)動(dòng)器和LED芯片提供機(jī)械保護(hù)和散熱的外殼。 LED驅(qū)動(dòng)器的要求非常嚴(yán)格。它必須是高效節(jié)能的，必須滿足嚴(yán)格的EMI和功率因數(shù)規(guī)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(diào)光功能。由于LED燈的特性與專為白熾燈所設(shè)計(jì)的調(diào)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(xiàn)為啟動(dòng)速度慢、閃爍、光照不均勻、或在調(diào)整光亮度時(shí)出現(xiàn)閃爍。此外，還存在各個(gè)單元性能不一致以及LED燈發(fā)出可聞噪聲等問題。這些負(fù)面情況通常是由誤觸發(fā)或過早關(guān)斷控制器以及LED電流控制不當(dāng)?shù)纫蛩毓餐斐傻摹?/font> 調(diào)光控制器 照明控制器以線路調(diào)光或PWM調(diào)光的方式進(jìn)行工作。最簡(jiǎn)單的線路調(diào)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(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量問題。更先進(jìn)的線路調(diào)光器是電子前沿或后沿調(diào)光器。PWM調(diào)光器則用于專業(yè)照明系統(tǒng)。 使用前沿可控硅調(diào)光器時(shí)，調(diào)光控制是通過改變可控硅導(dǎo)通每個(gè)半周期的相位角來實(shí)現(xiàn)的。燈泡的輸入功率與調(diào)光信號(hào)的相位角成一定的函數(shù)關(guān)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(shù)之一是維持電流(IH)。這是可控硅在不使用柵極驅(qū)動(dòng)的情況下保持導(dǎo)通所必須維持的最小負(fù)載。為維持可控硅的穩(wěn)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(diào)光器通常有一個(gè)規(guī)定的最小負(fù)載，230V額定交流電壓下通常為40W。這是為了確保流經(jīng)內(nèi)部可控硅的電流始終高于所規(guī)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(gè)問題。 另一個(gè)潛在問題是浪涌電流。可控硅導(dǎo)通時(shí)，高浪涌電流會(huì)流入LED燈。最差情況就是相位角達(dá)到90°，而此時(shí)AC輸入電壓達(dá)到峰值。對(duì)白熾燈來說，浪涌電流不會(huì)構(gòu)成問題。但在LED燈中，驅(qū)動(dòng)器的輸入級(jí)阻抗和線路電容會(huì)造成振蕩。發(fā)生振蕩時(shí)，可控硅電流將立即降到維持電流以下，使可控硅停止導(dǎo)通。 要想解決這些問題，就必須修改LED驅(qū)動(dòng)器的規(guī)格和設(shè)計(jì)。 非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器 圖1所示為可用于替換白熾燈的LED燈的非隔離式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器的基本應(yīng)用電路圖。下面將介紹驅(qū)動(dòng)器的功能，以便闡明該驅(qū)動(dòng)器在成為可控硅調(diào)光器的負(fù)載時(shí)將會(huì)出現(xiàn)的問題。 
該控制器是Power Integrations(PI)推出的LinkSwitch-PL器件。它在一個(gè)單片IC上集成了高壓功率MOSFET開關(guān)和電源控制器。該器件提供單級(jí)功率因數(shù)校正(PFC)和LED電流控制。該電路可用作非連續(xù)模式、可變頻率、可變導(dǎo)通時(shí)間反激式轉(zhuǎn)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(jìn)行開關(guān)。次級(jí)繞組上產(chǎn)生的電壓在變成LED負(fù)載之前會(huì)被整流和平滑。LED負(fù)載電流還流經(jīng)檢測(cè)電阻RSENSE。RSENSE上產(chǎn)生的電壓(典型值為290mV)會(huì)通過RF出現(xiàn)在反饋(FB)引腳，從而提供精確的恒流反饋控制。DES和RES為L(zhǎng)inkSwitch-PL供電，DZOV和ROV在LED開路時(shí)提供過壓保護(hù)。 本設(shè)計(jì)中的輸出電流與電源變壓器的特性無關(guān)。電感變化對(duì)恒流特性無任何影響。因此，這能使恒流特性具有非常嚴(yán)格的容差，這在單級(jí)轉(zhuǎn)換器中非常突出。 在執(zhí)行調(diào)光控制時(shí)，LinkSwitch-PL器件會(huì)同時(shí)檢測(cè)輸入電壓過零點(diǎn)和可控硅調(diào)光器的導(dǎo)通角。輸入電壓過零點(diǎn)的檢測(cè)是通過漏極節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成的。控制電路會(huì)處理此數(shù)據(jù)并設(shè)定需要的反饋電壓，從而設(shè)定LED負(fù)載電流。 浪涌電流 如圖1所示，驅(qū)動(dòng)器對(duì)可控硅控制器構(gòu)成高阻抗、大電容負(fù)載。此外，還將有電容和電感所構(gòu)成的輸入EMI濾波電路。在每個(gè)半周期，都會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，從而造成振蕩(如上所述)。 