LED电源且规定原则上试验前后可靠性良好

中国杭州–2013年3月29日，

　　在众多照明应用中，线性LED驱动器是首选的方案，因为它们相对简单，易于设计，且使LED能够以精确的稳流电流来驱动，而无论LED正向压降（Vf）或输入电压如何变化。由于驱动器是线性结构，它们必须匹配应用的功率耗散要求。安森美半导体提供电流范围在10 mA到1 A之间的宽广范围线性LED驱动器方案，包括新颖的线性恒流稳流器（CCR）方案及其它众多线性驱动器方案。

　　针对低电流LED驱动的线性CCR及应用示例

　　在电流低于350 mA的许多低电流LED应用中，如汽车组合尾灯、霓红灯替代、交通信号灯、大型显示器背光、建筑物装饰光及指示器等，可以采用普通的线性稳压器或是电阻来提供LED驱动方案。电阻用于限制LED串的电流，是成本最低的方案，易于设计，且没有电磁相容性问题。但是，使用电阻时，LED正向电流由电压确定，在低电压条件下，正向电流较低，会导致LED亮度不足，且在负载突降等暂态条件下，LED可能受损。电阻方案的能效也最低，不利于节能，这在强调高低能耗的应用中尤为不利。此外，电阻方案也存在LED热失控及筛选问题。线性稳压器方案的提供较佳的稳流精度（±2%），支持过功率自调节，也没有EMI问题。这种方案的能效较低，成本适中。

　　客户需要比普通线性稳压器经济、但在性能上又比电阻高出许多的驱动方案。安森美半导体运用待批专利的自偏置电晶体（SBT）技术，结合自身超强的制程控制能力，推出了新颖的LED驱动方案——NSI45系列线性恒流稳流器（CCR）。与电阻相比，线性CCR在宽电压范围下亮度恒定，在高输入电压时保护 LED，使其免于过驱动，在低输入电压时提供更高亮度。得益于其恒流特性，客户可以减少或消除不同供应商提供的不同LED的编码成本，降系统总成本。 CCR也无EMI问题，采用高功率密度封装，并通过汽车行业AEC-Q101认证。

　　安森美半导体的CCR包含双端固定输出和三端可调节输出两种类型，电流等级分别涵盖10至350 mA及20至160 mA，阳极-阴极最大电压VAK分别为50 V和45 V。高VAK电压帮助抑制浪涌，保护LED。这系列CCR在电流流动前无电压偏移，其快速导通/关闭特性提供宽范围及精确的脉冲宽调变（PWM）调光能力。市场上没有跟CCR一样的“随插即用”元件，其它元件都需最低0.5 V的电压导通，而不会像CCR一样立即导通（见图1左）。CCR能以外部双极结电晶体（BJT）来提供精确的PWM调光（见图1右），典型PWM调光频率是0.1到3 kHz，调光过程中并无色彩漂移，因为LED始终以最佳的电流导通。

　　图1： 25 mA的CCR与竞争元件的Ireg-Vin曲线比较（左）；CCR调光应用示例（右）。

　　CCR带有负温度系数（NTC）功能，在极端电压和工作温度下保护LED免受热失控影响。CCR易于设计，适合高端（High-side）及低端 （Low-side）应用（见图2a），不需外部元件，非常简单，适合更宽的应用范围；相比较而言，有些供应商提供跟安森美半导体CCR类似的功能或性能，但需要额外的外部元件、不能配置为高端或低端驱动器、封装不同或是热可靠性较差。

　　图2：CCR可灵活用于高端或低端驱动，亦可驱动多串LED。

　　CCR还能用于驱动多串LED（见图2b和2c），同样是既可用于高端，也可用于低端。图2b显示的是单个CCR驱动多串LED的应用示例，这种配置的成本最低，但不同LED的正向压降必须匹配，且某串LED故障则其它串LED的电流增加，加大故障风险。这种配置中较多功率耗散在单个CCR封装之中。图 2c显示的是多个CCR驱动多串LED，这种配置的保护性能最佳，既不需要匹配LED，某串LED故障对其它串也没有影响，且功率在多个CCR封装中耗散。

