一起探讨LED驱动面临的四大问题与解决实施方案

一起探讨LED驱动面临的四大问题与解决方
案。

业内人士都知道，LED日光灯将成为新一代节能环保照明灯，但是现在全国每年顶多生产几十万支LED日光灯，而且大部分是出口，国内使用寥寥无几，其实最主要的问题是价格问题，一个普通的节能荧光灯光十几元钱就搞定了，而一根LED日光灯管得上百块。

所以目前的日光灯管主要是以商业照明为主。

因为商业照明更多的会考虑到节能、环保、形象、政府方面支持等。

但现在LED日光灯产品质量参差不齐，有的连荧光灯的寿命都比不上，中看不中用，随着用户对LED日光灯产品认识越来越深，LED日光灯厂家还需要解决以下几个问题：
第一. 驱动电源的恒流驱动问题。

目前大部分恒流源大都是总恒流（也就是多个并联灯
串共用一个恒流源，因为LED灯珠之间阻值的差异性，所以每串灯的电流大小不同，任何一颗LED灯出现故障，都会影响其它灯串的电流，这样电流大的那些灯串光衰更严重，其使用寿命也会大大减短。

）
第二. 散热问题。

这是LED日光灯管的使用寿命的核心问题之一。

因目前各厂家大都跟风采用内置电源，以直接可以更换到荧光灯管支架上，这样您的整个电源所散发的热量和LED本身散发的热量都在一个铝外壳上散热，并且都在日光灯管内，这样的热量怎么处理？
第三. 电源模块中电解电容使用寿命问题？就算我们采用超长寿命电解电容，在高温的情况下工作，它的寿命也无法与LED的寿命相平衡。

但怎样来提供良好的工作温度，以达到最理想的使用寿命？
第四. 电源模块的不稳定性和产品安全性认证能否通过的问题？目前市场上大部分厂家采用的是高压的非隔离方案，和高压反击式天关电源方案，因为内置体积十分有限（要放进灯管内），所以一般在设计时，很难把电源做到稳定。

并且目前各个国家对安全认证方面都比较严格，对于高电压的电源供电的安全认证方面比较难通过。

其实以上问题最要主要的根源还是在内置电源所产生的
解析LED通用照明面临的四大挑战(1) 关键字：固态照明光品质LED封装光效
当前，LED最具潜力的市场无疑当属平板液晶电视、笔记本电脑和笔记本显示器中的大尺寸LCD背光，但毫无疑问，通用照明才是LED的最终发展目标。

目前，在LED通用照明市场还未真正启动之前，LED球泡替换灯将成为照明市场最主要的
增长领域。

然而，市场上大量出现的LED
球泡灯，等同于真正意义上的固态照明（SSL）吗？LED是否真的为通用照明做好了准备？
LED通用照明首先面临四大挑战
美国能源部曾表示：固态照明是50年来照明领域最具破坏性的创新技术。

有不少业内人士对此表示认同，并认为LED是颠覆性产品，是要革它原来产品命的。

但事实上，LED进入通用照明市场，依然面临四大挑战，它们分别是：光品质、光效表现、可靠性以及简单化。

LED的光品质与传统照明相比仍有差距；光效表现还有部分应用无法覆盖；由于LED照明可靠性由芯片、电、光、热、机械、互联部分等多个因素决定，因此无法保持足够的光输出流明维持寿命；由于缺乏统一标准，现在市场上的LED照明产品五花八门，复杂性也阻碍了其短期内很难被更多受众
接受。

''那么，目前市场上有哪些提升LED 光品质和光效的方案？
光品质
通常我们谈到的光品质主要指光分布、光角度与阴影，以及演色性。

这里，特别强调设计人员要注意：不同LED 颗粒间的光色是否一致？随着时间推移不同颗粒的
变化是否一致？一颗LED在不同角度是否存在色差？显色指数表现如何？
LED的整个封装工艺流程包括两个重
要步骤：利用金线对芯片和管脚进行键合，以及进行荧光粉涂布。

这两个步骤都会对LED造成色差，特别是金线会挡住光路，如果操作不当可能会对芯片造成隐性裂痕，从而形成芯片断裂隐患。

【为了解决这些问题，Philips Lumileds最新推出的LUXEON Rebel LED系列采用了最新TFFC（薄膜倒装芯片技术）和独有的Lumiramic荧光技术。

