LED照明的部落格

LED 需要電路驅動器將標準的交流電壓轉換為可使用的直流電流與電壓。

為使LED燈泡兼容標準的燈口，且不犧牲其工作壽命，設計人員必須以某種不會增加燈泡潛在故障機制的方式，將驅動電路與燈泡整合到一起。

驅動電路要將高的交流電壓轉換為低的直流電壓，因此必需做電氣隔離。一種方案是採用實時波形分析，通過隔離變壓器初級端檢測LED電流，這樣，無需來自輸出端的直接反饋，就可以保持對LED串的嚴格恆流調節。

驅動LED的兩步方案是在前面用一個升壓轉換器，為調光器提供所需要的負載阻抗（減少可能造成損壞的浪湧電流），並且使輸入電流與線路電流同相，從而提高了電路的整體功率因數。

全球各地政府都出台了要求白熾燈逐步退市的規定，這推動了向固態照明技術的轉變。 LED照明較傳統方式有明顯的優勢，尤其是LED燈泡提高了每瓦流明性能，而降低了每流明的成本。

LED技術與被替代的傳統白熾燈相比，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。比起相對脆弱的白熾燈和熒光燈，固態照明技術的堅固性是對消費者的重要賣點。白熾燈的典型壽命大約是1000小時（參考文獻1）。而LED燈泡號稱有5萬小時以上的工作壽命（參考文獻2），同時在等效光輸出下，功耗只有前者的約20%.

但是，如果設計者不採取一些必要的預防措施，LED照明就可能無法向消費者兌現約25年無需更換燈泡的承諾。 LED及其驅動電路的複雜性與可靠性（還必須與傳統調光技術兼容）都是設計者必須考慮解決的問題，這樣才能獲得最長的LED照明系統工作壽命。

LED正常工作要求有恆定的直流電流，且電壓遠低於整流後的交流線電壓，因此需要將標準交流電壓降低到可用電平的驅動電路。要使LED燈泡與標準燈口兼容，設計者必須將驅動電路集成在燈泡內。如果處理不當，這種整合就會增加LED燈泡發生機械故障的可能性。

以往的LED燈泡驅動器都需要大量外接元件、高價的隔離元件，以及特殊的設計策略，以防止關鍵元件出現長期老化問題（如電解電容）。現在，驅動電路的整合使燈泡更容易產生可靠性問題，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。由於驅動電路要將大交流電壓（100Vac/220V ac）降低到可為LED供電的一個dc電壓，因此出於安全考慮要做電氣隔離。

在典型的電氣隔離AC/DC轉換器中，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，它將一個電信號轉換為光信號，使該信號通過光障，然後再轉換回電信號（圖1）。因為光耦的FIT率高於半導體元件，因此就降低了整個電路的MTTF指標。

另外，由於老化的影響，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迴路穩定性，縮短LED驅動電路的壽命。雖然很多LED燈和燈具可以工作在高的PCB溫​​度下，但設計者必須消除這些薄弱環節，才能獲得更長的壽命。

圖2顯示了iWatt公司的初級端數字控制技術PrimAccurate.這種專利方案採用實時波形分析，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串的嚴格恆流調節。

該技術的另一個好處是內部反饋迴路補償，它簡化了設計，減少了外接元件的數量，尤其是不需要光耦這種有最高FIT率的元件，提高了LED驅動電路的可靠性，因此改善了燈泡的整體可靠性。

今天生產的LED燈泡還必須與家庭中現有的照明技術反向兼容。調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光，比熒光燈更有效地符合白熾燈泡的特性。

不過，要支持調光功能，LED驅動器需控制多個因素​​，包括調光器檢測、兼容性，以及光閃爍等。為了優化照明系統的工作壽命，在與LED驅動器一起使用調光器時，一個關注點是耐用性。

典型的A 型白熾燈泡是純阻性的。當用調光器來控制普通A型燈泡的亮度時，調光器上的負載也是純阻性的，通過調光器的是恆定電流，可以控制。

而LED驅動器實際上是一個電流源，其輸入端對調光器來說，有高的容性，在上電時，會出現一個巨大的浪湧電流為容性負載充電，然後才穩定到一個低得多的電流水平。這個浪湧電流可能損壞標準調光器，必須減小這個電流，以避免損及調光電路的壽命。

調光器浪湧問題的一個解決方法是採用一種兩級方案來驅動LED,而不採用直接的反激轉換器方法，因後者有高的容性輸入阻抗。在兩級方案中，初級用於將阻抗提升到一個可控​​水平，從而降低浪湧電流，為調光器提供所需要的安全與保護。

iWatt公司的iW3616 LED驅動器（圖3）就採用了兩級方案，它有一個雙重功能的初始升壓轉換器：首先，為調光器提供所需的負載阻抗，減少浪湧電流；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。這種方案不僅能夠延長調光器的壽命，而且也可以產生高的功率因數。 iW3616中提供初級端控制的數字塊​​包含檢測算法，幾乎能與市場上所有現成調光器一起配合使用。同一算法還控制著升壓轉換器，優化電路的動態輸入阻抗，以改善功率因數，並降低浪湧電流。

在優化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本身的預期壽命。與所有半導體元件一樣，LED的工作結溫越高，其預期壽命就越短。電解電容也有預期壽命，同樣取決於工作溫度。

一種方案是降低LED的額定驅動電流，以及簡單地用多只LED來產生特定的光輸出量，這樣單只LED上發熱較少，因此降低了結溫。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，它還無法適應外部因素，例如燈具的物理尺寸特性，發熱量可能超過預期。

另一種方法是優化LED的最大電流，即設立一個最高結溫，超過則會觸發LED電流的下降，以避免老化。現有數字LED驅動控制器實現了一個兩級保護機制，設計者用一隻外接器件就可以設定最高LED溫度。 LED結附近放一個NTC（負溫度係數）電阻做溫度監測器。 NTC電阻連接到LED驅動IC上，用溫度反饋器件來保護LED.

圖3中的iW3616採用了一隻NTC器件來保護LED燈泡中的LED.如果LED結達到了NTC元件所設定的最大溫度閾值，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，逐步回到其最大設定值，並有適當的遲滯量以防止振盪。如果發生重大故障事件，失效恢復模式可將通過LED的電流降低到預設輸出電流的1%.這種過熱保護結構為LED燈泡提供了設計的靈活性，極端工作條件下仍會為燈泡提供完全的保護，設計者不必再擔心這類問題。

LED已經發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。這一新技術的成功關鍵是驅動器的實現。要確保LED真正具有號稱的長工作壽命，除了設計人員都在努力優化的效率和成本參數以外，其它因素也非常關鍵，如溫度、調光控制與可靠性等。

註.CREE公司给出了不同结温下的光通维持寿命L70：150度，6000小時；125度，10500小時;100度，19500小時;75度，39000小時;50度，90000小時。

via CNLEDW