【導(dǎo)讀】LED作為新型綠色照明技術(shù)，其光效高、能耗低、壽命長、光衰小等優(yōu)點，逐漸被應(yīng)用于各種領(lǐng)域。特別是LED向消費者提出的25年無需更換的承諾，更是成為LED的一個最大的賣點。因此，如何提高LED使用壽命，就成為設(shè)計者必須注重的問題。本期大講臺為你解析如何去提高LED壽命。
全球各地政府都出臺了要求白熾燈逐步退市的規(guī)定，這推動了向固態(tài)照明技術(shù)的轉(zhuǎn)變。LED技術(shù)與被替代的傳統(tǒng)白熾燈相比，主要好處是更長的工作壽命，以及更低的每瓦小時工作成本。白熾燈的典型壽命大約是1000小時。而LED燈泡號稱有5萬小時以上的工作壽命，同時在等效光輸出下，功耗只有前者的約20%。
對于如何提高LED壽命，本文從3個方面來解析：1）電源及驅(qū)動電路的設(shè)計；2）調(diào)光控制；3）預(yù)期壽命；4）封裝技術(shù)。
1.電源及驅(qū)動電路的設(shè)計
LED正常工作要求有恒定的直流電流，且電壓遠(yuǎn)低于整流后的交流線電壓，因此需要將標(biāo)準(zhǔn)交流電壓降低到可用電平的驅(qū)動電路。要使LED燈泡與標(biāo)準(zhǔn)燈口兼容，設(shè)計者必須將驅(qū)動電路集成在燈泡內(nèi)。如果處理不當(dāng)，這種整合就會增加LED燈泡發(fā)生機(jī)械故障的可能性。
以往的LED燈泡驅(qū)動器都需要大量外接元件、高價的隔離元件，以及特殊的設(shè)計策略，以防止關(guān)鍵元件出現(xiàn)長期老化問題（如電解電容）。現(xiàn)在，驅(qū)動電路的整合使燈泡更容易產(chǎn)生可靠性問題，如早期失效或使MTTF（平均無故障時間）率下降。
MTTF是對首次出現(xiàn)故障時間的量度值，通常以電路中每種元件的FIT率（每10億小時故障率）計算得出。由于驅(qū)動電路要將大交流電壓（100Vac/220Vac）降低到可為LED供電的一個dc電壓，因此出于安全考慮要做電氣隔離。
在典型的電氣隔離AC/DC轉(zhuǎn)換器中，會用一個分立的光隔離器（或光耦）提供從次級端到初級端控制器的反饋，它將一個電信號轉(zhuǎn)換為光信號，使該信號通過光障，然后再轉(zhuǎn)換回電信號（圖1）。因為光耦的FIT率高于半導(dǎo)體元件，因此就降低了整個電路的MTTF指標(biāo)。
圖1：典型的電氣隔離AC/DC轉(zhuǎn)換器中用一個分立的光隔離器
另外，由于老化的影響，光耦的電流傳輸率可能會隨時間和溫度而改變。這種變動會影響到電源的回路穩(wěn)定性，縮短LED驅(qū)動電路的壽命。雖然很多LED燈和燈具可以工作在高的PCB溫度下，但設(shè)計者必須消除這些薄弱環(huán)節(jié)，才能獲得更長的壽命。
圖2：iWatt公司的初級端數(shù)字控制技術(shù)PrimAccurate
圖2顯示了iWatt公司的初級端數(shù)字控制技術(shù)PrimAccurate這種專利方案采用實時波形分析，通過隔離變壓器初級端來檢測LED電流，而不需要來自輸出端的直接反饋，同時保持了對LED串的嚴(yán)格恒流調(diào)節(jié)。
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第一講：LED驅(qū)動電源設(shè)計的考慮要素及通用要求
http://m.bswap.cn/opto-art/80020756
第二講：LED驅(qū)動電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何選擇？
http://m.bswap.cn/opto-art/80020776
第三講：LED驅(qū)動電源功率因數(shù)如何提高?