】
TFFC技术的电极在电路板后面，表面无纵横布线，因此物理结构更好。

而Lumiramic荧光技术利用陶瓷荧光板代替荧光粉直接粘结到芯片上，使得表面完全平整，不会有凹凸和不均匀，因此从根本上避
免了传统封装法因不均匀的荧光粉涂布而
导致的大多数LED在偏离中心视轴的角度显示出颜色的不一致。

此外，采用Lumiramic 技术还可以将白光分bin（分档）的范围缩小至原来的1/4，
目前，对于照明行业特别是照明设计来说，最头疼的问题莫过于分bin。

对于一些有经验的LED制造商来说，通常的做法是在所有档中使用白光LED的整个输出范围。

然而，在特定CCT（相关颜色温度）下，根本无法低成本生产出具有高一致性的白光LED,其主要原因在于蓝光LED芯片的波长和荧光粉的涂布工艺。

因此，制造商可能会混合使用多个分bin的LED，但是这样一来，产品的应用范围受到限制，既增加了生产工艺的复杂性，又产生了更多存货。

【Cree公司对此的解决方案是EasyWhite bin,该方案采用Cree的多芯片XLamp MC-E
LED,MC-E芯片采用四芯封装发，由Cree
挑选四颗不同特性的白光LED芯片（上覆有荧光粉）并封装好，混合后的白光输出能
达到预期色温，而且远小于ANSI规定的标准范围。

】
光效表现
就像半导体行业的摩尔定律一样，LED 行业也有一个Haitz定律，即LED亮度大约每18-24个月提升一倍，而在今后10年内，预计亮度可以再提升20倍，成本则将降至现有的1/10.今天，市场上1美金大约可以买到100-150流明，美国能源部预计2020年这个数字将达到1000流明。

LED发光效率如何提高？
首先来看封装。

目前，市面上LED光源最为常见的是直插式和贴片式。

这两种封装方式的散热出口截面积较小，而且一次出光口通道狭窄，利用率相对不高。

根据LED的出光特点，【设计了扁平化的一次光学通道，形成了平面光源阵列式芯片，可以最小化光学损失。

“像SMD的3528或505光源，使用玻璃纤维或塑料做基板，底部没有跟任何金属连接。

平面光源阵列式芯片则
采用了基于多芯片集成COB直接封装技术，光源使用的铝基板可以将更多热量通过直
连散热散发出去。

”据悉，目前该公司拥有完全自主知识产权的LED面光源技术光效已达130lm/w,整灯光效已大于100lm/w.】
除了封装，芯片结构、正向电压等因素也十分关键。

正向电压如果能被控制在一个非常小的范围内，就可以获得很好的光效。

在这部分，还要特别注意如何解决droop现象。

众所周知，电流密度的增加会使LED（主要指蓝色、绿色等将InGaN作为发光层的LED）发出更多的光，但与此同时光效也会随之下降。

当前，芯片设计公司正在努力寻求解决方法，尽可能使光效与电流增加呈正比。

也就是说，在一平方毫米面积上，以光效无损为前提得到更多光，而不是靠提高die 尺寸。

当然，冷热系数（LED在100°C结温和25°C结温时的灯光输出比值）的提升也有助于简化散热系统设计，从而降低最终应用中的每流明成本。

如何解决散热问题
LED抗热性的重要已成为业界共识，这个问题对于LED通用照明同样存在。

LED 就像是一个雪人，冷的时候很漂亮，但是一热了就会融化，变得很难看。

LED系统设计中的热管理很重要，因为相当部分的电能转换成了热能。

要解决好散热问题，需要提升驱动电源的转换能效和应用更高光效的LED,采用提供强固热故障保护性能的LED驱动芯片和散热性能更好的驱动芯片封装，以及散热性能更好的LED 基板等。

此外，为了提高系统可靠性，还需结合其它手段，如采用额定工作温度更高的更好外部元器件，以及采用环境光传感器以减少电能消耗和发热量等。

''
美国国家半导体（NS）亚太区市场经理黎志远认为：受实际操作环境影响，LED的内部温度确实可能会飙升至极高水平。

一旦LED的温度升越阈值，进入非安全区，那么LED的寿命及照明效果便会受到影响。

而采用热能回折电路则可以监控系统热能，以免温度失控。

【NS的LM3424芯片正是一款这样的产品，可为照明系统的LED 设置温度及斜坡断点，确保LED停留在安全区内操作。

如果出现过热情况，LM3424的热能回折电路便会减少流入LED的稳压电流。

减少的镇压电流会使LED的亮度也随之下降，但仍然保持在工程师预设范围内，直至操作温度恢复到安全的操作范围内。

此外，NS还推出了一款大功率LED驱动器LM3464,采用该芯片的过热保护系统解决方案可以监控】LED散热器/铜箔层的温度：若LED温度突然大幅飙升，过热保护功能会调低输出电流，避免LED在不正常情况下过热受损，同时LED可保持一定的亮度。

