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炙手可熱的LED照明話題從年初一路延燒至年尾，人人都知道LED節能環保壽命長，但在面臨大規模應用時，卻又因為電源壽命不匹配、可靠性不足等問題不得不推遲上市時間。愈來愈多的業內人士認識到，要充分發揮LED的潛能，照明驅動電源是關鍵的支撐因素之一。 對于LED照明驅動電源，當前的主要訴求集中在高可靠性，以及高效節能等方面。來自本土的西安明泰半導體科技有限公司總經理邢先鋒針對目前的LED照明驅動電源明確提出三點要求：第一，要具有高的可靠性，包括與LED光源相匹配的長壽命，寬的工作溫度適應性(-40度—65度，甚至-55—85度)，以及寬的電網適應及自我保護性能等；第二，要高效節能，明泰Tesemi的產品效率高達95%，遠遠超過我國和歐盟等91%的一級能效標準；第三，在目前LED 產品無全面標準情況下，LED必須滿足電氣強制標準，特別是EMC的GB17743對應IEC 6100，電流諧波THD的GB17625. 1-2003 對應IEC 61000-3-2:2001，這要求了電源要有良好的EMC,PFC/THD。 iWatt公司一直配合眾多LED照明企業提供電源方案，該公司銷售副總裁朱保賚接受本刊采訪時表示，LED照明電源發展的趨勢應該是：高效率、高可靠性，以及對調光與非調光廣泛的應用兼容性。Power Integrations市場營銷副總裁Doug Bailey也認為，所有客戶都需要可靠、高效節能的LED驅動產品。 當然，還有其他一些要求存在，比如功率因數校正(PFC)，無閃爍可控硅調光，在不同輸入電壓、溫度及燈泡間都具有高精度恒流驅動輸出，以及一致的導通和關斷性能。Doug Bailey表示，Power Integrations(PI)所推出的器件在隔離式(LinkSwitch-PH)和非隔離式(LinkSwitch-PL)拓撲結構中都具備這些特性，具體取決于所選用的機械隔離方式和目標應用所適用的安全規則。 當前市場對LED照明電源的需求因應用而異，消費類燈泡的設計要求與路燈或工業熒光替代燈存在很大的不同。Rohm公司認為，LED照明市場用于室內照明的燈泡型漸漸過渡到直管型，用于室外的街燈也有增加。隨著LED向高亮度化改善，LED驅動電路也逐漸開始向高輸出化發展。 離線型LED照明電源成主流 目前，LED取代型燈泡及其他新型LED照明的發展十分迅速，主體市場則趨向離線型LED照明電源。國際整流器公司(IR)LED部門主管Peter B. Green指出，離線LED電源市場主要分為高功率和低功率兩個部分，大概以50W為分界線，不包括手持設備等低壓應用。 基于集成型LED的燈泡替代產品大多采用簡單的、非絕緣型降壓穩壓器LED驅動電路。這些產品都是采用了最少的元器件數量和最低的成本，但又必須同時提供足夠的流明/每瓦，以及高于0.7的功率因數，并具有標準的雙向可控硅調光器調光的能力。 市場上不能滿足這些性能要求的產品正逐漸被取代，而美國能源部“能源之星計劃(Energy Star program)”的要求也是促成這一變化的原因之一。 高功率LED驅動器通常需要絕緣隔離，以達到UL標準。這往往需要其功率因數大于0.9，并具備調光能力，而這種調光能力可能是通過基礎調光器之外的其他方法實現的。另外還需要產生至少與熒光燈相等的流明/每瓦，并具有更長的使用壽命。 Diodes LED照明業務部門總經理Allan Lin認為，離線型LED照明電源的發展將改變LED的銷售角度，從銷售大批量DC/DC電源的低電流、高亮度 LED (用于手機、標識及筆記本電腦)，到銷售AC/DC 電源的更高電流LED (一般是照明應用)。這將提升整個普通照明 AC/DC LED 驅動器市場，并增加對電源組建更低成本的需求。 