LED灯具设计的几个关键秘诀

LED灯具设计的几个关键秘诀——如何预测LED寿命？LED灯具长寿的秘诀近几年，LED作为新型节能光源在全球和中国都赢得得了很高的投资热情和极大关注，并由户外向室内照明应用市场渗透，中国也涌现出大大小小上万家LED照明企业。让LED照明大放异彩的最主要原因正是其宣扬的具有节能、环保、长寿命、易控制、免维护等特点，其中长寿面是其最突出的特点，一般LED发光寿命长达5-10万个小时，但是现实的问题是LED灯并不长寿。为什么会出现这种问题呢？有什么办法可以解决这个问题？敬请关注本文。LED发光长寿命的原因LED的寿命为何长呢？那就要从led的发光原理说起了。LED，即发光二极管。是一种半导固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料。当两端加上正向电压，直接发出红、黄、绿、青、橙、紫、白色的光。多变幻：LED光源可利用LED通短时间短和红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下实现色彩和图案的多变化，是一种可随意控制的“动态光源”。白炽灯的发光机理是电能将发光钨丝进行加热而发光的，经过相当长时间的加热，钨丝就会老化甚至烧断，至此，白炽灯泡的寿命也就此告终了，而发光二极管的发光机理是由二极管特殊的组成结构决定的，二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成，当在电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子和多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。由此可见二极管主要是靠载流子的不断移动而发光的，不存在老化和烧断的现象，所以LED发光的寿命可以很长。现实问题：LED灯并不长寿尽管LED照明具有具有节能、环保、长寿命、易控制、免维护等特点，但颇具讽刺意味的是，我们常常听闻由于LED驱动电源本身的寿命直接拖累LED照明灯具变得并不“长寿”，极大地增加了维护/使用成本；或者驱动电源的效率不高导致LED照明灯具的能效转换比并不是想象中那么高，或者由于输出电流纹波没有得到很好的控制而影响了发光品质，使得LED照明的绿色节能优势大打折扣，甚至影响了市场普及。如何预测LED寿命？一切事物都有发生、发展和消亡的过程，虽然比起一般的发光器件，LED的寿命相对比较长，但也是有一定寿命的。早期的LED只是手电筒、台灯这类的礼品，用的时间不长，寿命问题不突出。但是现在LED已经开始广泛地用于室外和室内的照明之中，尤其是大功率的LED路灯，其功率大、发热高、工作时间长，寿命问题就十分突出。理论上可以10万小时的寿命，可是实际上却不可而知，那么到底问题出在哪里呢？假如不考虑电源和驱动的故障，LED的寿命表现为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越暗，直到最后熄灭。通常定义衰减30%的时间作为其寿命。那么LED的寿命能不能预测呢？长寿命LED照明解决方案1、先进封装技术解决散热问题由于LED萌生的光线在封装天然树脂内反射，假如运用可以变更芯片侧面光线挺进方向的天然树脂材质反射板，则反射板会借鉴光线，使光线的抽取量急速锐减。所以，我们必须得想办法减低LED芯片的温度，从而减缓LED芯片降低温度效用的负担。保持LED的运用生存的年限，目前研究出来的办法是改善芯片外形，使用小规模芯片，关于LED的长命化，到现在为止LED厂商采取的对策是改变封装材料，同时将荧光材料散布在封装材料内，特别是硅质封装材料比传统蓝光、近紫外线LED芯片上方环氧气天然树脂封装材料，可以更管用制约材质劣化与光线洞穿率减低的速度。2、高效率电源匹配LED长寿特征由于拥有更高的效率与更长的使用寿命，LED的使用日益普及。因此，供电电源需要具有更高效率，至少要有与LED相同的使用寿命。就THD（总谐波失真）而言，欧洲标准EN61000-3-2对功率损耗超过25W的照明装置有严格限制。此外，这些照明装置需要满足功率因数要求。