彻底解决''热''问题还有待LED发光效
率的提高。

''要解决热管理的问题，首先从芯片方面就要提高光效，光效提高自然热就小了。

到了封装，要考虑如何把热量导出，同时还需要解决封装材料的耐热问题，材料不黄变，光衰减就没有。

而在应用端要做的，就是如何把热导入到大自然环境中去，这里不烫就成了关键。

三方面的设计人员都要做
好自己应该做的事，这才是根本。

针对不同的产品，解决方案一定不同。

''
5000H零衰减。

LED驱动解决方案
对于LED照明应用来说，驱动电源部分的作用至关重要，因为如果驱动电源部分无法给予支撑，那么再高的LED光效也是浪费。

可以这么说：高效的驱动电源是提高照明系统效率的有力保证。

LED设计中最大的问题是如何保证驱动电源的可靠性来匹配LED的长寿命。

这方面必须深入理解可靠性的设计原理和具体方法，并懂得如何测试产品的可靠性。

''
LED驱动电源的可靠性很大程度上与''热''相关，如果散热效果不佳，电路中电解电容的寿命将大大降低，从而严重影响LED 产品的寿命。

【下面我将主要介绍其他可能存在的问题以及几款最新的解决方案。

有一款新的低电流LED 驱动方案--NSI45系列双端和三端线性恒流稳流器（CCR），使用了正在申请专利的自偏置晶体管（SBT）技术。

这种方案比线性稳压器
更简单，且成本更低，但性能相比电阻方案又大幅提升，填补了市场空隙。

NSI45系列能够在宽电压范围下保持亮度恒定，输入电压较高时保护LED免受过驱动影响，输入电压较低时仍使LED较亮，帮助减少或消除LED编码库存，以及帮助降低系统总成本等，非常适合低电流LED电流应用。

】｛有一款支持调光功能的离线型LED 驱动IC--ICL8001G,适用于住宅照明用高效LED灯泡。

该产品采用弹性设计，能够替代所有40W/60W/100W白炽灯泡以及所有典型的消费类照明应用。

ICL8001G节能效果可达90%,支援多种已安装的墙面调光器，同时也是唯一的整合功率因数校正（PFC）功能的主控式离线型LED驱动器解决方案。

｝虽然LED驱动市场主要由TI、NS、安华高、Linear、NXP等欧美企业，以及聚积、点晶、研晶等台湾厂商占领，但是目前中国本土的几家公司在该领域也表现的颇为活跃。

［例如上海龙茂微电子有限公司，就推出了各种功率LED所需的恒流驱动电源。

''］（我们的优势是掌握了核心芯片技术，此外
我们还集中于路灯、日光灯、隧道灯等的调光技术，并拥有5项专利。

''茅于海表示。

据悉，龙贸已经量产的降压型大功率LED恒流驱动模块SLM2842J得到了业内不少好评，该模块可以在输入电压为36V时驱动10串6并1W的LED,或者10串2并3W的LED,驱动功率高达60W,效率高达98%.只有1.2W的功率需要耗散，所以发热很低，在60度以下。

）
针对室内照明的新一代LED模组
LED照明设计过程中还有一项重要挑战，那就是要保持照明系统或光源的不同组件有尽可能高的能效。

应该把光源看作是完整系统，将LED、用于散热的散热片、光学组件，以及电子驱动电路看成一个整体，确保每个组件的设计都提供最大能效。

在实际操作中，上述观念模组化，推出了室内照明模组化解决方案。

模组化就是将光源、散热部件、驱动电源组成模块批量生产，通过模具制造出标准化的LED照明产品。

尽管目前本土企业在LED外延片和芯片方面无法绕过国外企业的专利壁垒，但模组的
批量生产具有价格优势，特别对下游LED 照明应用企业来说是一个不错的选择。

”
现在很多企业在球泡灯中加入3520、5050等小功率LED光源用于室内照明，但产品往往存在眩光过强、热处理不够、寿命短、成本高、颜色差异大等问题。

“我们认为，将传统灯泡装上LED光源，完全不等同于半导体照明。

”“LED要想真正走入千家万户，就要发挥其优势，而这应该是一个系统化工程，包括电源系统、LED光源、驱动系统、光学系统、外观结构设计、散热系统、智能控制系统等多个方面。

