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高效、節能、環保、高壽命等特點使得LED成為近年來最具發展潛力的應用之一。LED在商業照明應用領域已經得到普遍的認可和接受，并開始逐漸滲透到家用照明領域，夏普、東芝、松下、NEC、歐司朗等公司都推出了各自的家用LED照明產品。但是，高昂的價格以及器件可靠性、效率、散熱設計等技術挑戰制約了LED照明在家庭應用中的普及，因此，如何突破價格壁壘，解決以上技術難題成為半導體廠商首先必須面對的問題。 成本是LED進入家用市場的最大障礙 與商業照明應用相比，龐大的消費群使得LED家庭照明市場極受關注，但家用市場對于成本極其敏感，這導致其發展速度緩慢。Maxim公司HB LED產品線業務經理Piero Bianco指出，“制約LED照明進入家庭應用的關鍵因素是成本。為了與其它技術(熒光燈是其最主要的競爭產品)爭奪市場份額，LED燈具的價格必須控制在 10至15美元以下。”德州儀器(TI)高級技術市場開拓工程師劉學超對此也有認同，“雖然LED的成本在逐步降低，但和傳統CFL節能燈相比，還有一定價格差距。” LED燈泡的高成本主要來自三個方面，包括大功率LED 光源、LED的控制芯片以及為實現良好散熱而采用的燈泡外殼材料。通過降低驅動器成本是減少整個LED系統成本的有效方法之一。據Maxim公司的 Piero Bianco介紹，利用單級變換驅動器，直接采用交流電源供電，能夠有效降低成本。另一種途徑是盡可能在驅動器中避免使用電解電容，因為LED燈的工作溫度較高，必須選用高級電解電容才能維持足夠的驅動電路使用壽命。因此，如果驅動器中不需要使用電解電容，也會節省相應的成本。該公司已經推出了一款單級變換、無需電解電容的LED燈驅動方案。 無疑，技術水平的提高將有助于推動LED照明在家庭中的成功應用。高亮度LED的發光效率在過去幾年中已得到巨大提升，隨著發光效率、使用壽命、可靠性等的不斷提升，LED照明的市場吸引力和應用價值將會不斷提高，在家庭中的采用率也將因此而逐步提高。除了價格之外，要想產品真正在家庭市場具有競爭力，高亮度LED照明解決方案還必須提供可調光的選擇。通過增加調光功能，以便用戶根據實際需要調節燈的亮度，也有助于降低功耗。 可靠性和散熱設計面臨挑戰 進行LED照明系統設計時，工程師必須應對的關鍵挑戰是在保持極高可靠性同時降低成本。安森美半導體照明及智能電網市場營銷總監鄭樂康表示，為降低家用LED照明系統的成本，設計工程師往往傾向于使用較低等級的元件，如更低額定溫度的電容或精度更低的電阻。如果在家用LED照明系統的電子驅動器部分使用較低額定溫度的電容，而這些額定溫度較低的電容很可能在使用幾年(3到5年)后失效。那么，最后的局面將會是LED照明系統中LED本身的壽命長達5萬到10萬小時(15到20年)，但電子驅動器由于可靠性問題僅能存續3到5年。因此，工程師在設計時不能以犧牲可靠性為代價，并應確保電子驅動器的可靠性和壽命與LED的可靠性和壽命匹配。 良好的散熱管理和高效驅動電路是實現高效LED照明系統的重要保障，“否則將有可能造成系統可靠性降低、光衰甚至產品失效。對于驅動部分而言，高效的熱管理同樣是必需的，通過提升轉換效率可以減少損耗，從而減少熱量的產出。從控制器的設計到組件的選擇都需要注意。”臺灣聚積科技LED照明產品線項目副經理蘇醒強調。散熱處理不當將會加速亮度衰減，進而降低產品的亮度與使用壽命。此外，由于LED照明的工作環境比較惡劣(雷擊、高溫等)，提高LED驅動電源的效率和可靠性成為設計難點。 從傳統普通照明轉向LED照明還必須滿足消費者對產品的高品質要求。立琦科技高級項目經理廖光彬認為，“LED照明的需求與傳統照明產品對電源的要求不同，因此，專門為LED照明而開發的電源設計方案顯得非常有必要。