要想實(shí)現(xiàn)無故障的調(diào)光工作，驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(diào)光LED驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)交流電源可控硅調(diào)光器可將輸出電流減小1%(3mA)，并且不會(huì)造成LED負(fù)載不穩(wěn)定或閃爍。該驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)兼容低成本的可控硅調(diào)光器和更復(fù)雜的電子前沿及后沿調(diào)光器。 該驅(qū)動(dòng)器的功能增加了輸入EMI濾波和三個(gè)可控硅調(diào)光所特有的元件：一個(gè)無源衰減電路、一個(gè)有源衰減電路和一個(gè)泄放電路。 輸入EMI濾波可確保符合IEC環(huán)形波和EN55015傳導(dǎo)EMI規(guī)定。然而，關(guān)鍵點(diǎn)在于LinkSwitch-PL控制器集成了內(nèi)置的頻率抖動(dòng)特性。該特性可分散開關(guān)頻率和降低EMI峰值，使EMI濾波電路的尺寸遠(yuǎn)低于正常要求。這有助于大幅減小對(duì)可控硅帶來的電感性負(fù)載，從而降低發(fā)生振蕩的可能性。 電阻R20構(gòu)成無源衰減電路。有源衰減電路在每個(gè)交流半周期通過輸入整流管連接串聯(lián)電阻(R7和R8)，在剩下的交流周期則通過并聯(lián)可控硅整流器 (Q3)繞過該電阻。電阻R3、R4和C3決定Q3導(dǎo)通前的延遲時(shí)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(gè)半周期可控硅導(dǎo)通時(shí)，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(dǎo)通角較小的情況下。對(duì)于非調(diào)光應(yīng)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(qū)動(dòng)器 圖2中的驅(qū)動(dòng)器針對(duì)低功率、電氣非隔離式集成LED替換燈專門優(yōu)化過。PI針對(duì)要求電氣隔離的更高功率LED照明系統(tǒng)，推出了LinkSwitch-PH控制器。圖3所示(詳見本刊網(wǎng)站)為使用LinkSwitch-PH的隔離式LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖。
圖3：14W可控硅調(diào)光的高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器的電路圖 該電路能夠在90VAC至265VAC的輸入電壓范圍內(nèi)對(duì)28V的額定LED串電壓提供0.5A驅(qū)動(dòng)電流，其特性包括超寬調(diào)光范圍、無閃爍工作(即使使用低成本的交流輸入可控硅調(diào)光器)以及快速平滑的導(dǎo)通。 它所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是運(yùn)行于連續(xù)導(dǎo)通模式下的隔離反激式結(jié)構(gòu)。輸出電流調(diào)節(jié)完全從初級(jí)側(cè)檢測(cè)，因此無需使用次級(jí)反饋元件。單級(jí)內(nèi)部控制器調(diào)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(shù)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(fù)載串聯(lián)的檢測(cè)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(xiàng)功能：經(jīng)由旁路(BP)輸入對(duì)LinkSwitch-PH供電，經(jīng)由反饋(FB)輸入提供電流反饋。LinkSwitch-PH提供的另一個(gè)重要輸入是電壓監(jiān)測(cè)(V)。該引腳與外部輸入電壓峰值檢測(cè)器接口相連，后者由D1、C3、R1、R2和R3構(gòu)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(hào)以控制輸出電流和遠(yuǎn)程開/關(guān)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(qū)動(dòng)器的性能都決定著最終用戶的照明體驗(yàn)，包括啟動(dòng)時(shí)間、調(diào)光、無閃爍工作和各單元之間的一致性。14 W驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)在115 VAC和230 VAC下兼容各種調(diào)光器并兼容盡可能寬的調(diào)光范圍。因此，衰減電路和泄放電路會(huì)起到相對(duì)積極的作用，但這會(huì)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(diào)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(chǎng)潛力的不斷擴(kuò)大，上述設(shè)計(jì)折衷凸顯出了一系列哲學(xué)問題。既然新技術(shù)的功耗只是舊技術(shù)的十分之一，在會(huì)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(shí)現(xiàn)兼容？當(dāng)使用一個(gè)最低負(fù)載規(guī)格為40W的1000W可控硅控制器提供驅(qū)動(dòng)時(shí)，我們能否讓一個(gè)5W LED燈正確工作呢？是的，這是可以做到的，也許應(yīng)該盡快做到。