”
正如前面提到的，光品质包括演色性、空间均匀性、色彩一致性、无眩光等。

XX 光电的模组光源解决方案，通过植入色光LED芯片来提升整体光源的演色性，或单一演色性。

因为在LED光谱中，红色和绿色这两段较低，如果把绿光芯片和红光芯片串在白光模组中，可以对演色性有非常本质的提升。

'' 由于整体光效靠白光来提升，演色性靠其他芯片的光去来提升，这样做还有助
于将光效与演色性分立。

“空间均匀性和色彩一致性，首先通过对物料进行选择与优化得以改善。

”这里的物料选择包括荧光粉和芯片。

封装时，可以利用设备去检验芯片以及荧光粉进料激发出的波长有多宽，从而检验来料是否符合要求。

其次是模组电源内电路的设计，要考虑到整个模组的串、并情况。

第三是要进行严格的制程控制，包括最直接的，就是荧光粉涂布的方式以及多少，这对色彩一致性有很大影响。

最后，还要进行物料可靠性控制。

随着LED光效的提升，眩光问题在今后的LED照明设计中将会更加凸显。

模组电源通过结构的优化设计，例如使用反射杯来降低眩光。

我们在结构上的创新设计之一，加入反射杯，可以很大程度地减少每颗LED芯片发出光的损失，与此类似的还有加一次透镜、表面粗化处理等，与模组结合都可以提高出光效率。

光的寿命包括两个部分，一个是亮度寿命，一个是颜色寿命。

亮度寿命直接影响到光源的运行成本，在寿命控制中，首先要考
虑的是散热设计。

模组光源通过结构设计来解决这个问题。

寿命和散热有直接关系，包括芯片、原料，其最直接的寿命影响就来自于热。

蓝光的出光效率和荧光粉，都跟结温有很大关系。

一般情况下，LED的结温每升高10度，其寿命就会降低一半。

''模组在解决热阻方面有其优势。

目前LED应用灯具的热阻主要包括LED芯片、封装材料、支架、贴到电路板上的热阻、二次应用系统热阻，如果能够省去中间某个环节，其实就把整个应用过程的热阻省了很大一部分。

而使用模组解决方案，可以直接省去了支架热阻和客户买回去以后的再贴片热阻。

目前，由于LED灯具类标准的滞后，市场上LED驱动电源主要采取客户定制的运作模式，因此LED灯具普遍存在电压、电流、功率等级不规范，以及空间有限、散热条件差、电源能耗影响灯具环境温度等问题。

不同功率等级的LED应用可能遭遇不同的问题。

例如，小功率应用可能由于空间太小导致驱动板无法安置，而安规距离不够、恒流精度不够、温度太高等也是可能出
现的问题；中功率应用通常采用PFC＋PWM 两级架构，从而导致整体成本过高；而大功率对PFC和恒流的精度要求都很高，直接带来的问题是电路复杂、零件多，PFC和主电流时序需要控制，而且效率低下。

针对各种不同的应用场合，【飞兆半导体推出了多种LED驱动器解决方案，包括用于室内照明的低功率反激式（PSR & SSR）方案、用于室外照明的大功率AHB和LLC方案，以及用于电视机背光照明的多通道驱动解决方案等等。

】
【工程师在设计LED驱动电路的过程中最可能遇到的两个问题是：如何通过电磁干扰检定，以及电路之间的互扰可能造成工作不正常。

｛NS的LM3402/4HV芯片针对DC-DC转换器市场，不仅电源转换效率更高，而且具有较强的抗电磁干扰能力。

面向通用照明，NS推出的LM3445芯片可以利用三端双向可控硅（TRIAC）调光器调控LED灯泡亮度。

黎志远表示：只要采用LM3445解决方案，｝目前市场上普遍采用的传统灯泡如A灯泡、PAR灯泡、天花射灯等
都可改用LED灯泡。

该产品与安森美的NCL3000功能类似。

NCL3000是一款单段式功率因数校正TRIAC可调光LED驱动器，用于8W-25W 功率的住宅及商业AC-DC供电LED照明应用，使用临界导电模式（CrM）反激架构，以单段式拓扑结构提供大于0.95的高功率因数，因而省却DC-DC转换段。

恒定导通时间CrM工作特别适合于隔离型反激LED 应用，因为控制原理简单，即使在低功率电平时，也能够提供极高能效，这在LED照明领域很重要，目的是符合''能源之星''固态照明规范等各种规范要求及整体系统光效要求。

】。