　　除了以单个CCR驱动单串或多串LED，还能并联多个CCR来提供更大电流，驱动单串或多串LED。其中，使用三端可调节输出CCR有助于满足特定电流设置要求，可调节电阻能耗不到150 mW。

　　图3：并联多个CCR提供更大电流，驱动单串或多串LED。

　　CCR可以用于直接采用交流电源供电的应用。交流市电输入经过桥式整流后，只需要保证输入电压减去LED串总电压后所剩下的电压不超过CCR的VAK即可。CCR也可用于T8萤光灯管LED替代应用。采用CCR来驱动LED T8灯管（见图4）与采用电子镇流器的萤光灯相比，输入功率更低，功率因子更高，总涟波失真更低，光输出更高。

　　图4：NSI45090DDT4G CCR在驱动LED T8灯管应用中的电路图。

　　安森美半导体的NSI45系列CCR包含10、15、20、25或30 mA固定输出版本，60至160 mA的可调节输出版本，以及通过汽车标准认证的20至160 mA可调节输出版本。安森美半导体并提供CCR样品套件和评估板供客户申请试用。

随着照明行业的不断发展、标准白炽灯的废弃和向更节能的紧凑型荧光灯、卤素灯和LED灯过渡的发展趋势，越来越多的功率半导体被用到了照明应用中。

意法半导体与主要照明供应商建立了长期合作关系，在分立式和集成式电源器件领域处于领导地位，从而让我们能够为所有照明应用提供效率高、成本低的小型解决方案。

其中包括工业、住宅、商业、建筑和街道照明。

我们提供了面向以下应用的解决方案

LED灯驱动

面向荧光灯照明的高频镇流器解决方案

面向卤素照明的电子卤素变压器

面向工业HID照明的半桥和全桥 解决方案

调光器应用

意法半导体为从事照明项目的工程师提供了全套元件和评估板。

主要智能产品为：

高压转换器

开关稳压器

功率因数校正IC

功率MOSFET和IGBT

晶闸管和AC开关

超高速和肖特基整流器

8和32位微控制器

变光器

普通调光解决方案一般采用交流控制。 采用我们优化的双向开关三极管 （TRIAC） 系列时，以下方框图便于选择系统每种电路功能的荐用产品。

卤素灯

卤素灯是白炽灯的一种变体，与荧光灯管相比，其产生暖色灯光，且效率高于传统灯丝灯泡。

卤素灯可在市电电压和低电压下工作。 电子变压器通常用于低压操作，因为与传统变压器相比，其尺寸更小、重量更轻、能效更高。

意法半导体提供各种有源元件，实现了高效电子变压器：

双极功率晶体管

超高速整流器

晶闸管和AC开关

电子变压器

高级卤素灯电子变压器具有体积小、重量轻和效率高等特点。 以下方框图便于您在各种推荐的应用产品中进行选择。

　　照明用电是全球能耗的一项重要来源。据推算，中国照明用电约占全社会用电量的12%左右。在各种照明灯具中，历史悠久但能效较低的白炽灯的应用仍然非常广泛，如果限制低能效光源的使用、同时大力地推广及应用更高能效及环保的光源，将利于节能。

　　因此，包括中国在内，世界上多个国家制定政策，分阶段淘汰白炽灯泡。如中国计划于2015年60W以上普通照明用白炽灯泡全部淘汰。荧光灯及紧凑型荧光灯（CFL）的能效比白炽灯高，在市场上已经应用多年。但荧光灯含剧毒物质汞，所引发的环保顾虑越来越多。

　　相比较而言，LED在发光效率等各方面的性能不断提升，还兼具环保及长寿命特性，越来越受重视。实际上，LED筒灯和改装灯泡已经拥有比白炽灯、卤素灯或CFL等现在照明技术更高的能效。而在成本方面，研究发现，与2010年相比，LED的价格已经加速下降（每年下降13%至24%），预计未来几年仍会持续下降，将帮助降低LED灯泡及灯具的成本。