但我們必須謹(jǐn)記，完整照明解決方案的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大效率和最低生命周期成本。 來源：半導(dǎo)體照明網(wǎng) 白光LED溫升問題的解決方法 過去LED 業(yè)者為了獲得充分的白光LED 光束，曾經(jīng)開發(fā)大尺寸LED芯片 試圖藉此方式達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。不過，實(shí)際上白光LED的施加電力持續(xù)超過1W以上時(shí)光束反而會(huì)下降，發(fā)光效率相對(duì)降低20~30%。換句話說，白光LED的亮度如果要比傳統(tǒng)LED大數(shù)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(fā)光效率，以及發(fā)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(fā)光效率的方法是改善芯片結(jié)構(gòu)、采用小型芯片；至于發(fā)光特性均勻化的方法是改善LED的封裝方法，這些方法已經(jīng)陸續(xù)被開發(fā)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(huì)造成封裝的熱阻抗急劇降至10K/W以下，因此國(guó)外業(yè)者曾經(jīng)開發(fā)耐高溫白光LED，試圖藉此改善上述問題。然而，實(shí)際上大功率LED 的發(fā)熱量比小功率 LED高數(shù)十倍以上，而且溫升還會(huì)使發(fā)光效率大幅下跌。即使封裝技術(shù)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(yè)者終于領(lǐng)悟到解決封裝的散熱問題才是根本方法。 有關(guān)LED的使用壽命，例如改用硅質(zhì)封裝材料與陶瓷封裝材料，能使LED的使用壽命提高一位數(shù)，尤其是白光LED的發(fā)光頻譜含有波長(zhǎng)低于450nm短波長(zhǎng)光線，傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂封裝材料極易被短波長(zhǎng)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(jù)業(yè)者測(cè)試 結(jié)果顯示，連續(xù)點(diǎn)燈不到一萬小時(shí)，高功率白光LED的亮度已經(jīng)降低一半以上，根本無法滿足照明光源長(zhǎng)壽命的基本要求。 有關(guān)LED的發(fā)光效率，改善芯片結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu)，都可以達(dá)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(shí)，不但不容易從大型芯片取出光線，結(jié)果反而會(huì)造成發(fā)光效率不如低功率白光LED的窘境。如果改善芯片的電極構(gòu)造，理論上就可以解決上述取光問題。 設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問題 有關(guān)發(fā)光特性均勻性，一般認(rèn)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(shù)，應(yīng)該可以克服上述困擾。如上所述提高施加電力的同時(shí)，必需設(shè)法減少熱阻抗、改善散熱問題。具體內(nèi)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(guó)外LED廠商將LED芯片設(shè)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(dǎo)線連接到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷的散熱器上。根據(jù)德國(guó)OSRAM Opto Semi conductors Gmb實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，上述結(jié)構(gòu)的LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統(tǒng)LED的1/6左右，封裝后的LED施加2W的電力時(shí)，LED芯片的接合溫度比焊接點(diǎn)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(huì)受到印刷電路板溫度的影響。因此，必需設(shè)法降低LED芯片的溫度，換句話說，降低LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗，可以有效減輕LED芯片降溫作用的負(fù)擔(dān)。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu)，如果熱量無法從封裝傳導(dǎo)到印刷電路板的話，LED溫度上升的結(jié)果仍然會(huì)使發(fā)光效率急劇下跌。因此，松下電工開發(fā)印刷電路板與封裝一體化技術(shù)，該公司將1mm正方的藍(lán)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(zhì)印刷電路板表面，根據(jù)松下報(bào)導(dǎo)包含印刷電路板在內(nèi)模塊整體的熱阻抗大約是15K/W左右。 各業(yè)者展現(xiàn)散熱設(shè)計(jì)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(dǎo)效果，因此印刷電路板的設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。