這些需求包括定電流輸出、支持Triac調光、單輸入多串輸出的設計、低輸出功率高PF值、全新的架構以滿足高功率低成本要求等。” Intersil高級應用工程師Tamara Schmitz表示，“消費者要求設計具有至少達到90的功率因數和超過80％的效率。在直流應用中，最大輸入電壓可超過約40V。在交流應用中，輸入電壓可能是120V或240V(最大277V)。高亮度LED必須通過運行在120Hz頻率的PWM進行驅動，以盡可能減少任何可見的干擾。有時還需改變頻率。除了這些設計上的限制，根據應用的不同，可以采用隔離和非隔離設計。”因此，沒有一種適合所有應用的解決方案。每個解決方案都是根據LED數量和通過 LED的電流專門定義的。根據磁性元件、所選的功率元件和輸出電容器的變化，必須對解決方案做出調整。 LED驅動器IC需實現高效率和可調光 與傳統開關電源不同，LED驅動電源需要考慮散熱、效率和調光等問題，因而對驅動器IC提出了許多不同的要求。Power Integrations(PI)公司資深產品營銷經理Bill Weiss指出，“AC/DC驅動器IC的技術發展趨勢是高可靠性、高效率、高功率因數、可調光以及小尺寸。” 據 Maxim的Piero Bianco介紹，LED應用對于AC/DC驅動器IC提出了兩個關鍵要求，這也正是它們與傳統電源IC的區別。首先，利用三端雙向可控硅開關實現調光非常復雜，需要專用的成熟技術。無閃爍調光是驅動器設計所面臨的重大挑戰，目前還很難找到能夠達到這一要求的方案；其次，與電源電路不同，由于LED照明時功耗較大，LED驅動器必須工作在高溫環境下。開發能夠在高溫環境下長期工作的驅動器是對LED驅動器的一個特殊要求。 Maxim 開發的交流輸入(120VAC和230VAC)照明方案采用單級變換結構驅動LED，該方案可以通過三端雙向可控硅開關調節亮度并且不會出現閃爍，由于不需要使用電解電容，可以得到更小的外形尺寸，并有助于延長使用壽命。器件可以配制成隔離(反激型)和非隔離(buck)架構，功率因數優于0.9。 安森美半導體最新推出的NCL30000是一款功率因數校正可調光LED驅動器，采用臨界導電模式(CrM)反激架構，以單段式拓撲結構提供高功率因數 (＞0.95)，因而省下一個DC/DC轉換段。典型應用包括LED嵌燈、LED驅動器電源/驅動器及TRIAC可調光基于LED的燈泡替代。該器件兼容于前沿TRIAC及尾沿晶體管調光器。根據所使用調光器的不同，LED輸出可控制到低于2%。 Intersil最熱門的HB LED驅動器ISL6745A具備可調節開關頻率、可調軟啟動、過熱保護和精確調節的“死區時間”，可以用于隔離或非隔離，以及可調或不可調光應用。 TI 新推出的TPS99210是一顆帶PFC功能的LED驅動芯片，采用固定ON-TIME時間級聯型Flyback架構實現5W～90W功率LED驅動，同時帶可控硅調光，適用A19/E27、GU10、PAR30/38等隔離LED驅動的設計。TPS92010是TI聯合Lemnis Lighting推出的一款完整LED照明驅動器參考板，有助于解決成本、調光以及效率三大問題。這款TPS92010 LED燈參考板采用TI通用LED照明半導體技術以及Lemnis Lighting可調光照明應用專業技術，可幫助加速節能型LED燈泡燈管的推廣。 AXElite 策略營銷部項目經理蘇壬穗則表示，未來大功率LED驅動IC將朝著高集成度SoC、多芯片封裝的方向發展，除穩定性與低功耗之外，還應擁有實現一致性亮度的恒定電流技術、集成亮度調整功能的脈沖寬度調制(PWM)技術，針對室內照明的耐高壓特性等。此外，驅動器輸出獨立，可有效防止過熱問題；數字軟啟動功能；逐周期電流限制；短路保護、過壓保護及過熱偵測也是其必備的基本功能。 LED驅動器的設計還需要設計工程師在眾多技術參數中進行平衡，反復權衡性能并作出決策。為此，PI提供了一套豐富的參考設計庫并通過在線電源設計工具支持全面的LED驅動器設計優化，幫助設計工程師加快其產品的上市速度。 作者：Nicole Chen |
