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,且電壓遠低于整流后的交流線電壓,因此需要將標準交流電壓降低到可用電平的驅(qū)動電路。要使LED燈泡與標準燈口兼容,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)?,F(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。
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)動電源拓撲結(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準調(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。
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?,F(xiàn)有數(shù)字LED驅(qū)動控制器實現(xiàn)了一個兩級保護機制,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LED。
圖3中的iW3616采用了一只NTC器件來保護LED燈泡中的LED。如果LED結(jié)達到了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,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械性的互相接續(xù),及保護芯片不讓其受到機械、熱、潮濕及其它種種的外來沖擊。選擇封裝方法、材料和運用機臺時,需考慮到LED磊晶的外形、電氣/機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,因LED晶粒放入封裝的位置精準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。但若一部固晶機擁有先進的預(yù)先圖像辨識系統(tǒng)(PR System),盡管品質(zhì)參差的引線框架,仍能精準地焊接于反射杯內(nèi)預(yù)定之位置上。
圖4:LED固晶機
一般低功率LED器件(如指示設(shè)備和手機鍵盤的照明)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。當(dāng)然和銀漿固晶一樣,要達至高精度的固晶,有賴于嚴謹?shù)臋C械設(shè)計及高精度的馬達運動,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,這樣才能使LED不斷地向前發(fā)展,進而真正普及到各個領(lǐng)域。
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