　　因此，世界各国纷纷看好及推动LED照明产业的发展。例如，中国国家发改委发布《半导体照明节能产业规划》，规划到2015年LED功能性照明产品市场占有率达20%以上，LED照明节能产业产值年增长30%左右，2015年产值达4，500亿元（折合720亿美元）。

　　LED通用照明应用及发展前景

　　LED除了广泛应用移动设备、中大尺寸液晶显示屏（LCD）背光及LED标牌等领域外，如今也在越来越多地用于LED汽车内部/外部照明，如前照灯、雾灯、尾灯、停车灯、仪表盘背光、车顶灯、阅读灯和氛围灯等，以及住宅照明和建筑物装饰照明等LED通用照明。

　　LED通用照明应用覆盖宽广功率范围，低至3W到15W的LED住宅照明，中等功率有如15W至 75W的商业及建筑物装饰性照明，高至75W到250W的户外及基础设施照明，典型照明产品有如MR16/GU10灯、E27/A19灯泡、镇流器、筒灯、T8灯管、街灯等。

　　图1：典型LED通用照明应用

　　LED通用照明应用极具发展前景。各种LED通用照明灯具中，近期来看，LED灯泡（如A19 LED灯泡）的发展势头惊人。据统计，2012年全球LED灯泡出货量达7.35亿只，2013年预计将增长到12.25亿只；预计到2014年将迎来 LED灯泡市场的引爆点，届时LED灯泡价格将会降至10美元以下，出货量预计较2013年增长约85%，达22.70亿只；而到2015年出货量将进一步增长至39亿只。

　　高能效驱动器是LED通用照明的重点

　　要将LED照明的节能功能发挥至最高，就需要高能效的LED驱动器。我们以LED灯泡为例，典型的 LED灯泡包含LED阵列、驱动电路、散光罩、散热片和螺旋灯头等主要组件，见图2的左半部分。就驱动电路而言，高能效LED驱动器IC无疑是其中的重点。图2的右半部分显示了典型的LED灯泡驱动电路，其中使用的是典型的独立式LED驱动器。

　　图2：（a）典型LED灯泡剖视图（左图）；（b）典型LED灯泡驱动电路（右图）

　　要发挥LED通用照明的高能效优势，LED驱动器存在多重挑战。首先就是能效至关重要。以LED灯泡为例，其形状固定，散热受限，采用高能效LED驱动器则可帮助将更多电能转化为光能，帮助散热。其次，LED灯泡空间有限，需要更大的散热片面积，较大功率的灯泡尤为如此。此外，LED正在迅速变化，提供多种选择，这对LED驱动器的选择也构成了挑战。由于LED灯泡空间有限，故须减小驱动电子电路的尺寸以使剩余空间增多，配合散热。LED通用照明涵盖不同功率等级，故须优化LED驱动器选择，以配合不同照明及功率要求。出于安规、LED选择等因素，设计人员还须考虑是采用隔离还是非隔离拓扑结构，由此也影响到LED驱动器的选择。

　　自从白光发光二极管（LED）于2000年始达到每瓦15～20流明的水準后，各国就开始积极对LED投入研发制造，而相关市场行销、技术评鉴机构及学界，则积极对此极具未来性的产品进行解码，一探其奥秘及商业价值，并陆续提出负面疑问或爆炸性的前瞻预测。

　　但随着能源短缺、地球暖化、能源材料价格上扬等因素深受各国政府重视，更加速LED的市场热度，其二为随着手机白色背光源于2003年被广泛应用，随即奠定蓝光激发萤光粉产生白光LED在市场的价值，更因LED应用在车尾灯可达到快速反应、减少更换及设计上增加工业产品美学的新思维，渐渐开拓另一个市场应用契机，进而激励相关供应链厂商的研发投入。

　　虽然在2003年时，LED亮度效能未能达到主照明的需求（表1），但已逐渐让世界注意到LED的未来性及对传统光源的威胁性。

　　表1　OIDA对于2002～2020年LED效能预估

　　依照美国光电子工业协会（OIDA）的预测推估，今年即使LED已达到10美元/每千流明，但对于整组灯泡或灯具要达成10美元/每千流明仍相去甚远，尤其加入演色性（CRI）的需求，光源的效能和市场价格将为供应链厂商必须共同解决的一大课题。