有鑒于此美國(guó)Lumileds與日本CITIZEN等照明設(shè)備、LED封裝 廠商，相繼開發(fā)高功率LED用簡(jiǎn)易散熱技術(shù)，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(shù)也能夠?qū)⒑窦s2~3mm散熱器的熱量直接排放到外部，根據(jù)該CITIZEN報(bào)道雖然LED芯片的接合點(diǎn)到散熱器的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般環(huán)境下室溫會(huì)使熱阻抗增加1W左右，即使是傳統(tǒng)印刷電路板無冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷狀態(tài)下，該白光LED模塊也可以連續(xù)點(diǎn)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(dá)+185℃，比其它公司同級(jí)產(chǎn)品高60℃，利用傳統(tǒng)RF 4印刷電路板封裝時(shí)，周圍環(huán)境溫度40℃范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)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(diǎn)容許溫度，德國(guó)OSRAM公司則是將LED芯片設(shè)置在散熱器表面，達(dá)到9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM過去開發(fā)同級(jí)產(chǎn)品的熱阻抗減少 40%.值得一提的是該LED模塊 封裝時(shí)，采用與傳統(tǒng)方法相同的flip chip方式，不過LED模塊與散熱器接合時(shí)，則選擇最接近LED芯片發(fā)光層作為接合面，藉此使發(fā)光層的熱量能夠以最短距離傳導(dǎo)排放。 2003年東芝Lighting曾經(jīng)在400mm正方的鋁合金表面，鋪設(shè)發(fā)光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED，無冷卻風(fēng)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(jīng)驗(yàn)，因此該公司表示由于模擬分析技術(shù)的進(jìn)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(dǎo)性，或是利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷方式設(shè)計(jì)照明設(shè)備的散熱，不需要特殊散熱技術(shù)的模塊結(jié)構(gòu)也能夠使用白光LED。 變更封裝材料抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度 有關(guān)LED的長(zhǎng)壽化，目前LED廠商采取的對(duì)策是變更封裝材料，同時(shí)將熒光材料分散在封裝材料內(nèi)，尤其是硅質(zhì)封裝材料比傳統(tǒng)藍(lán)光、近紫外光LED芯片上方環(huán)氧樹脂封裝材料，可以更有效抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度。由于環(huán)氧樹脂吸收波長(zhǎng)為400~450nm的光線的百分比高達(dá)45%,硅質(zhì)封裝材料則低于1%,輝度減半的時(shí)間環(huán)氧樹脂不到一萬小時(shí)，硅質(zhì)封裝材料可以延長(zhǎng)到四萬小時(shí)左右，幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命相同，這意味著照明設(shè)備使用期間不需更換白光LED。不過硅質(zhì)樹脂屬于高彈性柔軟材料，加工時(shí)必需使用不會(huì)刮傷硅質(zhì)樹脂表面的制作技術(shù)，此外加工時(shí)硅質(zhì)樹脂極易附著粉屑，因此未來必需開發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。 雖然硅質(zhì)封裝材料可以確保LED四萬小時(shí)的使用壽命，然而照明設(shè)備業(yè)者卻出現(xiàn)不同的看法，主要爭(zhēng)論是傳統(tǒng)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(shí)間為四萬小時(shí)的LED，若換算成亮度降至30%以下的話，大約只剩二萬小時(shí)左右。目前有兩種延長(zhǎng)組件使用壽命的對(duì)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(rèn)為如果徹底執(zhí)行以上兩項(xiàng)延壽對(duì)策，可以達(dá)到亮度30%時(shí)四萬小時(shí)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(tài)下，加上強(qiáng)光照射會(huì)快速劣化，依照阿雷紐斯法則溫度降低10℃壽命會(huì)延長(zhǎng)2倍。停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因?yàn)長(zhǎng)ED產(chǎn)生的光線在封裝樹脂內(nèi)反射，如果使用可以改變芯片側(cè)面光線行進(jìn)方向的樹脂材質(zhì)反射板，則反射板會(huì)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。 |