LED背照燈電視和其他大型LCD電視應用也迎來其他發展空間。他們正由CCFL向LED轉移，從而進一步促進更高電流LED、更高電壓電源市場的發展，并提高對驅動眾多大型平行鏈的更高電源LED的要求。 無電解電容LED照明方案惹爭議 在大多數LED應用中，對LED燈的使用壽命影響最大的器件就是去耦電容器。高溫高可靠性的電容器會顯著增加BOM的成本，因此減少電容的大小是增加電燈壽命及控制BOM成本的一個重要趨勢和訴求。Allan Lin表示，Diodes正在研究在未來的器件中減少電容器的大小。 不僅如此，更有不少廠商紛紛推出無電解電容的LED照明方案。創意電子有限公司產品工程師龍金節介紹，該公司TK5401、IL9910、TK5401均為無電解電容的驅動方案，主要用于球泡燈，PF值可達到歐洲標準0.70，外圍元件少，價格低，長壽命且節約空間。隨著時間的推移，市場上的一些帶有電解電容的驅動電源會有相繼失效的現象，龍金節認為，無電解電容的驅動方案是一個必然的發展趨勢。 雖然LED是個節能環保產品，目前商用80-120lm/w光效已是所有照明產品中最高水平，但仍有60%左右的電能不能轉換為光能而轉換為熱能。所有LED燈具工作時是一個加熱體，使燈具局部形成50—70度甚至85度的高溫區，會很快將電解電容的電解液烤蒸發，1000到3000小時時就很快失效。 邢先鋒指出，實際上傳統日光燈、節能燈驅動中電解電容也催在同樣問題，只是電源壽命與燈管壽命相當而沒使矛盾特別突出。他表示，“無論可靠性還是成本，抑或是可實現性考量，無電解電容將是LED照明驅動電源的不二選擇。” 不過，針對無電解電容方案，在業界有很多其他不同的聲音。 “我們并不認為無電解電容LED照明是LED照明電源的發展大趨勢。而且從現狀來看，技術方面需要克服的問題很多。”Rohm公司在接受本刊采訪時表示。 Peter B. Green指出，隨著電源需求的增加，如果不采用電解電容，LED驅動器的設計會變得非常昂貴。在低功率水平上，通過用陶瓷電容取代電解電容可以解決這一問題，而在高品質光源燈具上，電解電容是難以去除的。 事實上，如果電解電容質量很好，可以達到105攝氏度的工作溫度和10000小時額定工作時間，就沒有必要將電解電容從LED驅動設計中去除。如果在低溫條件下，這些元件的使用壽命可以遠遠超過10000小時，例如，在85度下，一個額定壽命為10000小時的元件可以運行40000小時。 “其實用不用電解，其焦點就是電解的壽命，也就是整個產品的可靠性。”朱保賚表示，對于LED電源，擔心最多的就是某些元件的自然老化，例如電解電容，因為它的工作溫度很高；其次就是驅動電源對于電網波動的適應性及可靠性，例如雷擊，因為很多半導體的元件會因為Over Stress而失效。電解電容會存在電解液干涸的可靠性問題，但是如果簡單地去除電解電容就會降低電源對電網波動的抗干擾能力，也會帶來因雷擊失效的風險，因此需要全面地評估產品的可靠性。 由無電解電容帶來的高紋波電流而導致的低頻閃爍開始越來越被人注意，有研究者認為，低于165Hz的頻閃即便是人眼不易覺察，但這已經對某些人眼造成生理上的不適，幅度大的低頻紋波會也會被導致一些數碼像機設備出現差頻閃爍的亮暗柵格。朱保賚認為，雖然市場很渴望能有既能解決電容壽命又能保持穩定性及可靠性的新方案，但現階段在高品質光源燈具上是難以去除電解電容的。 Doug Bailey贊同此觀點。他表示，對于不需要調光的應用，使用LinkSwitch-PH就可以省去電解電容。PI的單級PFC/恒流設計可以讓設計師省去大容量電容，這在傳統設計中通常需要在PFC級和恒流級之間使用。對電容剩下的唯一要求是，在輸出中通過AC波形的低點(此時，電壓接近于零)對LED 供電。 “這可以用足夠容量的陶瓷電容、鉭電容或OSCON電容來替代電解電容，從而消除100Hz或120Hz的閃爍。對于不太關注調光的高溫、高可靠性工業應用來說，我強烈建議不采用電解電容進行設計。”Doug Bailey強調。 非隔離和隔離型驅動電源將長期共存 目前在一般的LED照明市場上，存在非隔離設計和隔離型驅動電源之分。 非隔離設計僅限于雙絕緣產品，例如燈泡的替代產品，其中LED和整個產品都集成并密封在非導電塑料中，因此，最終用戶并沒有任何觸電的危險。二級產品都是隔離型的，價格相對比較昂貴，但在用戶可以接觸到LED和輸出接線的地方(通常在LED照明和路燈照明應用的情況下)，這種產品必不可少。 帶隔離變壓器或者電氣隔離的LED驅動電源意味著LED可以直接用手接觸而不會觸電。而無隔離變壓器的LED驅動電源雖仍可以借助防護外殼實現部分機械絕緣，但此時的LED在工作時并不能直接接觸。 Rohm公司接受本刊采訪時指出，如何選取絕緣型和非絕緣型的照明驅動電源，主要在于安全和大小的關系，要看市場需要。“但是我們認為絕緣型燈泡在今后將成為主流。”該公司相關負責人表示。 龍金節也認為隔離型將成為市場的主流。如果采用隔離驅動，在電源初級側有問題時次級側的光源不會受到傷害，也就是說光源不會被破壞。隨著人們對安規的重視越來越強，隔離驅動市場前景看漲。 Doug Bailey持有不同意見。他認為，兩級架構適用于必須使用第二個恒流驅動電路才能使PFC驅動LED恒流的舊式驅動器。這些設計已經過時，不再具有成本效益，因此在大多數情況下都最好采用單級設計。 物理設計決定著驅動器是隔離式還是非隔離式。安全規則通常要求使用兩個獨立的隔離層。設計師可以選擇兩種物理隔離層，即塑料散光罩和玻璃護罩，并使用非隔離式電源。如果物理隔離成本太高、存在機械困難或者吸收太多光，就必須在電源中解決電氣隔離問題。 Doug Bailey指出，隔離式電源通常要比同等功率水平的非隔離式電源大一些。照明燈設計師必須在他們所設計的每款產品中進行大量的成本及設計優化工作。 邢先鋒也表示，越簡單的方案越有優勢，所以單級框架一直是設計師們孜孜追求的方向。 “現在有很多實現‘離線性’LED電源的方法，而最好的方法取決于最終的應用。”Allan Lin說，“我們預見單級(無隔離及帶隔離)將主導取代型燈泡(E27, GU10, T8型燈)，對于這些產品來說，成本和解決方案的大小至關重要。” 由于適用于不同的應用，是采用隔離的絕緣變壓器還是采用隔離的防護燈罩外殼，設計者在不同的角度考慮永遠會有不同的見解。通常，他們會從多方面去分析，例如成本與制造工藝、效率和體積、絕緣可靠性和安全規范的要求，等等。 Supertex公司認為這兩種架構將來都會得到普及。Peter B. Green也表示，在未來這兩種類型的設計都將會繼續使用，因為每個設計分別滿足了不同的市場需求。 帶變壓器的驅動成本較高，但也相應讓LED燈具變得更加實用，能夠滿足終端用戶偶然接觸LED的需要。當白熾燈玻璃外殼很容易被損壞時，一個E27型號的普通燈泡可被替換成為LED燈。此外，在工業區或者是辦公設備應用中的燈具并不需要接觸到終端用戶，如路燈和商場照明，這時的LED燈也確實需要隔離變壓器。 朱保賚表示，作為一個讓最終用戶能安全使用的產品，一定會考慮絕緣與隔離的可靠性。作為完整的產品，產品表面使用者能接觸到的部分一定要經過隔離，不能讓人觸電。而從產品整個系統而言，隔離是不可避免的，區別只是設置隔離的位置不同。有些設計者采用隔離的變壓器設計，因此他們可以簡化散熱和燈罩的設計。如果用非隔離的驅動設計，在燈殼等結構上就必須考慮可靠的絕緣要求。因此作為電源驅動，隔離與非隔離的方案一直都同時存在。 iWatt已經推出的iW3610 iW3612系列IC，就已經將傳統的兩級控制(PFC+PWM)整合在一個SO8的封裝內，既能提供恒流控制，也能兼容切相式調光器，還能改善功率因素。