http://m.bswap.cn/power-art/80020810
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2.調(diào)光控制
今天生產(chǎn)的LED燈泡還必須與家庭中現(xiàn)有的照明技術(shù)反向兼容。調(diào)光器提供了家居的氣氛照明，而LED照明做白熾燈替代品的一個好處就是可以方便地調(diào)光，比熒光燈更有效地符合白熾燈泡的特性。
不過，要支持調(diào)光功能，LED驅(qū)動器需控制多個因素，包括調(diào)光器檢測、兼容性，以及光閃爍等。為了優(yōu)化照明系統(tǒng)的工作壽命，在與LED驅(qū)動器一起使用調(diào)光器時，一個關(guān)注點是耐用性。
典型的A型白熾燈泡是純阻性的。當(dāng)用調(diào)光器來控制普通A型燈泡的亮度時，調(diào)光器上的負(fù)載也是純阻性的，通過調(diào)光器的是恒定電流，可以控制。
而LED驅(qū)動器實際上是一個電流源，其輸入端對調(diào)光器來說，有高的容性，在上電時，會出現(xiàn)一個巨大的浪涌電流為容性負(fù)載充電，然后才穩(wěn)定到一個低得多的電流水平。這個浪涌電流可能損壞標(biāo)準(zhǔn)調(diào)光器，必須減小這個電流，以避免損及調(diào)光電路的壽命。
調(diào)光器浪涌問題的一個解決方法是采用一種兩級方案來驅(qū)動LED,而不采用直接的反激轉(zhuǎn)換器方法，因后者有高的容性輸入阻抗。在兩級方案中，初級用于將阻抗提升到一個可控水平，從而降低浪涌電流，為調(diào)光器提供所需要的安全與保護(hù)。
圖3：iWatt公司的iW3616LED驅(qū)動器
圖3就采用了兩級方案，它有一個雙重功能的初始升壓轉(zhuǎn)換器：首先，為調(diào)光器提供所需的負(fù)載阻抗，減少浪涌電流；其次，使輸入電流保持與電源電流相同的相位，以提高整個電路的功率因數(shù)。這種方案不僅能夠延長調(diào)光器的壽命，而且也可以產(chǎn)生高的功率因數(shù)。iW3616中提供初級端控制的數(shù)字塊包含檢測算法，幾乎能與市場上所有現(xiàn)成調(diào)光器一起配合使用。同一算法還控制著升壓轉(zhuǎn)換器，優(yōu)化電路的動態(tài)輸入阻抗，以改善功率因數(shù)，并降低浪涌電流。
3.預(yù)期壽命
在優(yōu)化LED燈泡工作壽命時，還有一個同樣重要的考慮因素，這就是LED本身的預(yù)期壽命。與所有半導(dǎo)體元件一樣，LED的工作結(jié)溫越高，其預(yù)期壽命就越短。電解電容也有預(yù)期壽命，同樣取決于工作溫度。
一種方案是降低LED的額定驅(qū)動電流，以及簡單地用多只LED來產(chǎn)生特定的光輸出量，這樣單只LED上發(fā)熱較少，因此降低了結(jié)溫。這種方法可延長燈泡工作壽命，但換得的是更高的方案成本，因為需要更多的LED.此外，它還無法適應(yīng)外部因素，例如燈具的物理尺寸特性，發(fā)熱量可能超過預(yù)期。
另一種方法是優(yōu)化LED的最大電流，即設(shè)立一個最高結(jié)溫，超過則會觸發(fā)LED電流的下降，以避免老化。現(xiàn)有數(shù)字LED驅(qū)動控制器實現(xiàn)了一個兩級保護(hù)機(jī)制，設(shè)計者用一只外接器件就可以設(shè)定最高LED溫度。LED結(jié)附近放一個NTC（負(fù)溫度系數(shù)）電阻做溫度監(jiān)測器。NTC電阻連接到LED驅(qū)動IC上，用溫度反饋器件來保護(hù)LED。
圖3中的iW3616采用了一只NTC器件來保護(hù)LED燈泡中的LED。如果LED結(jié)達(dá)到了NTC元件所設(shè)定的最大溫度閾值，則控制器以10%的間隔減少LED電流，直到溫度穩(wěn)定為止。如果溫度降下來了，則LED電流以相同的反向10%步長，逐步回到其最大設(shè)定值，并有適當(dāng)?shù)倪t滯量以防止振蕩。如果發(fā)生重大故障事件，失效恢復(fù)模式可將通過LED的電流降低到預(yù)設(shè)輸出電流的1%。這種過熱保護(hù)結(jié)構(gòu)為LED燈泡提供了設(shè)計的靈活性，極端工作條件下仍會為燈泡提供完全的保護(hù)，設(shè)計者不必再擔(dān)心這類問題。