　　虽然LED的应用极为广泛，且各个应用产业会面对不同程度的技术问题，在此仅就照明应用方面提出设计解决方向，以加速LED照明产业整合开发的品质与速度。

　　LED灯具供应商主导产业规格

　　要成功开发一款LED照明产品所须注意的事项相当繁琐而复杂，叁至五人的贸易公司或许能带来营业利润，但在世界规範一一制定出炉后，亦拉高进入门槛，同时筛选掉体质不佳的应用小厂，更甚至因为达到普及化的成本结构，使LED照明逐渐朝专业技术和专业代工制造的领导厂商集中。

　　现今的主要客户更加戮力于探究上游材料、技术深度及整合能力，以做为评估的标準。对于各阶段开发的技术深度及广度，将会是2009～2012年成功迈入LED照明必须完备的工作，因为标準尚未完备，市场的需求决定在供应商能够提供的解决方案。

　　过半效率取决芯片/封装制程搭配效率

　　有关芯片开发，从覆晶（Flip Chip）式芯片如飞利浦，垂直（Verticle）式芯片如Cree、SemiLEDs，正负极呈阶梯平面式焊线，完全平面式焊线如日亚（Nichia）、丰田合成（TG）、晶元光电等；再加上粗糙面（Roughness）结构位置，以及形成的方式不同，皆或多或少影响出光效率、出光角、热传导、节点（Tj）温度、固晶材料、固晶方式、硬力拉力推力、焊线参数及结构设计的专利问题。是否了解芯片跟后续封装制程间的关係，决定LED照明产品一半以上的良率，开发LED照明应用就必须了解细部差异，以做为设计上的判断依据，目前没有哪家LED芯片最好，只有最适合的LED芯片才能够达到市场需求的最佳化。

　　多重因素影响LED封装性能

　　至于封装开发，在固定单一型式芯片下，众多影响因子决定封装完LED元件的性能、可靠度、寿命是否能禁得起市场考验，其中包括：

　　？承载基板的设计选择

　　金属支架、FR4 COB（Chip on Board）型式、低温共烧氧化铝陶瓷、高温氧化铝、氧化铝基板加金属银块或铜块（Slug）、氮化铝基板、铝基板、铜基板、复合机板等材料差异，包括上述材料的机械结构对光、环境（如溼气温度等）结合力之间的相互作用关係。

　　？光相关的制程设计

　　固晶焊线区域位置，尺寸的设计，固晶焊线区域，固晶方式（硅绝缘胶、银导热胶、助焊剂、共金焊接等），以及周边材质如金、银、铜、铝、钯银、钯金、高耐热塑胶（PPA）、硅等，封装胶体（黏稠度、折射率、耐温耐候性与相邻材料接着力等）。

　　？萤光粉的多重混用、波长搭配、浓度搭配、涂布方式、操作时间及沉淀控制。

　　？色温/电压/亮度/演色性分布

　　均会影响出光效率、寿命、品质等，然而不同芯片的选用会使所有影响因子势必全部或部分重新再做评估。

　　光源元件设计/选择不可轻忽

　　图2　产品机构及模具组装3D建构须充分了解LED光源特性、光机电热，加上电脑对光热模拟分析，才能确保可靠度和效能。

　　就LED照明而言，到此才决定LED光源元件（图1），接下来还要面对：二次光学透镜、反射镜的设计，达到照明在不同应用需求的光型、光强分布或光学组件材料对环境造成光衰、裂化的考量。此外，模组设计加上电路、电子控制设计、定电流源、调光模组、DMX系统控制模组、部分热传导设计、部分机构设计、组立设计等，必须达到客户功能性的要求，同时对LED光源元件不至于造成加速破坏的条件存在。最后则为热传导（Thermal Conductivity）热硬力及散热设计（Thermal Management），在模组端力求降低LED节点温度，均匀快速的将热集中区分散到各个面，另外则包括安规等绝缘设计考量。