朱保賚說，這種設計符合LED市場的主流要求。 本土制造商面臨成本壓力 如今，有大量的小型公司紛紛進軍LED照明業務，市場價格因競爭而不斷下滑。如何在激烈的競爭下，保證設計的可靠性和品質，而不僅僅提供最低成本解決方案，成為眾多本土OEM需要面臨的挑戰。 “在 LED等產業鏈中的每個人都要面臨的挑戰是每月減少燈的整體成本。”Diodes LED照明業務部門總經理Allan Lin表示，低成本BOM解決方案也擁有嚴格的LED電源功率因子和效率規格。中國LED驅動電源制造商們可能面對的主要挑戰是找到低成本的AC/DC驅動器，從而滿足在低成本電源系統中實現更嚴格的功率因子和效率表現。 未來，在空間受限且存在散熱困難的系統(比如LED燈具)中使用高質量、高可靠性的電源，將不再免費。然而，在最終用戶使用過許多某款壽命在10,000小時左右的燈泡之前，要想證明其質量高是相當困難的事情。 Power Integrations市場營銷副總裁Doug Bailey表示，如果借助在生產適用于嚴苛環境（比如家用電器和電表）的高質量電源產品方面享有盛譽的驅動控制器公司，事情就會簡單很多。 LED 是一個全新的照明體系，LED驅動需要和LED及其模組協調系統工作。“LED驅動不是一個簡單的電源問題。它不僅要滿足LED PN結負載要求，也要系統考慮LED模組光、電結構設計”，邢先鋒指出，“目前LED驅動制造商幾乎全是傳統電源廠商，缺乏系統方案、全方位考量。” 來自IR的Peter B. Green則指出了產品質量標準的問題。為了在美國和歐洲市場銷售LED驅動器，中國原始設備制造商們必須制造出設計精良的高可靠性產品，并且完全滿足 UL和“能源之星計劃”的要求。產品的使用壽命是至關重要的，因此，采用高質量的元器件和生產質量控制是至關重要的。同時，在保證高性能和可靠性的前提下，必須盡可能地降低成本。 延伸閱讀：基于變壓器的隔離型LED驅動電源將是主流 作者：Scott M Brown，電源產品營銷副總裁，Semtech公司 隔離和非隔離LED驅動電源方案各有優缺點。我們認為，Class II將是主流，因為它簡化了LED散熱問題。Class I或II系統依賴接地系統，在大多數情況下，跟安裝地點很有關系。Class II較常見，它要求雙級或加強型隔離，也即需要變壓器磁性繞組、絕緣帶和物理隔絕。Class I系統要求一個接地外殼和(或)機械障礙，而這時Class II系統不需要的。 目前有好幾個趨勢正在推動LED照明市場的發展。首先是高亮度LED效率的不斷改善和非常高效率的高可靠性恒流LED驅動電源的不斷涌現，其次是全球立法禁止白熾燈照明(由于其低效率)和CFL節能燈的逐步淡出(如果打破的話，它會流出對環境有害的水銀)。這些因素綜合起來正使得LED照明成為一個長期的發展趨勢。當然，低系統成本(包括LED、熱管理系統和LED驅動器)永遠是消費者廣泛采用LED通用照明的推動力。 中國 LED驅動電源制造商面臨的主要挑戰是遵守政府和行業能源標準，如效率、功率因子和與TRIAC調光器的兼容。與行業能源標準同樣重要的是質量和長期的可靠性，它們都是關鍵的成功要素，因為與傳統的照明解決方案相比，LED照明的宣傳重點是更長的生命周期。這一優勢只有當照明系統作為一個整體實現了長期的可靠性才能做到，但情況并不完全是這樣。事實上，在很多LED照明產品中，失效是一個常見現象，大多數是因為電源的失效，而不是LED的失效。 在設計層面上，這意味著OEM必須變成系統熱設計的專家。LED提供高效率，但它們也比白熾燈或節能燈產生更多的傳導熱量。由于許多LED照明應用封閉在一個很小的空間里，很難用通風的辦法來散熱。如果沒有仔細的熱設計，LED和電源驅動電路很容易因為高溫而退化或永久失效。 來源：ESMChina |