LED已經(jīng)發(fā)展到成本與光輸出可與其它競爭方案相匹敵的階段，LED照明正在努力地成為家居白熾照明的實用替代品。這一新技術(shù)的成功關(guān)鍵是驅(qū)動器的實現(xiàn)。要確保LED真正具有號稱的長工作壽命，除了設(shè)計人員都在努力優(yōu)化的效率和成本參數(shù)以外，其它因素也非常關(guān)鍵，如溫度、調(diào)光控制與可靠性等。
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4.封裝技術(shù)
對于提高LED壽命來說，LED的封裝技術(shù)也是一個重要方面。封裝主要目的是為了確保半導(dǎo)體芯片和下層電路間之正確電氣和機(jī)械性的互相接續(xù)，及保護(hù)芯片不讓其受到機(jī)械、熱、潮濕及其它種種的外來沖擊。選擇封裝方法、材料和運用機(jī)臺時，需考慮到LED磊晶的外形、電氣/機(jī)械特性和固晶精度等因素。因LED有其光學(xué)特性，封裝時也須考慮和確保其在光學(xué)特性上能夠滿足。
無論是垂直LED或SMD封裝，都必須選擇一部高精度的固晶機(jī)，因LED晶粒放入封裝的位置精準(zhǔn)與否是直接影響整件封裝器件發(fā)光效能。若晶粒在反射杯內(nèi)的位置有所偏差，光線未能完全反射出來，影響成品的光亮度。但若一部固晶機(jī)擁有先進(jìn)的預(yù)先圖像辨識系統(tǒng)（PR System），盡管品質(zhì)參差的引線框架，仍能精準(zhǔn)地焊接于反射杯內(nèi)預(yù)定之位置上。
圖4：LED固晶機(jī)
一般低功率LED器件（如指示設(shè)備和手機(jī)鍵盤的照明）主要是以銀漿固晶，但由于銀漿本身不能抵受高溫，在提升亮度的同時，發(fā)熱現(xiàn)象也會產(chǎn)生，因而影響產(chǎn)品。要獲得高品質(zhì)高功率的LED,新的固晶工藝隨之而發(fā)展出來，其中一種就是利用共晶焊接技術(shù)，先將晶粒焊接于一散熱基板（soubmount）或熱沉（heat sink）上，然后把整件晶粒連散熱基板再焊接于封裝器件上，這樣就可增強(qiáng)器件散熱能力，令發(fā)相對地增加。至于基板材料方面，硅（Silicon）、銅（Copper）及陶瓷（Ceramic）等都是一般常用的散熱基板物料
共晶焊接技術(shù)
共晶焊接技術(shù)最關(guān)鍵是共晶材料的選擇及焊接溫度的控制。新一代的InGaN高亮度LED,如采用共晶焊接，晶粒底部可以采用純錫（Sn）或金錫（Au-Sn）合金作接觸面鍍層，晶?？珊附佑阱冇薪鸹蜚y的基板上。當(dāng)基板被加熱至適合的共晶溫度時，金或銀元素滲透到金錫合金層，合金層成份的改變提高溶點，令共晶層固化并將LED緊固的焊于熱沉或基板上。
圖5：LED共晶焊接技術(shù)
選擇共晶溫度視乎晶粒、基板及器件材料耐熱程度及往后SMT回焊制程時的溫度要求?？紤]共晶固晶機(jī)臺時，除高位置精度外，另一重要條件就是有靈活而且穩(wěn)定的溫度控制，加有氮氣或混合氣體裝置，有助于在共晶過程中作防 氧化保護(hù)。當(dāng)然和銀漿固晶一樣，要達(dá)至高精度的固晶，有賴于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋C(jī)械設(shè)計及高精度的馬達(dá)運動，才能令焊頭運動和焊力控制恰到好處之余，亦無損高產(chǎn)能及高 良品率的要求。
進(jìn)行共晶焊接工藝時亦可加入助焊劑，這技術(shù)最大的特點是無須額外附加焊力，故此不會因固晶焊力過大而令過多的共晶合金溢出，減低LED產(chǎn)生短路的機(jī)會。
LED已經(jīng)發(fā)展到成本與光輸出可與其它競爭方案相匹敵的階段，LED照明正在努力地成為家居白熾照明的實用替代品。要確保LED真正具有號稱的長工作壽命，除了設(shè)計人員都在努力優(yōu)化的效率和成本參數(shù)以外，在電源及驅(qū)動電路的設(shè)計、調(diào)光控制、預(yù)期壽命、封裝技術(shù)等方面都要不斷地改進(jìn)，這樣才能使LED不斷地向前發(fā)展，進(jìn)而真正普及到各個領(lǐng)域。
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