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优化LED灯泡的工作寿命的关键

电子技术设计 信息来源: 维库开发网 发布时间:2013年3月6日

  LED 需要电路驱动器将标准的交流电压转换为可使用的直流电流与电压。

  为使LED灯泡兼容标准的灯口,且不牺牲其工作寿命,设计人员必须以某种不会增加灯泡潜在故障机制的方式,将驱动电路与灯泡整合到一起。

  驱动电路要将高的交流电压转换为低的直流电压,因此必需做电气隔离。一种方案是采用实时波形分析,通过隔离变压器初级端检测LED电流,这样,无需来自输出端的直接反馈,就可以保持对LED串的严格恒流调节。

  驱动LED的两步方案是在前面用一个升压转换器,为调光器提供所需要的负载阻抗(减少可能造成损坏的浪涌电流),并且使输入电流与线路电流同相,从而提高了电路的整体功率因数。

  全球各地政府都出台了要求白炽灯逐步退市的规定,这推动了向固态照明技术的转变。LED照明较传统方式有明显的优势,尤其是LED灯泡提高了每瓦流明性能,而降低了每流明的成本。

  LED技术与被替代的传统白炽灯相比,主要好处是更长的工作寿命,以及更低的每瓦小时工作成本。比起相对脆弱的白炽灯和荧光灯,固态照明技术的坚固性是对消费者的重要卖点。白炽灯的典型寿命大约是1000小时(参考文献1)。而LED灯泡号称有5万小时以上的工作寿命(参考文献2),同时在等效光输出下,功耗只有前者的约20%.

  但是,如果设计者不采取一些必要的预防措施,LED照明就可能无法向消费者兑现约25年无需更换灯泡的承诺。LED及其驱动电路的复杂性与可靠性(还必须与传统调光技术兼容)都是设计者必须考虑解决的问题,这样才能获得最长的LED照明系统工作寿命。

  LED正常工作要求有恒定的直流电流,且电压远低于整流后的交流线电压,因此需要将标准交流电压降低到可用电平的驱动电路。要使LED灯泡与标准灯口兼容,设计者必须将驱动电路集成在灯泡内。如果处理不当,这种整合就会增加LED灯泡发生机械故障的可能性。

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  以往的LED灯泡驱动器都需要大量外接元件、高价的隔离元件,以及特殊的设计策略,以防止关键元件出现长期老化问题(如电解电容)。现在,驱动电路的整合使灯泡更容易产生可靠性问题,如早期失效或使MTTF(平均无故障时间)率下降。

  MTTF 是对首次出现故障时间的量度值,通常以电路中每种元件的FIT率(每10亿小时故障率)计算得出。由于驱动电路要将大交流电压(100Vac/220V ac)降低到可为LED供电的一个dc电压,因此出于安全考虑要做电气隔离。

  在典型的电气隔离AC/DC转换器中,会用一个分立的光隔离器(或光耦)提供从次级端到初级端控制器的反馈,它将一个电信号转换为光信号,使该信号通过光障,然后再转换回电信号(图1)。因为光耦的FIT率高于半导体元件,因此就降低了整个电路的MTTF指标。

  另外,由于老化的影响,光耦的电流传输率可能会随时间和温度而改变。这种变动会影响到电源的回路稳定性,缩短LED驱动电路的寿命。虽然很多LED灯和灯具可以工作在高的PCB温度下,但设计者必须消除这些薄弱环节,才能获得更长的寿命。

  图2显示了iWatt公司的初级端数字控制技术PrimAccurate.这种专利方案采用实时波形分析,通过隔离变压器初级端来检测LED电流,而不需要来自输出端的直接反馈,同时保持了对LED串的严格恒流调节。

  该技术的另一个好处是内部反馈回路补偿,它简化了设计,减少了外接元件的数量,尤其是不需要光耦这种有最高FIT率的元件,提高了LED驱动电路的可靠性,因此改善了灯泡的整体可靠性。