为此，需要包含有源PFC（功率因数校正），以确保输入电流与输入电压吻合。本文将讨论LED驱动器满足这些要求的工作原理，并对AC/DC降压转换器如何高效地驱动30只同串的高亮度LED进行说明，本文还将提出采用隔离式AC/DC电源及一款具有动态余量控制的LM3464。3、ESD保护延长LED现场使用寿命随着亮度和能效的提升，延长使用寿命已经为促进基于高亮度发光二极管（HB-LED）的固态照明设计快速发展的主要因素之一。然而，并非所有HB-LED在这些方面都旗鼓相当，制造商应用静电放电（ESD）保护的方式可能是影响HB-LED现场使用寿命的一个至关键的因素。安森美半导体的VidyaPremkumar将在本文中探讨ESD保护的重要性，阐释HB-LED模块制造商藉着最先进保护技术来确保其设计将使用寿命和质量潜能提升至最优。4、元器件为LED照明护航CBS25V1P50A1W是专为驱动LED路灯而设计的高效率、超长使用寿命的LED恒流驱动器模块。输出电流高达1.5A，且输出电流可以在0~1.5A范围内任意指定，效率超过90%，不仅省电还可降低模块自热引起的温升，宽泛的输入输出电压范围，具有内置过留保护功能，确保的系统的安全可靠。应用领域：路灯、隧道灯、信号灯、安全灯；手电筒、车灯、航标灯；照明灯、庭院灯、草坪灯。相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说，铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。从成本和寿命两方面综合考虑，如果能做出长寿命电解电容器，使得电解电容器的寿命与LED寿命基本相同，那么，电解电容器这块LED驱动中短板相关问题就可以得到很好的解决。本文针对铝电解电容对LED驱动电路的影响提出了相关的分析。长寿命LED驱动电路专用电解电容器应用特性分析相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说，铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。从成本和寿命两方面综合考虑，如果能做出长寿命电解电容器，使得电解电容器的寿命与LED寿命基本相同，那么，电解电容器这块LED驱动中短板相关问题就可以得到很好的解决。是什么原因造成LED等的过早损坏？原因在于LED驱动电路的可靠性不高，驱动性能不好。抛开驱动性能不好的因素，LED灯寿命短的根本原因就是驱动电路中的电子原件寿命远远低于LED的寿命。是哪个元件的寿命最短？电解电容器！电解电容器的寿命在LED驱动电路中，特别是交流市电驱动LED灯时，LED驱动电路必须要有输入整流滤波电路和输出整流滤波电路。输入整流滤波电路需要相对和大的电容量才能将整流输出电压平滑到允许范围。输出整流滤波电路也需要足够的电容量来维持电路的稳定性和输出电流的平滑。最经济的大电容量电容器唯电解电容器是最佳选择。电解电容器最大的优点是经济性好，而最大的弱点是寿命短。10年前的铝电解电容器一般为105℃/200小时。这就是说在105℃的温度条件下的使用寿命只有84天！即使降低到85℃，使用寿命也仅仅为332天，还不到一年！继续降低到75℃，寿命也不会超过两年。相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说，铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。解决问题的方法无电解电容器的LED驱动技术如果用十年前的铝解电容器技术的观点看，铝电解电容器是无法胜任LED等寿命的。解决方法一般为无铝电解电容器技术，这就是前些年风行的五铝电解电容器LED驱动技术的根本原因。但是不能不是的问题是，采用无铝电解电容器的后果是LED驱动电路的性能下降，间接的导致LED寿命的严重不足。无电解电容器方案存在的问题首先，无电解电容器方案使得市电整流输出电压纹波加大，如果不加以处理就会导致LED输出电压纹波的增加。如果LED工作在满功率状态，就可能出现市电频率下的周期性过电流（或过功率）图中可以看到，大功率LED工作电流在0.7A时对应的正向电压约为3.4V，如果LED端电压波动0.2V，流过LED的电流将超过0.95A，对于0.7A的大功率LED，这绝对是一个过功率。最终结果会导致寿命的缩短。如果工作电流选择最大额定电流的一半时，尽管不会出现过功率，但是会引起损耗的加大，而且会产生比较大的LED电流变化，会导致如50Hz电感镇流器驱动荧光灯那样的闪烁，甚至会更严重。市电整流滤波电容器的问题无铝电解电容器LED驱动始终避免不了的问题是：平滑电源侧整流输出电压需要足够的电容量，而采用薄膜电容器会明显增加成本，增加体积，不得已而选择低电容量，这又会输得整流输出电压纹波电压变大，特别是像PI的产品，当电容量低于1μF/W就会在变换器输出产生比较高幅值的纹波电压，会使得LED闪烁。输除整流滤波电容器的电容量选择过低可能会产生反激式变换器的自激，因此不希望输出整流滤波电容器过低的电容量，但是非铝电解电容器的价格又太高。输出整流滤波电容量对LED驱动的影响如果LED驱动电路是反激式变换器，为了实现稳定，需要足够的电容量。如果电容量不够会引起电路的寄生振荡，使得LED严重闪烁。控制IC电源旁路电容器的影响控制IC电源旁路电容器不仅需要足够的电容量，还要具有良好的电源旁路性能，如果电容量过小就会引起控制IC电源电压的波动，从而引起输出电压的波动，导致LED的闪烁。一、改进电解电容器的性能和寿命是解决LED驱动寿命的最简捷、最经济的方法从成本和寿命两方面综合考虑，如果能做出长寿命电解电容器，使得电解电容器的寿命与LED寿命基本相同，那么，电解电容器这块LED驱动中短板相关问题就可以得到很好的解决。低压电解电容器是问题的关键。相对而言低压电解电容器获得105℃1万小时的寿命要比105℃1万小时寿命的高压电解电容器难得多。最主要的原因是低压电解电容器需要极低的ESR，而极低的ESR需要大幅度提高电解液的导电率，而大幅度提高电解液电导率的最简单的办法就是提高电解液的含水量。所带来的问题就是“水合”反应的过早出现而导致电解电容器的早期失效。国外超长寿命铝电解电容器的水平在LED驱动工程师研究无铝电解电容器LED驱动技术的同时。随着铝电解电容器材料和制造技术的提高，铝电解电容器制造商在努力克服铝电解电容器寿命的问题。铝电解电容器在105℃温度下率先突破1万小时的铝电解电容器制造商是RUBYCON。最难突破的难点是低压铝电解电容器，原因是低压铝电解电容器需要很低甚至极低的ESR，而要想获得极低的ESR，通常的技术就是提高电解液的含水量，所带来的问题就是因“水合”反应而导致铝电解电容器的早期失效，违背了超长寿命的技术要求。RUBYCON对这个问题非常重视，在不断的探索后推出了比较低含水率电解液的105℃/1万小时寿命的低压铝电解电容器。国外及超长寿命铝电解电容器的水平105℃万小时级的低压铝电解电容器有RUBYCON的ZLH系列，这是一款高含水率的铝电解电容器，需要控制、抑制“水合反应”难度很大，因此现在RUBYCON建议采用相对低一些含水量的XYJ系列替代ZLH系列。我国高压铝电解电容器现状经过多年的节能灯用高压铝电解电容器应用实践和改进，国内高压铝电解电容器的寿命已经得到和大提高，很多铝电解电容器制造商已经可以制造出105℃/10000小时产品，可以满足3万小时以下的LED应用状态的驱动电路寿命。或者是分离式LED驱动电路的应用中基本满足LED寿命要求。但是，尚不能满足5万小时寿命的LED状态的驱动电路的需求。尽管如此，高压铝电解电容器还是迈出通向满足LED应用要求的第一步。国内已经有铝电解电容器制造商推出5万小时LED寿命的高压铝电解电容器。低压铝电解电容器的现状LED驱动应用中的低压铝电解电容器要求具有尽可能低的ESR、超长寿命、超长时间的电容量稳定性。目前国内大多数铝电解电容器制造商（包括我国台湾地区的铝电解电容器制造商）多数为105℃/5000~6000小时，对应LED应用状态，大约为1~2万小时，这个小时数远不能满足LED驱动要求。高压电解电容器与低压电解电容器寿命差异所产生的冲突在LED驱动电路中，决定寿命的是寿命最短的元器件。因而即使高压铝电解电容器的寿命问题得到解决，而低压铝电解电容器寿命得不到解决，最终LED驱动