  今天生产的LED灯泡还必须与家庭中现有的照明技术反向兼容。调光器提供了家居的气氛照明,而LED照明做白炽灯替代品的一个好处就是可以方便地调光,比荧光灯更有效地符合白炽灯泡的特性。

  不过,要支持调光功能,LED驱动器需控制多个因素,包括调光器检测、兼容性,以及光闪烁等。为了优化照明系统的工作寿命,在与LED驱动器一起使用调光器时,一个关注点是耐用性。

  典型的A 型白炽灯泡是纯阻性的。当用调光器来控制普通A型灯泡的亮度时,调光器上的负载也是纯阻性的,通过调光器的是恒定电流,可以控制。

  而LED驱动器实际上是一个电流源,其输入端对调光器来说,有高的容性,在上电时,会出现一个巨大的浪涌电流为容性负载充电,然后才稳定到一个低得多的电流水平。这个浪涌电流可能损坏标准调光器,必须减小这个电流,以避免损及调光电路的寿命。

  调光器浪涌问题的一个解决方法是采用一种两级方案来驱动LED,而不采用直接的反激转换器方法,因后者有高的容性输入阻抗。在两级方案中,初级用于将阻抗提升到一个可控水平,从而降低浪涌电流,为调光器提供所需要的安全与保护。

  iWatt公司的iW3616 LED驱动器(图3)就采用了两级方案,它有一个双重功能的初始升压转换器:首先,为调光器提供所需的负载阻抗,减少浪涌电流;其次,使输入电流保持与电源电流相同的相位,以提高整个电路的功率因数。这种方案不仅能够延长调光器的寿命,而且也可以产生高的功率因数。iW3616中提供初级端控制的数字块包含检测算法,几乎能与市场上所有现成调光器一起配合使用。同一算法还控制着升压转换器,优化电路的动态输入阻抗,以改善功率因数,并降低浪涌电流。

LED驱动器两级方案图

  在优化LED灯泡工作寿命时,还有一个同样重要的考虑因素,这就是LED本身的预期寿命。与所有半导体元件一样,LED的工作结温越高,其预期寿命就越短。电解电容也有预期寿命,同样取决于工作温度。

  一种方案是降低LED的额定驱动电流,以及简单地用多只LED来产生特定的光输出量,这样单只LED上发热较少,因此降低了结温。这种方法可延长灯泡工作寿命,但换得的是更高的方案成本,因为需要更多的LED.此外,它还无法适应外部因素,例如灯具的物理尺寸特性,发热量可能超过预期。

  另一种方法是优化LED的最大电流,即设立一个最高结温,超过则会触发LED电流的下降,以避免老化。现有数字LED驱动控制器实现了一个两级保护机制,设计者用一只外接器件就可以设定最高LED温度。LED结附近放一个NTC(负温度系数)电阻做温度监测器。NTC电阻连接到LED驱动IC上,用温度反馈器件来保护LED.

  图3中的iW3616采用了一只NTC器件来保护LED灯泡中的LED.如果LED结达到了NTC元件所设定的最大温度阈值,则控制器以10%的间隔减少LED电流,直到温度稳定为止。如果温度降下来了,则LED电流以相同的反向10%步长,逐步回到其最大设定值,并有适当的迟滞量以防止振荡。如果发生重大故障事件,失效恢复模式可将通过LED的电流降低到预设输出电流的1%.这种过热保护结构为LED灯泡提供了设计的灵活性,极端工作条件下仍会为灯泡提供完全的保护,设计者不必再担心这类问题。

  LED已经发展到成本与光输出可与其它竞争方案相匹敌的阶段,LED照明正在努力地成为家居白炽照明的实用替代品。这一新技术的成功关键是驱动器的实现。要确保LED真正具有号称的长工作寿命,除了设计人员都在努力优化的效率和成本参数以外,其它因素也非常关键,如温度、调光控制与可靠性等。

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